方一如，林平均，巫志文，農(nóng) 站，肖揚(yáng)洋

（1.廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院;b.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；2.廣西建工集團(tuán)建筑工程總承包有限公司，南寧 530000；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004）

0 引 言

沉管法[1]是將若干個(gè)預(yù)制段分別浮運(yùn)到海面（河面）現(xiàn)場(chǎng)，并逐一按序沉放安裝在已疏浚好的基槽內(nèi)，以此完成水下管道修建的施工方法。沉管法具有施工質(zhì)量高、造價(jià)低、工期短、適用水深范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)沉管法在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的使用和快速發(fā)展，被大量地應(yīng)用于沉管隧道、海洋輸油管道、過(guò)江管道等工程結(jié)構(gòu)的水下沉放安裝施工中。水下管道沉放施工過(guò)程涉及很多關(guān)鍵技術(shù)，如沉管管段的浮運(yùn)和沉放、管道的定位、管段的連接等。其中，管道沉放是整個(gè)管道水下施工中極為重要和關(guān)鍵的一環(huán)，在水動(dòng)力環(huán)境條件下，沉管管道在沉放過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)直接影響管道施工過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性、水下定位的精度和施工的經(jīng)濟(jì)性等[2-4]。而且，管道通常具有體積大、重量大、施工作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，管道沉放過(guò)程工藝復(fù)雜，涉及到人員、設(shè)備、拖船等的統(tǒng)籌安排，控制不當(dāng)極易導(dǎo)致施工事故，造成重大的人員財(cái)產(chǎn)損失。此外，如果施工安排不夠科學(xué)合理，極易造成燃油、人力資源、設(shè)備的極大損耗，同時(shí)影響施工的進(jìn)度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，對(duì)沉管隧道、海洋輸油管道、過(guò)江管道等工程結(jié)構(gòu)沉放施工過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)展開(kāi)了廣泛深入的研究[5-7]，形成了豐富的理論、數(shù)值及試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面的研究成果。

理論和數(shù)值研究方面，倫冠德等[8]以空間大變形梁理論為基礎(chǔ)建立了海底管道提吊及沉放的有限元模型，研究了縱向水流、側(cè)向水流及海床摩擦作用下管道提吊及沉放過(guò)程中的管道形態(tài)及應(yīng)力分布；王智強(qiáng)等[9]以港珠澳大橋沉管管道工程為背景，利用三維勢(shì)流理論，通過(guò)ANSYS 軟件建立超長(zhǎng)沉管管道沉放過(guò)程的數(shù)值模型，用AQWA 軟件對(duì)其進(jìn)行頻域和時(shí)域的分析，為沉管沉放提供施工建議；于孝民等[10]利用理論分析研究了大直徑長(zhǎng)距離輸水鋼管整體沉放可控浮箱和支撐吊裝平臺(tái)系統(tǒng)施工工藝技術(shù)。

試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究方面，陳智杰等[11]以港珠澳大橋沉管隧道沉放工程為背景，通過(guò)試驗(yàn)手段，研究了波浪作用下沉管管道沉放過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性；Xiao 等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)跨越甬江的過(guò)江沉管管道的沉放安裝過(guò)程進(jìn)行了水動(dòng)力分析，得到了沉管管道在拖曳-沉放過(guò)程中系泊載荷和吊纜張力的變化特性；左衛(wèi)廣等[13]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究了不規(guī)則波作用下單駁船沉放過(guò)程沉管管道的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，采用Welch 方法對(duì)沉管管道動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了頻譜分析，并探討了不同波浪周期和波高情形下的沉管管道運(yùn)動(dòng)和纜繩張力的頻譜特性。

在試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合方面，詹德新等[14-15]以南京沉管隧道為背景，通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究了四浮筒沉放條件下沉管管道浮運(yùn)和沉放過(guò)程中的流體作用力及吊放纜繩張力特性，并建立了管道的水面浮運(yùn)及沉放過(guò)程數(shù)學(xué)模型；Cozijin 等[16]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，研究了波浪要素對(duì)韓國(guó)釜山－巨濟(jì)島沉管隧道在沉放過(guò)程中沉管管道運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；應(yīng)宗權(quán)[17]等針對(duì)廣州洲頭咀沉管隧道工程，通過(guò)ANSYS 建立了管道的三維實(shí)體模型，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，對(duì)沉管隧道管道沉放過(guò)程中纜力與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析。

