謝達建
摘 要:通過數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方式,建立了雙層吊架的有限元計算模型,同時分析了吊架法施工過程中不同波浪條件下吊架構(gòu)件的內(nèi)力和位移,從而分析了本文吊架的安全性,最后凝煉海洋環(huán)境中沉箱借住吊架進行安裝定位的施工要點,形成海洋環(huán)境中沉箱吊架定位的施工工藝,保障海洋環(huán)境中沉箱的高效安裝。
關(guān)鍵詞:沉箱;施工工藝;吊架定位;高效安裝
中圖分類號:U655.54? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2019)07-0057-03
隨著一帶一路和海洋戰(zhàn)略的不斷推進,我國參與并修建了大量創(chuàng)新、高技術(shù)含量的人工島。隨著沉箱技術(shù)在我國水運工程中的普及,沉箱施工方面亦研究產(chǎn)生了多種工藝。施工工藝的改進和創(chuàng)新,使得沉箱應(yīng)用在水工建筑物的應(yīng)用上,縮短工期,節(jié)約各項成本,確保質(zhì)量等方面優(yōu)勢越來越明顯,因此其已在人工島的建造過程中得到了廣泛應(yīng)用。沉箱的應(yīng)用在土木工程中非常廣泛、施工工藝和施工方法多樣,除用作碼頭墻身結(jié)構(gòu)外,還常用于地基沉降較小且無需深埋的基礎(chǔ),如防波堤的墻身、橋梁錨碇結(jié)構(gòu)等。根據(jù)不同的外界施工條件和施工環(huán)境,通過技術(shù)經(jīng)分析選擇最優(yōu)的工藝和方法,并在施工中不斷改進、優(yōu)化、創(chuàng)新和總結(jié),對推動沉箱施工工藝走向安全、高效、成熟、先進和經(jīng)濟化,為以后沉箱施工工程提供參考和指導(dǎo)有著重大的意義。
然而,在當(dāng)今處于復(fù)雜波浪作用下的如意島沉箱施工中,沉箱吊運困難,施工速度受限,波浪和水流的影響均不能忽略,施工環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性均迫使我們探尋一類適用于海洋環(huán)境中沉箱高效安裝的方法。為此,本文通過數(shù)值方法建立海洋環(huán)境中沉箱安裝中的吊架計算模型,分析吊架受力特征,為確保吊架安全分析提供理論支撐?;跀?shù)值結(jié)果,結(jié)合理論分析,提出海洋環(huán)境中沉箱借住吊架進行安裝定位的分析方法。研究海洋環(huán)境中吊架法沉箱安裝定位關(guān)鍵施工要點和工藝?;谒⒌暮Q蟓h(huán)境中沉箱安裝全動態(tài)數(shù)值仿真模型,結(jié)合工程現(xiàn)狀,提出海洋環(huán)境中吊架法沉箱安裝定位的施工工藝。
1吊架設(shè)計
1.1吊架方案比選
本文結(jié)合??谌缫鈲u填島工程Ⅱ(西)標(biāo)段工程進行研究和分析。
根據(jù)現(xiàn)場條件,可選的吊架方案有單層吊架、可動式吊架、雙層吊架三種。單層吊架安全性能較差,不予考慮。由于可移動式吊架對設(shè)計及制作人員的要求較高且成本較高,本項目中最終選用雙層吊架方案。
1.2沉箱吊架的參數(shù)設(shè)計
(1)根據(jù)實際預(yù)制沉箱倉數(shù)及沉箱重量設(shè)計。①現(xiàn)有能安定起吊4至6倉沉箱,因為其重量較輕且結(jié)構(gòu)緊湊,因此在沉箱前后設(shè)計吊裝孔,每邊2個,總共4個起吊位置。②對于設(shè)計中的9至12倉沉箱,因其重量較重,前后趾面長度約20米,跨度較長,因此每邊設(shè)計4個吊裝孔,總共8個起吊位置。
