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深水庫區(qū)施工工程浮箱的設(shè)計范文

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深水庫區(qū)施工工程浮箱的設(shè)計

《湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報》2014年第二期

1綜合設(shè)計法特點

綜合設(shè)計法在傳統(tǒng)工程浮箱設(shè)計理論的基礎(chǔ)上進一步完善,并提出了專用浮箱的設(shè)計理論,從靜力學(xué),耐波性,以及防腐等各方面對專用工程浮箱進行了分析.(1)傳統(tǒng)工程浮箱以單一規(guī)范進行設(shè)計,且主要是用于搭建浮橋、棧橋等臨時工程設(shè)施[6~8],對于組拼復(fù)雜的浮式平臺,其缺陷非常明顯.綜合設(shè)計法專門針對浮式施工平臺進行設(shè)計,綜合了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、內(nèi)河小船建造規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗收規(guī)范等,從而使得設(shè)計更加科學(xué)、合理.(2)傳統(tǒng)工程浮箱的設(shè)計承載力一般比較低,往往需要上幾臺鉆機,如果遇到需要加快工期的情況,平臺上的施工荷載也會成倍的增加,因而對浮箱的承載力提出了更高的要求,這就使得傳統(tǒng)工程浮箱難以滿足浮式平臺施工要求.綜合設(shè)計法針對這一難題,設(shè)計提出了一種適用于搭建深水庫區(qū)樁基礎(chǔ)施工平臺的專用鋼浮箱.(3)穩(wěn)定性和定位精度一直是浮式施工平臺使用過程中的一大弊端.而傳統(tǒng)工程浮箱基本上不考慮定位精度的問題.專用工程浮箱針對浮式施工平臺鉆機施工過程晃動大,穩(wěn)定性及定位精度等難以達到要求的難題,對浮箱進行針對性設(shè)計,改善了錨碇系統(tǒng),在一定程度上解決了這一難題.(4)傳統(tǒng)工程浮箱主要以工程經(jīng)驗和統(tǒng)計參數(shù)進行設(shè)計,有時難免出現(xiàn)安全系數(shù)過大,造成材料的浪費;或安全系數(shù)不足,造成人員財產(chǎn)等的損失.在綜合設(shè)計法理論中將可靠性理論有效地應(yīng)用在專用浮箱的設(shè)計過程中,用科學(xué)的統(tǒng)計學(xué)理論分析浮箱構(gòu)件的強度參數(shù),使得綜合設(shè)計法更系統(tǒng)化、科學(xué)化.

2工程實例

項目為樟湖庫區(qū)大橋的深水樁基礎(chǔ)施工,庫區(qū)正常蓄水位65.0m,水深40m左右.浮式平臺主要承受平臺面荷載、鉆機荷載以及龍門荷載等[3].浮箱尺寸為9m×3m×1.5m,如圖2.通過浮箱組合成3n×9×1.5(n為浮箱的個數(shù))的大型浮體.工程浮箱的箱體骨架體系設(shè)計是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的最重要內(nèi)容.其體系的組成包括各類相互連接的鋼骨架、箱體上層甲板、箱側(cè)板、底部面板和端板等.在各類構(gòu)件進行合理的組合后,構(gòu)件的尺寸主要由強度和穩(wěn)定決定,還要保證危險截面構(gòu)件的局部強度.并對整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和檢驗,驗算結(jié)果見表1及表2.由表1及表2可知,對浮箱局部的強度驗算符合構(gòu)件安全設(shè)計基本要求,保證了浮箱整體構(gòu)件的強度設(shè)計安全可靠,一方面滿足了設(shè)計規(guī)范的要求,另一方面也預(yù)留了一定的強度儲備.

3有限元計算和分析

3.1有限元模型的建立由于浮箱實際構(gòu)造和受力情況比較復(fù)雜,故在建立浮箱有限元模型時,忽略以下因素的影響:浮箱在水中的整體自由位移;浮箱各部分構(gòu)件在制造過程中所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力;溫度等環(huán)境的影響.箱體模型采用板梁組合結(jié)構(gòu),實肋板等骨架采用BEAM188單元,面板采用SHELL63單元,依據(jù)浮箱的標準尺寸9m×3m×1.5m,建立有限元模型如圖3所示.