從目前研究現(xiàn)狀看，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)沉放施工過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)研究已經(jīng)較為成熟，極大地促進(jìn)了沉管結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。但是，目前研究的對(duì)象多屬于規(guī)則直線型的沉管結(jié)構(gòu)，考慮多體耦合[18-19]的研究也較少。在某些特殊情況下，譬如由于水底基槽地形的限制，需要將沉管做成彎曲的形式，彎曲型沉管的受力機(jī)理和直線型明顯不同，由于其不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式，更容易導(dǎo)致其在水域環(huán)境的沉放過(guò)程中存在沉管及其纜索受力不均勻、管體局部應(yīng)力集中、受力復(fù)雜等問(wèn)題。更值得引起注意的是，為了保證施工的安全性，通常都需要為其配備多浮體（例如鋼浮筒、氣囊、駁船等）的沉放系統(tǒng)。由于多浮體系統(tǒng)的存在，浮體與錨泊系統(tǒng)的耦合、浮體與浮體的耦合、浮體與流體之間的流固耦合，組成了非常復(fù)雜多浮體耦合系統(tǒng)。多浮體耦合的長(zhǎng)大彎管系統(tǒng)沉放過(guò)程，安全控制難度極大，控制不當(dāng)極易導(dǎo)致纜索破斷、駁船傾覆、管道麻花狀扭斷、管道側(cè)翻、沉放不到位等工程事故。

本文以南寧市邕江過(guò)江管道沉管施工為背景，針對(duì)多浮體耦合的長(zhǎng)大彎管系統(tǒng)沉放過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行研究，研究應(yīng)用非線性時(shí)域動(dòng)力分析方法、莫里森水動(dòng)力理論、長(zhǎng)大彎管理論等，借助OrcaFlex 軟件，建立了考慮多體耦合的長(zhǎng)大彎曲型過(guò)江管道沉放過(guò)程水動(dòng)力數(shù)值仿真分析模型。對(duì)影響沉放過(guò)程動(dòng)力表現(xiàn)的關(guān)鍵施工變量，如氣囊放氣和管道下放的配合、氣囊放氣時(shí)間、吊纜預(yù)張力等進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出了施工安全性控制技術(shù)及施工建議。

1 工程概況

本文模擬的管道工程位于邕江較深的江段，依托南寧邕江過(guò)江管道工程，河床地形呈如圖1（a）所示的不規(guī)則的曲柄型形態(tài)，過(guò)江管道貼合河床形狀設(shè)計(jì)，沉管管道總長(zhǎng)為438 m，分為四段進(jìn)行預(yù)制組裝，為目前為止廣西境內(nèi)管徑最大、跨度最長(zhǎng)的輸水管道。圖1（b）為施工方案設(shè)計(jì)的由鋼浮筒、氣囊、駁船等組成的多浮體耦合沉放系統(tǒng)，沉放系統(tǒng)由過(guò)江彎管、江中8艘駁船、兩岸2臺(tái)履帶吊組成。管道迎流面布置了9 個(gè)氣囊，背流面布置了16 個(gè)鋼浮筒，氣囊和鋼浮筒通過(guò)錨索與管道連接，在沉放前提供浮力以支撐管道懸浮于水中。工程中涉及的具體浮體參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Structural parameters of the immersion system

主要的沉放過(guò)程如圖1（c）所示：（1）沉放前，管道在鋼浮筒和氣囊的支撐下飄浮在水面；（2）往管道注滿水，使其在壓載水作用下浸沒(méi)并懸浮于水中；（3）打開(kāi)氣囊氣閥放氣，整個(gè)管道受力將由氣囊、鋼浮筒慢慢過(guò)渡到鋼浮筒和駁船吊纜，管道隨著氣囊消氣繼續(xù)下沉。