(2)吊裝架設(shè)計的重點是1700t以上沉箱的安全起吊并穩(wěn)定使用。前期試吊結(jié)論認(rèn)為,現(xiàn)有設(shè)備能夠?qū)?倉小沉箱安定起吊。本工程6倉沉箱最大重量約778t,考慮吊具及其他雜物和水的重量,最大重量達約850t,4個吊點,每個吊點平均承受重量約212.5t。
(3)本工程最重沉箱CX5cq2重1726t,考慮吊具及其他雜物和水的重量,將最大重量設(shè)置在1800t。吊裝架將有8個起吊點,為了穩(wěn)定結(jié)構(gòu),須使每個受力均勻,即使如此每個節(jié)點平均受力225t,對比4倉沉箱每個吊點平均承重增加約6%,因此認(rèn)為,按現(xiàn)有工藝制作沉箱沉箱吊架時,仍能到達許用標(biāo)準(zhǔn)。
(4)特別注明吊架設(shè)計時,8條吊繩須垂直水平面,否則受力不均將造成安全隱患。
(5)吊架在滿足受力結(jié)構(gòu)的同時盡可能減少制作成本,以及維護成本。
基于本文選用的吊架方案,沉箱出運如下圖所示:
圖1? 雙層吊架方案沉箱水上出運
2 吊架結(jié)構(gòu)計算理論
有限元法計算方法(FEM,F(xiàn)inite Element Method)是通過變分理論,使得誤差函數(shù)盡可能達到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定結(jié)果的計算方法。
2.1變分原理
變分法的理論原理是給定一個標(biāo)量函數(shù),其函數(shù)定義式如下:
式中,是位置函數(shù);F和E分別是給定的微分算子。因此連續(xù)體問題的求解就是尋找函數(shù),它對于任意的一個變化量,使得可以取得取駐值。因此,在求解連續(xù)體問題,對于任意的,它的變分是
(2)
這就定義了駐值條件。
如果一個實際問題可以簡化出相應(yīng)的變分原理,那么就意味著能夠建立起適合于對該工程問題進行有限元法標(biāo)準(zhǔn)計算分析的積分方程,進一步得到近似的結(jié)果值。
2.2吊架結(jié)構(gòu)計算流程
圖2? 計算流程圖
3 吊架結(jié)構(gòu)MIDAS模型
3.1計算模型與假設(shè)
吊架的桿件采用梁單元模型,吊繩采用索單元模型。為簡化計算分析做出如下假定:
(1)起重機吊鉤不發(fā)生偏轉(zhuǎn),為模型的邊界。
(2)結(jié)構(gòu)所有的重量集中在沉箱上,沉箱采用虛梁模擬,沉箱自重按照均布荷載加到虛梁單元上。
3.2材料參數(shù)
鋼材:桿a為自定義鋼材,吊架b采用Q345b級鋼材。
沉箱混凝土:采用C40混凝土,密度設(shè)為0(虛梁)。
吊繩采用wire1470鋼材模擬。
3.3截面特性
桿a:為外徑1219mm,壁厚22mm的管型截面。
吊架b:為外徑728mm,壁厚14mm的管型截面。
吊繩為雙根,面積為單根的兩倍,模型采用實際直徑。
吊繩a:直徑237.6mm
吊繩b:直徑186.7mm
吊繩c:直徑127.3mm
3.4設(shè)計荷載
本工程最重沉箱CX5cq2重1726t,考慮吊具及其他雜物和水的重量,將最大重量設(shè)置在1800t。
結(jié)構(gòu)靜力計算,最不利荷載為沉箱完全懸浮于空氣中,所有重量集中到沉箱上,設(shè)計荷載1800t。按照均布荷載加到沉箱的虛梁單元上。
3.5空間有限元模型
非線性有限元模型示意圖如下:
