肖新強(qiáng),唐世江,曹素功,唐 璋,胡洪波,高瑞宏,陳銳林

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411005)

引言

隨著人類經(jīng)濟(jì)活動的迅猛發(fā)展和交通設(shè)施大規(guī)模的建設(shè),浮箱作為水上臨時施工輔助設(shè)備越來越廣泛的用于橋梁施工當(dāng)中.利用浮箱架設(shè)碼頭、棧橋、門橋、平臺等也逐漸得到了應(yīng)用.現(xiàn)在我國已擁有中—60浮箱,東方紅浮箱,TF—80浮箱,TF—82浮箱,多用途浮箱,內(nèi)蒙古浮箱等器材,它們在我國抗洪救災(zāi),橋梁施工和水上作業(yè)等社會主義建設(shè)中發(fā)揮了重要作用.我國的浮箱裝備,在建國的幾十年間,國內(nèi)諸多學(xué)者和專家為浮箱研制發(fā)展和應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn),在理論和試驗方面取得了不少成就.本文根據(jù)福建南平樟湖庫區(qū)大橋及接線工程項目施工要求,對其作用于水上浮式平臺的鋼浮箱進(jìn)行了施工圖設(shè)計,并介紹了施工圖設(shè)計各部分設(shè)計思路,可為類似工程提供參考.

1 工程概況

南平市地處福建省北部,武夷山脈北段東南側(cè),位于閩、浙、贛三省交界處.全市年平均氣溫為19.3℃.但各地差異較大,一般變化在 15～20℃之間.南平市屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候,降水量豐富,多年平均降水量為 1663.9mm.境內(nèi)日照豐富,多年平均可照時數(shù)達(dá) 3423.2h.境內(nèi)濕度較大,年平均相對濕度為 79%,南平全境處于季風(fēng)區(qū)內(nèi),風(fēng)向隨著季節(jié)變化在一年中變化十分明顯.樟湖鎮(zhèn)位于福建省南平市延平區(qū)東南部,閩江上游,外福鐵路經(jīng)此設(shè)樟湖站.316國道過境.閩江干流經(jīng)此并建有客貨運碼頭.

樟湖庫區(qū)大橋是《福建省普通國省干線公路網(wǎng)規(guī)劃》“八縱十一橫十五聯(lián)”中“縱五線”壽寧犀溪至永定下洋干線公路的組成部分.大橋貫通南北兩岸,建成后附近居民生產(chǎn)生活將得到大大改善.路線起點位于樟湖庫區(qū)大橋坂頭北岸,路線終于樟湖鎮(zhèn)坂頭社區(qū)的寶峰亭西側(cè)與鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)既有道路順接,路線全長0.877km.其中橋梁長度為788m,寬度為12.0m{2×1.5(人行道含欄桿及底座)＋9.0(行車道)=12.0};橋跨布置:(70.0+4×125.0+70.0)m+(4×35)m;上部結(jié)構(gòu):主跨為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),引橋為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁;下部結(jié)構(gòu):主墩為板式矩形雙壁墩,橋臺為鋼筋混凝土 U型臺,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁,橋墩常水位水深約25m～40m;大橋設(shè)計洪水頻率1/100;設(shè)計車速40km/h,預(yù)留60 km/h提速條件;通航標(biāo)準(zhǔn)按內(nèi)河Ⅳ-(3)級航道設(shè)計;橋梁設(shè)計荷載:公路—Ⅱ級,工程投資額約10397萬元.

路線起點樁號K2+590,終點樁號K3+466.700,路線全長0.877km,路線起點K2+590接北岸二期接線工程,終點與樟湖鎮(zhèn)內(nèi)既有道路銜接通往 316國道,實施的主要內(nèi)容為樟湖庫區(qū)大橋及南岸橋頭接線.樟湖庫區(qū)庫區(qū)正常蓄水位65.0m,水深40m左右.此浮箱是用于深水橋梁樁基施工時拼裝浮式平臺.浮式平臺主要承受平臺面荷載、鉆機(jī)荷載以及龍門荷載等.使用時需在浮箱上墊枕木對上部荷載進(jìn)行分配.