圖1 管道沉放過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pipeline in the immersion process

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定參數(shù)：流速為0.35 m/s；風(fēng)速為5 m/s；考慮最危險(xiǎn)工況，即風(fēng)流90°同向。

2 數(shù)值建模及基本理論

2.1 沉放模型構(gòu)建

數(shù)值模擬使用兩種坐標(biāo)系如圖2所示，分別是全局坐標(biāo)系O-XYZ和局部坐標(biāo)系o-xyz，其中，O和o分別是全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，分別定義在江底和浮體質(zhì)心處。本文采用考慮非線性時(shí)域動(dòng)力分析方法和多浮體相互作用的全耦合方法，建立數(shù)值仿真分析模型，分析沉放過(guò)程中浮體動(dòng)力響應(yīng)及纜索張力。

圖2 坐標(biāo)系定義Fig.2 Sketch of the coordinate system

系統(tǒng)中所有浮體均運(yùn)用6自由度的單元進(jìn)行模擬，管道、駁船等主要受力構(gòu)件模型構(gòu)建過(guò)程如下所述。

2.1.1 管道模型

管道模型使用line 單元模塊建立，按管道焊接情況建立四段管道，連接處采用剛性連接。模擬管道的line 單元每米劃分一個(gè)網(wǎng)格，總共438 個(gè)網(wǎng)格，管道兩端在X和Y方向被約束。建立模型時(shí)，在首尾的X和Y向兩端各加2個(gè)links單元來(lái)限制位移，模擬兩端約束作用。

基于集中質(zhì)量法，將管道離散成若干連續(xù)線單元，如圖3所示，管道質(zhì)量、重力以及浮力等作用于各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)之間由無(wú)質(zhì)量的彈簧連接，通過(guò)節(jié)點(diǎn)和彈簧的受力和變形來(lái)體現(xiàn)管道的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，單元中心處的軸向彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧及相應(yīng)的阻尼器分別模擬管道的軸向和扭轉(zhuǎn)特性，而節(jié)點(diǎn)兩端處的轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧和阻尼器用來(lái)模擬管道的彎曲特性[20]。

圖3 線單元模型Fig.3 Line element model

OrcaFlex 依次通過(guò)五個(gè)階段計(jì)算管道節(jié)點(diǎn)內(nèi)力：（1）軸力；（2）彎矩；（3）剪力；（4）扭矩；（5）總載荷（重力等）。

2.1.2 船舶模型

在過(guò)江管道沉放施工的過(guò)程中，施工駁船通過(guò)吊纜對(duì)長(zhǎng)大彎管進(jìn)行起吊作業(yè)，船舶模型通過(guò)vessel 單元建立，水流作用下駁船和管道將會(huì)發(fā)生耦合運(yùn)動(dòng)，船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通?？捎葾QWA 模擬得到的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)函數(shù)計(jì)算得到，將計(jì)算好的駁船六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)按照順序依次填寫(xiě)到對(duì)應(yīng)的欄目中。

2.1.3 吊纜模型

吊纜連接駁船與管道，吊纜長(zhǎng)度在沉放的過(guò)程中不停改變，因而需要采用可以實(shí)時(shí)變化長(zhǎng)度的單元來(lái)模擬，數(shù)值建模中采用winch 單元來(lái)模擬實(shí)際沉放過(guò)程中吊纜的下放。Winch兩頭的連接點(diǎn)由相對(duì)坐標(biāo)來(lái)控制，計(jì)算時(shí)可通過(guò)吊纜伸長(zhǎng)量得出吊纜張力。

2.1.4 鋼浮筒模型

鋼浮筒采用6D Buoys 模塊建立，類型為spar，它擁有6 個(gè)自由度，為3 個(gè)平動(dòng)自由度和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，運(yùn)行時(shí)分開(kāi)計(jì)算每個(gè)鋼浮筒的浮力。鋼浮筒通過(guò)line 單元建立的錨纜與管道連接。在此模塊建立的每個(gè)鋼浮筒均被視為剛體，實(shí)際工程中鋼浮筒僅繞管道運(yùn)動(dòng)，所以將鋼浮筒連接的錨纜的線單元X方向的抗彎剛度設(shè)置為無(wú)窮大。