圖3? 吊架有限元模型示意圖
3.6模型結(jié)構(gòu)分析
基于所建立的吊架有限元模型系統(tǒng)地研究了不同吃水深度下桿件的應(yīng)力與變形規(guī)律:
隨著沉箱從水面沉入水中至水下1m,2m,3m,吊架結(jié)構(gòu)中吊繩a、b、c,桿a,吊架b所受的力和應(yīng)力都逐漸減小,并且吊架變形符合標(biāo)準(zhǔn)。
由以上說明本項目中所采用的雙層吊架的可靠性。
4 沉箱安裝定位方法
第一件沉箱的下水安裝,由于周圍可視程度低并且沒有輔助定位的參考物,因此只能進行粗安裝,其安裝只是為以后的其他沉箱精確安裝創(chuàng)造條件。緊接著進行其他沉箱的粗定位。
粗定位之后,施工人員往沉箱中繼續(xù)加水,沉箱下沉,當(dāng)沉箱下沉到沉箱底面與目標(biāo)基床床面的距離在0.3~0.5m范圍內(nèi)時,就可以對該沉箱進行精確的定位工作。
由在場測量人員利用高精度GPS定位儀器,對下沉施工中的沉箱的四個角點的坐標(biāo)、標(biāo)高高程進行監(jiān)測,根據(jù)施工要求和實際情況,對沉箱進行注水(或抽水)操作,調(diào)整沉箱的漂浮狀態(tài),使其四個角點的標(biāo)高相近或一致,前后方向的坡度與目標(biāo)基床倒坡坡度相近或一致;同時可以操控卷揚機、手動葫蘆來調(diào)整沉箱與沉箱之間的木方厚度,對沉箱之間的縫寬、錯牙,偏位等進行調(diào)整,使其在施工要求和規(guī)范要求范圍之內(nèi)。
上面的調(diào)整流程完成之后,接著繼續(xù)向沉箱中緩慢注水,同時不斷仔細(xì)觀察沉箱下沉的實時動態(tài)變化,及時進行偏位調(diào)整,使施工沉箱精確坐落于目標(biāo)基床面上,穩(wěn)定不偏移。
施工沉箱坐落于目標(biāo)基床面上后,繼續(xù)緩慢注水并不斷測量觀察沉箱的動態(tài)變化,調(diào)整各個倉箱的注水速度,且注水要均勻穩(wěn)定,使沉箱不至于在注水過程中產(chǎn)生偏位。當(dāng)沉箱中的水漫至沉箱上部隔墻預(yù)留的貫通圓孔位置處時,再次測量沉箱的偏位。當(dāng)符合施工要求時,繼續(xù)向沉箱加水到與潮水位相平時,施工沉箱安裝的過程基本結(jié)束。詳見沉箱安裝示意圖如4。
5 結(jié)論
本項目依托如意島沉箱安裝定位施工開展,進行吊架法沉箱安裝定位研究。通過本項目的研究、實施與工程實踐,從水運安全的需求出發(fā),力求揭示沉箱吊架施工的工作性狀,提升施工效率,節(jié)約勞動成本。
5.1本項目涉及以下關(guān)鍵技術(shù)
(1)明確了沉箱吊架的力學(xué)性質(zhì),分析了沉箱吊架的受力特征。
(2)多層次分析了雙層吊架的可行性。
(3)建立了沉箱結(jié)構(gòu)分析的有限元數(shù)值模型
(4)提出了吊架法沉箱定位施工關(guān)鍵技術(shù)。
5.2經(jīng)過前面的計算分析,可得出以下結(jié)論
(1)利用有限元方法,分析了吊架在搬運沉箱中的受力情況,確定了對于不同的沉箱在不同海況下,吊架受力的安全性。
(2)吊架法在沉箱的運輸過程中具有適用性強,高效,安全穩(wěn)定等優(yōu)點。
(3)吊架法在沉箱的安裝定位中,可以減少船機設(shè)備的使用,控制施工成本。
(4)吊架法的沉箱安裝定位施工技術(shù),可以和吊、浮結(jié)合的沉箱運輸施工方法進行高效的銜接,而且施工方便、提高效率。
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