2 設(shè)計要求

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及連接要求

單個浮箱結(jié)構(gòu)外形尺寸定為9m×3m×1.5m(長×寬×高).使用時通過該類型浮箱組合成3n×9×1.5(n為浮箱的個數(shù),長×寬×高)的大型浮體.為了保證浮體的整體穩(wěn)定性和浮體間的剛度,要確保連接件的強(qiáng)度、剛度以及與浮體構(gòu)件連接的可靠性.設(shè)計接頭時,除了滿足本工程之外還可根據(jù)不同需要進(jìn)行多種組合方式,浮箱四周留有安裝鋼管護(hù)欄的構(gòu)件.

承載要求:

平板任何一個位置均能承受約10kN/m2荷載.在承受荷載的情況下浮箱縱向坡度控制在1%以內(nèi).

2.2 涂裝要求

外表顏色:墨綠色.

涂裝標(biāo)準(zhǔn):參照中華人民共和國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CB/T231-1998》執(zhí)行.

2.3 制造質(zhì)量驗收要求

(1)焊縫檢查按Ⅱ級焊縫進(jìn)行驗收.

(2)目測浮箱外形順直,鋼板無外鼓內(nèi)凹的觀感缺陷.整體外形尺寸偏差不大于5mm,局部不平整度小于2mm/m.

(3)進(jìn)行泌水性試驗,確保24～48h深水掩埋施壓不漏水(測試壓力3KPa).

(4)船舶涂裝技術(shù)要求(CB/T231-1998).

(5)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB50205-2001).

3 鋼浮箱整體構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求,作者曾先后提出過4種設(shè)計方案.框架間距為450mm的T型截面鋼方案;框架間距為450mm的方型鋼方案;龍骨主桁采用T型截面鋼,普通骨材采用方型鋼,框架間距為450mm的方案;框架間距為500mm的不等邊角鋼方案.

設(shè)計方案 方案1 方案2 方案3 方案4截面鋼材 T型截面 方型鋼截面 T型和方型鋼 不等邊角鋼框架肋距(mm) 450 450 450 500

考慮到施工難易度,工期快慢,荷載承受程度等方面,經(jīng)過全面比較,綜合分析,并征求了團(tuán)隊和甲方等意見,確定了最終的浮箱設(shè)計方案4.

單個浮箱的外形尺寸為長9.0m,寬3.0m,高1.5m.為滿足連接需要,將兩端舷側(cè)板沿3m方向各行進(jìn)40mm.標(biāo)準(zhǔn)浮箱約 7.0t,浮箱與浮箱連接時連接處為內(nèi)嵌式,通過下部丙丁鉤嵌入和上部單雙耳插銷連接成整體.構(gòu)成一個由12個浮箱組成的支撐平臺,標(biāo)準(zhǔn)浮箱內(nèi)沿9m長度方向布置2道隔艙板,形成單箱3室結(jié)構(gòu),每個箱室在頂部布置進(jìn)人孔一個,浮箱鋼板采用Q235B鋼板,內(nèi)部框架主要分為2個水平框架,5個縱向框架,7個橫向強(qiáng)框架,12個橫向普通框架,底部龍骨和桁架,甲板橫梁與側(cè)板肋骨均采用不等邊角鋼,且底板肋板均為實肋板.

圖1 浮箱側(cè)面圖

圖2 浮箱底面圖

4 鋼浮箱局部設(shè)計

4.1 浮箱框架設(shè)計

在框架構(gòu)思的設(shè)計過程中,首先在相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[1～5]中查閱,然后通過在船舶廠和部隊等實地觀察和學(xué)習(xí),同時滿足設(shè)計要求,浮式平臺承受分布集中荷載,通過架設(shè)5根枕木將工程所需荷載傳遞給浮箱.最終在枕木位置確定 7個橫向強(qiáng)框架,間距為 1500mm,框架結(jié)構(gòu)由底板實肋板,舷側(cè)板肋骨,甲板強(qiáng)橫梁組成;還有12個橫向普通框架,間距為500mm,由底板實肋板,舷側(cè)板肋骨,甲板普通肋骨組成;在縱向設(shè)置5個縱向強(qiáng)框架,間距為500mm,由底板主龍骨或側(cè)龍骨,端板肋板,和甲板主桁組成;在水平方向設(shè)置2個水平框架,間距為500mm,由兩側(cè)舷側(cè)板主桁,和兩側(cè)端板主桁構(gòu)成.