2.1.5 氣囊模型

氣囊采用shape 單元建立，類型為drawing，放氣過(guò)程中氣囊體積減少，提供的浮力隨之減少，在模型中通過(guò)設(shè)置load force模擬氣囊施加在管道上線性遞減的力，模擬氣囊放氣。結(jié)合單元生死功能，模擬氣囊放氣完畢后從管道上脫落。

2.2 數(shù)值建?；纠碚?/h3>

過(guò)江管道沉放系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)控制方程如下：

式中，M(p,a)是系統(tǒng)慣性載荷；C(p,v)是系統(tǒng)阻尼載荷；K(p)是系統(tǒng)的剛度載荷；F(p,v,t)是系統(tǒng)外載荷，p，v和a分別是結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度矢量；t是模擬時(shí)間。

OracFlex 軟件主要采用隱式動(dòng)態(tài)迭代方法對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，上述數(shù)值方法在每一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)幾何構(gòu)型進(jìn)行重新計(jì)算，故該數(shù)值模擬可以充分考慮幾何非線性特征，包括水動(dòng)力荷載（水流力、風(fēng)力）和接觸力的空間變化。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)主要受系統(tǒng)阻尼載荷、系統(tǒng)剛度載荷和外部載荷等因素影響。本研究采用全耦合法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行求解分析，可以較好地考慮長(zhǎng)大彎管幾何構(gòu)型的非線性，管道、鋼浮筒和氣囊之間的動(dòng)力耦合作用，以及流固耦合作用等復(fù)雜因素影響。通過(guò)該運(yùn)動(dòng)方程即可獲得管道的動(dòng)力響應(yīng)，根據(jù)各吊點(diǎn)（錨點(diǎn)的位移情況）通過(guò)吊纜（錨索）伸長(zhǎng)量得出吊纜（錨索）張力。

2.2.1 系統(tǒng)外載荷

數(shù)值模擬時(shí)需考慮的載荷主要有：重力、浮力、流體力、風(fēng)力、拖曳時(shí)受到的波浪力學(xué)附加質(zhì)量效應(yīng)、拉力和剪力、彎距和扭矩、吊纜和絞盤(pán)的力等。

針對(duì)管道及鋼浮筒細(xì)長(zhǎng)浮體結(jié)構(gòu)，一般可以忽略管道對(duì)水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度影響，考慮水流共同作用，所受到的水動(dòng)力載荷，通過(guò)擴(kuò)展形式的莫里森方程考慮：

式中，F(xiàn)f是流體力，Δ是排水量，af是相對(duì)于大地的流體加速度，Ca是結(jié)構(gòu)的慣性力系數(shù)，ar是相對(duì)于結(jié)構(gòu)的流體加速度，ρw是水的密度，Vr是相對(duì)于結(jié)構(gòu)的流速，Cd是拖拽力系數(shù)，A是阻力面積。其中，結(jié)構(gòu)物各向的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)根據(jù)規(guī)范DNV-RP-C205[21-22]和《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)[23]取值，其余參數(shù)依據(jù)施工方案和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定。

對(duì)于管道、鋼浮筒、氣囊、駁船等浮體結(jié)構(gòu)，其在三個(gè)坐標(biāo)軸方向上受到的風(fēng)力分別為

式中，P為迎風(fēng)面積比例系數(shù)；ρ為空氣密度；Dn為法向阻力/升力纜索直徑；L為纜索單位節(jié)段長(zhǎng)度；Cdx、Vx、Cdy、Vy和Cdz、Vz分別為結(jié)構(gòu)在(x,y,z)方向的拖曳系數(shù)和風(fēng)相對(duì)結(jié)構(gòu)在該方向的相對(duì)速度的分量；Vn為風(fēng)相對(duì)結(jié)構(gòu)速度的法向分量。

