深水庫區(qū)施工工程浮箱的設(shè)計范文

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《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