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn),結(jié)合實地觀察,并考慮到施工實際情況,在框架之間交點連接時,設(shè)計其連接方式:實肋板與側(cè)龍骨相遇時,將側(cè)龍骨打斷;實肋板與主龍骨相遇時,將實肋板打斷;強(qiáng)肋骨(端板肋板及強(qiáng)橫梁)與舷側(cè)主桁(端板主桁及甲板主桁)相遇時,將舷側(cè)主桁(端板主桁及甲板主桁)打斷(中間甲板主桁保持完整,相遇時將肋板打斷);舷側(cè)普通肋板(甲板普通肋板)與舷側(cè)主桁(甲板主桁)相遇時,舷側(cè)普通肋板(甲板普通肋板)穿過舷側(cè)主桁(甲板主桁).

此種框架設(shè)計保證了中間縱向框架的完整性(主龍骨+端板肋板+甲板主桁),同時通過實際焊接施工等操作,使各框架連接成一個整體,對浮箱整體結(jié)構(gòu)受力,和抵抗變形的能力都有提高.

4.2 浮箱支柱設(shè)計

在浮箱支柱構(gòu)思的設(shè)計過程中,首先在相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[1～5]中查閱,然后通過在船舶廠和部隊等實地觀察和學(xué)習(xí),同時滿足設(shè)計要求,浮式平臺承受分布集中荷載,通過架設(shè)5根枕木將工程所需荷載傳遞給浮箱.在5個橫向強(qiáng)框架和5個縱向框架的交點處設(shè)置了5排,每排5根,共25根圓管鋼作為支柱,連接甲板骨材和底板骨材.

浮箱通過架設(shè)枕木承受上部荷載,單個枕木作為集中荷載作用在浮箱表面,浮箱整體受力,根據(jù)節(jié)點彎矩最大,在框架交點處設(shè)置支柱,加強(qiáng)了浮箱整體受力,提高了浮箱抵抗變形,上部荷載通過浮箱排水所受浮力來承受平臺面荷載、鉆機(jī)荷載以及龍門荷載等,提高了浮箱的整體穩(wěn)定性.

圖3 支柱詳圖

4.3 浮箱隔艙板設(shè)計

在浮箱隔艙板構(gòu)思的設(shè)計過程中,首先在相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[1～5]中查閱,然后通過在船舶廠和部隊等實地觀察和學(xué)習(xí),沿浮箱9m方向布置兩道隔艙板,頂艙設(shè)置,隔艙板間距為1800mm,浮箱形成一個單箱3室結(jié)構(gòu).

隔艙板設(shè)置要保證艙內(nèi)的密封性,每個箱室都是一個單獨封閉的艙室.這樣可以保證萬一有一個艙室出現(xiàn)漏水或者其他情況,可以進(jìn)行單獨修理和處理.

4.4 浮箱人孔設(shè)計

在浮箱人孔構(gòu)思的設(shè)計過程中,首先根據(jù)在相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[1～5]中查閱,然后通過在船舶廠和部隊等實地觀察和學(xué)習(xí),在浮箱每個艙室頂部布置一個進(jìn)人孔,人孔直徑設(shè)置為500mm.

人孔的設(shè)置保證了浮箱每個艙室可以單獨出入,進(jìn)行艙內(nèi)的檢修或者其他工作.本工程浮箱采用的高出頂面的A型人孔,這是考慮到平臺或艙底板面上會產(chǎn)生少量積水.

圖4 浮箱頂面圖

4.5 浮箱接頭設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求,須滿足本工程之外還可根據(jù)不同需要進(jìn)行多種組合方式.通過船舶廠和部隊等地實地觀察和學(xué)習(xí),在浮箱外部設(shè)置單雙耳和丙丁鉤的連接方式.在舷側(cè)板和端板表面上部設(shè)置一系列單雙耳接頭,連接時,單耳接頭和雙耳接頭互相嵌入,通過中間圓孔,套入插銷,使其連接為一整體;在舷側(cè)板和端板表面下部設(shè)置一系列丙丁鉤,丙丁鉤通過錯位嵌入連接,構(gòu)成整體.舷側(cè)板設(shè)置6個單雙耳,和6個丙丁鉤,端板設(shè)置2個單雙耳,和2個丙丁鉤,間距均為1000mm.

這樣設(shè)置接頭保證了浮箱可以橫豎拼接,同時浮箱之間通過多接頭連接,使浮箱之間構(gòu)成一個整體,架設(shè)枕木后,作為浮式平臺可以整體受力.同時接頭的位置設(shè)計,考慮到浮箱之間連接接頭為受力薄弱點,接頭設(shè)置與浮箱內(nèi)部骨架橫截面處,這樣接頭受力,通過連接,可以傳遞至骨架內(nèi)部,使整個內(nèi)部框架整體受力,保證了浮箱作為平臺的整體受力與使用.