類似地，對(duì)于纜索等小尺度結(jié)構(gòu)物，其在三個(gè)坐標(biāo)軸方向受到的風(fēng)力計(jì)算方式如下：

式中，Da為軸向阻力/升力纜索直徑,V為風(fēng)相對(duì)結(jié)構(gòu)的相對(duì)速度。

2.2.2 系統(tǒng)阻尼載荷

計(jì)算管道、鋼浮筒、駁船等浮體的附加阻尼和阻尼剛度時(shí)，阻尼載荷的計(jì)算采用下列方程：

式中，V是相對(duì)于全局參考系原點(diǎn)的浮體速度和角速度(6自由度)，D是指定的阻尼載荷。計(jì)算細(xì)節(jié)具體見(jiàn)OrcaFlex Manual[20]。

3 數(shù)值仿真計(jì)算及結(jié)果討論

施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖4所示（現(xiàn)場(chǎng)布置可能因?qū)嶋H情況而變動(dòng)），數(shù)值模型鳥(niǎo)瞰圖見(jiàn)圖5。建立模型后，為進(jìn)行施工安全性控制，選取三個(gè)關(guān)鍵的施工變量進(jìn)行研究，分別是分析氣囊放氣與管道下放是否應(yīng)配合、氣囊放氣的速度、吊纜的預(yù)張力，如表2所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖Fig.4 Diagram of the construction site

圖5 數(shù)值模型鳥(niǎo)瞰圖Fig.5 Aerial view of the numerical model

表2 計(jì)算工況表Tab.2 Calculation cases

3.1 典型工況的時(shí)域分析

數(shù)值模擬中考慮選定放氣的同時(shí)下放管道，放氣30 s，吊纜施加5 kN的預(yù)張力的施工條件組合作為典型工況，通過(guò)計(jì)算分析其在沉放過(guò)程中的鋼浮筒錨纜受力、駁船吊纜受力、管道六自由度動(dòng)力響應(yīng)，以及管道沿長(zhǎng)度方向的受力等。

3.1.1 沉放過(guò)程中鋼浮筒錨纜受力

圖6 為沉放過(guò)程中錨纜受力的時(shí)域曲線，其中圖6（a）～（c）分別為1 到16 號(hào)錨纜纜力的時(shí)域曲線圖，圖6（d）為各錨纜受力最大值對(duì)比圖。從圖6（a）～（c）可以看出，1號(hào)到16號(hào)錨纜的纜力時(shí)域曲線走勢(shì)均比較相似，基本上表現(xiàn)為：纜力在0～10 s之內(nèi)緩慢增加，10～30 s急劇增加，而在30 s后收斂于恒定值。從圖6（d）中可以看出，沉放過(guò)程中鋼浮筒錨纜的受力大體均勻，相對(duì)差值一般都在20%之內(nèi)，最大的纜力在沉放過(guò)程中為14號(hào)錨纜所受到的拉力最大，最大值小于400 kN，小于錨纜的極限拉力500 kN，因而錨纜是安全的。

圖6 沉放過(guò)程鋼浮筒錨纜受力分析Fig.6 Dynamic tension analysis for the mooring ropes of the steel buoys in the immersion process

3.1.2 沉放過(guò)程駁船及履帶吊吊纜受力

圖7為沉放過(guò)程中吊纜受力的時(shí)域曲線，其中圖7（a）和圖7（b）分別為1到8號(hào)駁船吊纜和1號(hào)、2號(hào)履帶吊吊纜纜力的時(shí)域曲線圖，圖7（c）為各錨纜受力最大值對(duì)比圖?？梢钥闯?，所有吊纜和履帶吊纜力時(shí)域曲線都在0～10 s 之內(nèi)緩慢單調(diào)增加，10～30 s 開(kāi)始劇烈波動(dòng)。從幅值的角度來(lái)看，各吊纜初始張力均為5 kN，最大幅值出現(xiàn)在吊纜2 號(hào)和3 號(hào)，較小值為吊纜1 號(hào)和8 號(hào)。從動(dòng)張力波動(dòng)來(lái)看，各纜力波動(dòng)較大原因可能是管道姿態(tài)的改變使吊纜出現(xiàn)張緊松弛現(xiàn)象，在沉放過(guò)程中偶爾會(huì)有個(gè)別吊纜松弛，張力降為零。從圖7（c）中可以看出，沉放過(guò)程中各吊點(diǎn)受力不均，相對(duì)差值較大，最大的纜力出現(xiàn)在3 號(hào)吊纜，最大值小于400 kN，小于錨纜的極限拉力500 kN，因而吊纜是安全的。為了保證纜力受力均勻性，在受力較大的浮筒處，可適當(dāng)調(diào)整吊纜以減少其受力。