3.2邊界條件和荷載的施加浮箱是一個漂浮體,處于平衡力系之下,但沒有對剛體運動的約束.而有限元分析要求結(jié)構(gòu)的剛體被支座所限制,以便計算結(jié)構(gòu)的相對變形.為此,必須給浮箱加上適當(dāng)?shù)募s束,令浮箱不能做剛體運動,同時也不能限制浮箱變形,不能影響浮箱結(jié)構(gòu)的受力,這樣求出相對變形與內(nèi)力才是真實的[9,10].通常,邊界條件在浮箱底面左端節(jié)點施加X、Y、Z三個方向位移約束,右端節(jié)點施加Y、Z方向位移約束,并在浮箱底部施加面彈性支撐[11].浮箱計算荷載工況如下:工況1:空箱浮在水中;工況2:浮箱甲板剛好浸沒在水中;工況3:中拱狀態(tài);工況4:中垂?fàn)顟B(tài).

3.3計算結(jié)果分析通過有限元計算求解可得各工況作用下主龍骨位移如圖4所示,因?qū)ΨQ只取浮箱一半長度;由圖4可知,主龍骨的位移值在工況1作用下均為正值,且值較小,這與實際情況相符.在工況2,3,4作用下時主龍骨的位移值趨勢一致,靠近端部位移有少許正值是受邊界條件的影響;浮箱主龍骨分別在1.5m,3.0m和4.5m處有位移趨勢的突變,這是由于在這三處位置均設(shè)置了鋼管支撐,與實際受力情況相符.在工況4作用下浮箱整體變形圖及其Z方向位移云圖如圖5及圖6所示,浮箱應(yīng)力云圖如圖7所示.由表3可知,浮箱整體位移較小(最大約2mm),在各種工況作用下的靜力變形位移均較小,在此忽略了浮箱在水中自由整體浮動位移.浮箱應(yīng)力亦較小,在工況4下,浮箱最大應(yīng)力為46.4MPa,遠小于Q235-B鋼材的屈服強度值235MPa,能滿足使用專用工程浮箱拼組浮式平臺的要求.因此浮箱的各項指標均在規(guī)范控制范圍之內(nèi),浮箱整體性能良好.

4浮箱結(jié)構(gòu)可靠度分析

浮箱結(jié)構(gòu)可靠度分析采用一次二階矩中心點法進行,在保證計算精度的基礎(chǔ)上,完成可靠度分析.假設(shè)影響整體結(jié)構(gòu)的可靠度為n個隨機變量Xii=1,2,…,()n,則結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的極限狀態(tài)方程可以表示為:依據(jù)上述方法分別對連接板焊縫強度、箱體截面強度進行計算,得到構(gòu)件可靠指標和失效概率,見表4(具體計算見文獻[12]).由表4可以得出,通過對浮箱的接頭連接板焊縫強度和箱體結(jié)構(gòu)的可靠性進行分析計算,計算結(jié)果顯示,可靠度指標最小值為4.48,丙丁鉤連接板焊縫的失效概率為Pf=6.20×10-8,單雙耳連接板焊縫的失效概率為Pf=3.10×10-6,表明浮箱結(jié)構(gòu)構(gòu)件在極限狀態(tài)下承載能力的安全等級為一級,整體結(jié)構(gòu)強度安全儲備滿足要求,抵抗風(fēng)險能力強.

5結(jié)論

以福建樟湖庫區(qū)大橋深水樁基水上施工為工程背景,提出了一種適合于大型水上施工平臺專用浮箱的設(shè)計理論———綜合設(shè)計法,并將其應(yīng)用于福建樟湖庫區(qū)大橋的深水樁基礎(chǔ)水上平臺專用浮箱設(shè)計,有效解決了多功能浮箱無法滿足深水樁基施工水上平臺要求的難題.(1)對比了傳統(tǒng)工程浮箱與專用工程浮箱的設(shè)計理論與方法;(2)利用綜合設(shè)計法確定專用工程浮箱結(jié)構(gòu)型式及尺寸,并對浮箱進行驗算,結(jié)果表明浮箱局部強度符合構(gòu)件安全設(shè)計要求;(3)利用有限元軟件對浮箱整體結(jié)構(gòu)進行分析,在工況4下浮箱整體位移較小(最大約為1.3mm),最大應(yīng)力為46.4MPa,分析結(jié)果表明浮箱整體性能良好;(4)將可靠度理論引入專用工程浮箱的設(shè)計中,對浮箱結(jié)構(gòu)強度進行可靠度分析,浮箱可靠度指標最小值為4.48,表明浮箱強度安全儲備滿足要求,抵抗風(fēng)險能力強.專用浮箱搭建的水上作業(yè)平臺,在加快工程施工進度的基礎(chǔ)上,能保證橋梁施工質(zhì)量.在工程完工后專用浮箱模塊可以重復(fù)應(yīng)用于其他工程,可提高工程效益,為類似工程提供借鑒意義.

作者:陳銳林唐世江高瑞宏曹素功肖新強唐璋胡洪波單位:湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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