圖6 浮箱整體連接效果圖

4.6 浮箱焊接設(shè)計

焊接必須遵循以下幾個原則:為了減少焊縫的彎曲變形,盡量使焊縫分布對稱;先焊收縮量大的焊縫,盡量先焊對接焊縫.本工程浮箱主要采用三種焊接形式,對接焊縫時采用手工電弧焊,完全焊透,V型接口,雙面焊;角焊縫時采用雙面連續(xù)角焊縫,而對于鋼板與骨架的焊接可以采用交錯斷續(xù)焊.

根據(jù)本次浮箱設(shè)計要求,查閱相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[1～7],考慮到焊接變形,設(shè)計其焊接順序:先裝配成整體再進(jìn)行焊接,對鋼板構(gòu)件,先將鋼板切割成所需尺寸(如有鋼板需要切割),然后在鋼板上將骨架進(jìn)行裝配焊接,最后再在接口處(龍骨與肋板,桁架與肋骨,橫梁)進(jìn)行焊接,對不等邊角鋼,先焊接翼板,再焊接腹板.對每一鋼板和骨架進(jìn)行焊接施工后,需進(jìn)行焊接變形處理.主要處理變形工藝采取反變形法,控制變形和矯正采用機(jī)械矯正法.反變形法是根據(jù)焊后可能產(chǎn)生的變形,預(yù)先把焊縫人為的制成一個大小相等方向相反的變形,使焊件焊后變形減小,甚至消除.機(jī)械矯正是利用機(jī)械力的作用來矯正焊接后變形,一般用壓力機(jī)或矯平機(jī).

4.7 浮箱涂裝設(shè)計

根據(jù)本次浮箱設(shè)計要求,鋼浮箱底漆采用湘江牌防銹漆,面漆采用湘江牌防腐漆.底漆和面漆的涂層厚度均不小于120μm.油漆在噴涂之前,鋼材表面需進(jìn)行預(yù)處理.除銹后鋼材表面清潔度應(yīng)達(dá)到油漆噴涂要求,除銹質(zhì)量檢查合格后進(jìn)行油漆噴涂.噴涂完后,無漏涂、氣孔、裂紋、干噴霧顆粒、流掛、刷痕、起皺等現(xiàn)象.噴涂顏色與規(guī)定一致.涂層 90%以上測點的膜厚,其余才到那的膜厚達(dá)到規(guī)定膜厚的 90%.除上述要求之外,涂層外觀質(zhì)量與膜厚應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范[8].

5 總結(jié)

南平樟湖庫區(qū)大橋鋼浮箱施工圖設(shè)計于2012年9月完成,目前該項目已開工建設(shè).其施工圖設(shè)計主要突出了以下幾方面.

1)根據(jù)實際工程,結(jié)合相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn),對鋼浮箱方案設(shè)計進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,縮短了工期,降低了工程造價.

2)根據(jù)設(shè)計要求,采取了合理的框架和內(nèi)部骨架設(shè)計,增強(qiáng)了浮箱整體受力和抵抗變形的能力.

3)根據(jù)設(shè)計要求,設(shè)計的接頭方式,便于施工,同時也很好的滿足了本項目中要求的浮箱橫豎多種組合方式,連接成為整體,作為浮式平臺承受荷載.

4)焊接形式的處理也對鋼浮箱的變形有了明顯改善,使浮箱整體外觀良好.

5)通過在各骨架垂直接口處,或者有高度差焊接時,添加肘板焊接,作為過渡,使鋼浮箱整體穩(wěn)定性和剛度都有利處.

6)本項目施工圖設(shè)計,根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn),和實地觀察,對相關(guān)浮箱設(shè)計可以提供參考.

[1] CSQS1993.中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB700-1998.碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2002

[4] 中國船級社.內(nèi)河小型船舶建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2006

[5] GB50205-2001.鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范[S].

[6] JGJ81-2002JJGJ.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程[S].

[7] CB/T3568-94.船舶剛焊縫手工超聲波探傷工藝和質(zhì)量分級[S].

[8] CB/T231-1998.船舶涂裝技術(shù)要求[S].