圖7 沉放過(guò)程駁船吊纜受力分析Fig.7 Dynamic tension analysis of suspension cables of the barges in the immersion process

3.1.3 管道六自由度動(dòng)力響應(yīng)

圖8 為管道1 的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域圖，彎管由四段鋼管焊接成整體，因?yàn)楣艿? 是其中最長(zhǎng)的一段鋼管，故對(duì)管道1 跨中處的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域曲線進(jìn)行討論。圖8（a）～（f）分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖、首搖的時(shí)域曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，所有方向的位移曲線都在0～30 s逐步增加，在30 s處到達(dá)最大值，30～60 s 開(kāi)始按一定的頻率波動(dòng)，振幅收斂于恒定值。從位移幅值來(lái)看，總體而言，除垂蕩方向顯示管道的下沉過(guò)程幅值較大外，其他方向位移都很小，證明管道沉放是比較安全和平穩(wěn)的。

圖8 沉放過(guò)程中管道1動(dòng)力響應(yīng)時(shí)域曲線Fig.8 Time-domain curves of dynamic response of Pipeline 1 in the immersion process

3.1.4 管道沿長(zhǎng)度方向的受力

沿管道方向各個(gè)截面在沉放過(guò)程中的受力情況如圖9所示。圖9（a）～（c）分別為沿管道方向各平截面所受彎矩、扭矩和Mesis應(yīng)力曲線，可以看出管道彎矩較大，扭矩較小，提示管道受力以彎矩為主。主要原因可能是管道自重和吊纜力較大，而且沉放中管道姿態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致管道彎曲變形較大；而由于管道兩端、鋼浮筒及氣囊約束釋放了沿管道的扭轉(zhuǎn)自由度，導(dǎo)致管道扭轉(zhuǎn)變形較小。從幅值上看，彎矩、扭矩和Mesis 應(yīng)力均發(fā)生在彎曲角度最大位置處（約310 m 位置），即管道2 和管道3 連接點(diǎn)附近，彎矩最大值接近6 400 kN·m，扭矩最大值接近400 kN·m，Mesis 應(yīng)力接近46 500 kPa。從曲線變化趨勢(shì)上看，處于水動(dòng)力環(huán)境彎矩和Mesis應(yīng)力曲線形狀相近，這是由于管道整體受力以彎矩為主，扭矩遠(yuǎn)小于彎矩。

圖9 沿管道方向受力分布情況Fig.9 Stress distribution along the length of the pipeline

3.2 關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析

參考表2，選取對(duì)管道沉放過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。分析時(shí)，取各個(gè)工況最大受力吊纜的纜力時(shí)域曲線和管道1縱蕩響應(yīng)時(shí)域曲線進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 氣囊放氣和管道下放的順序

氣囊放氣和下放順序分為兩種：一種是氣囊放氣和管道下放同時(shí)進(jìn)行；另一種是氣囊放氣完畢后再進(jìn)行管道下放，其對(duì)最大吊纜受力及管道縱蕩響應(yīng)影響作用見(jiàn)圖10。從圖10（a）～（b）可以看到，兩種不同沉放方式導(dǎo)致了吊纜力和縱蕩位移時(shí)域曲線出現(xiàn)了較大差別。大體而言，氣囊放氣完畢后再進(jìn)行管道下放工況下管道縱蕩及吊纜力均較大，該工況下吊纜力達(dá)到487 kN 的峰值，縱蕩位移接近0.025 m，和同時(shí)下放工況相比，幅值增加了大約2 倍。這是因?yàn)槌练徘胺艢鈱?dǎo)致氣囊提供的浮力減小，管道剩余重量都由吊纜承擔(dān)。

圖10 不同氣囊放氣和下放順序下吊纜力和縱蕩位移時(shí)域曲線對(duì)比Fig.10 Time-domain curves of surge of the pipeline and dynamic tension of suspension cables under different deflated ways and sequences for the airbags

從時(shí)域曲線趨勢(shì)來(lái)看，同時(shí)下放工況下，在30 s 的曲線大體呈線性增加趨勢(shì)，全時(shí)域曲線波動(dòng)較??；而先后下放的工況下的時(shí)域曲線全時(shí)域范圍內(nèi)波動(dòng)較大，提示該工況下吊纜出現(xiàn)張緊松馳現(xiàn)象，對(duì)安全不利。綜合來(lái)看，從管道受力及動(dòng)力響應(yīng)來(lái)看，同時(shí)下放工況較優(yōu)。

3.2.2 氣囊放氣時(shí)間

不同氣囊放氣時(shí)間下最大吊纜力和縱蕩位移時(shí)域曲線對(duì)比見(jiàn)圖11。通過(guò)吊纜力幅值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，吊纜力峰值最大的為放氣30 s的工況，且放氣時(shí)間越長(zhǎng)纜力最大值越小，縱蕩情況也與之相似，放氣速率越小，縱蕩方向的振幅越小。這是因?yàn)闅饽殷w積一定時(shí)，放氣時(shí)間越長(zhǎng)放氣速率越小，沉放系統(tǒng)狀態(tài)的變化越平緩，纜力和位移也不會(huì)急劇增大，沉放過(guò)程也更平穩(wěn)。因此，可以預(yù)知，放氣時(shí)間越長(zhǎng)，沉放過(guò)程越安全平穩(wěn)，所以在設(shè)備人員條件許可的情況，可以適當(dāng)增加放氣時(shí)間，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 不同氣囊放氣時(shí)間下最大吊纜力和縱蕩位移時(shí)域曲線對(duì)比Fig.11 Time-domain curves of surge of the pipeline and dynamic tension of suspension cables under different deflated times for the airbags

3.2.3 駁船和履帶吊吊纜的預(yù)張力

對(duì)駁船和履帶吊的吊纜預(yù)張力大小進(jìn)行敏感性分析，對(duì)比工況所采用的預(yù)張力取值范圍為10～30 kN，如圖12 所示。由圖12（a）可以看到，一般而言，不同預(yù)張力作用下，吊纜動(dòng)纜力時(shí)域曲線波動(dòng)情況相似，但是幅值并不相同，預(yù)張力越大，纜力幅值越小，說(shuō)明增加吊纜預(yù)張力可以有效地抑制沉放系統(tǒng)的纜力動(dòng)張力，但是對(duì)其能量時(shí)域分布及頻域特性影響不大。通過(guò)圖12（b）可以看到，同樣地，不同預(yù)張力作用下，管道縱蕩時(shí)域曲線波動(dòng)情況相似，總體而言，預(yù)張力越大，縱蕩幅值越大。但是總體而言，不同預(yù)張力作用下吊纜力和縱蕩的差值都不大。因此在工程中，可以適當(dāng)增加預(yù)張力抑制管道動(dòng)力響應(yīng)，以保證沉放的安全性，但是預(yù)張力越大，也帶來(lái)纜索容易拉斷的隱患，因此應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇合理的預(yù)張力。

圖12 不同吊纜預(yù)張力下最大吊纜力和縱蕩位移時(shí)域曲線對(duì)比Fig.12 Time-domain curves of surge of the pipeline and dynamic tension of suspension cables under different pretensions of suspension cables

3.3 數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

由于作業(yè)時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)條件、人員安全保障等因素制約，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有浮體在沉放過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)和纜索受力情況，實(shí)際施工中，選取氣囊放氣結(jié)束后各個(gè)吊纜吊點(diǎn)的位移、放氣完畢拆除氣囊后鋼浮筒的浸水深度以及姿態(tài)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)數(shù)值仿真結(jié)果，對(duì)比情況見(jiàn)圖13～14。

圖13 氣囊放氣結(jié)束吊點(diǎn)豎向位移對(duì)比Fig.13 Comparison of vertical displacements of suspension points between the field measurement and numerical simulation after airbag deflection

從圖13（a）可以看到，圈起來(lái)的是設(shè)置在吊纜上的位移傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊鉤的位移數(shù)據(jù)。圖13（b）是數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)的氣囊放氣結(jié)束后各個(gè)吊點(diǎn)的最終豎向位移的對(duì)比分析。從圖中容易看出，無(wú)論是吊點(diǎn)位移幅值還是曲線形態(tài)，數(shù)值結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都高度吻合，兩者曲線均呈現(xiàn)中間低，兩頭高的形式，均在吊點(diǎn)位置約為300 m處達(dá)到峰值。

此外，還可以通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)施工各浮體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。從圖14（a）可以看出，沉管系統(tǒng)正處于氣囊拆除后的階段，各鋼浮筒均呈現(xiàn)不同程度的下沉，藍(lán)框中區(qū)域?yàn)殇摳⊥参恢?，可以看到僅剩末端兩個(gè)鋼浮筒還大面積露出水面，其余鋼浮筒大部分都完全浸沒(méi)于水中；從整體鋼浮筒的浸沒(méi)情況、末端鋼浮筒的浸水深度及姿態(tài)來(lái)看，和圖14（b）的數(shù)值模型基本一致，進(jìn)一步證明了本次數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖14 拆除氣囊后鋼浮筒的浸水深度以及姿態(tài)對(duì)比圖Fig.14 Comparison of attitudes and submerged depths of steel buoys between the field measurement and numerical simulation after airbags deflection

從圖14（a）可以看到，沉管系統(tǒng)正處于氣囊拆除的階段，鋼浮筒均有不同程度的下沉，框中區(qū)域?yàn)殇摳⊥参恢?，僅剩末端鋼浮筒還大面積露出水面，其余鋼浮筒大部分都浸沒(méi)在水中，而且從末端鋼浮筒的浸水深度姿態(tài)來(lái)看，和圖14（b）的數(shù)值模型基本一致，進(jìn)一步證明了本次數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可驗(yàn)證拆除氣囊到沉放階段，建模是正確的。

4 結(jié)論與施工建議

本文以南寧市邕江過(guò)江管道工程水上施工過(guò)程為研究背景，對(duì)長(zhǎng)大彎曲型管道沉放過(guò)程中多個(gè)浮體之間的復(fù)雜耦合作用、整體沉放系統(tǒng)復(fù)雜的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論和施工建議：

（1）當(dāng)先放氣后下放管道時(shí)，吊纜纜力大于放氣和下放管道同時(shí)進(jìn)行的情況，且沉放過(guò)程中的最大值遠(yuǎn)大于典型工況。數(shù)值模擬為純理論模擬，而管道施工屬于危險(xiǎn)作業(yè)，要盡可能將不安全因素降低，因此，應(yīng)同時(shí)放氣和下放，從而施工會(huì)更加安全。

（2）氣囊放氣時(shí)間越長(zhǎng)，氣囊提供的浮力就減小得越慢，纜繩張力和管道應(yīng)力變化得越慢，纜力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越小，說(shuō)明越慢越安全。但是從實(shí)際工程考慮，考慮放氣速度時(shí)，需兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，選擇適宜的放氣速度。

（3）吊纜初始張力越大，管道縱蕩位移越小，因?yàn)槔|索張力大時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的抑制能力更強(qiáng)。實(shí)際施工中，初始張力最好設(shè)定為合適的值，用于抵抗流力對(duì)管道造成的位置偏移。管道動(dòng)力響應(yīng)過(guò)大時(shí)，可通過(guò)調(diào)整纜索預(yù)張力或者動(dòng)張力的方式進(jìn)行控制。

（4）最大應(yīng)力發(fā)生在管道彎曲角度最大位置處，即管道1和管道2連接點(diǎn)處，需引起關(guān)注，可以考慮在該位置處增加駁船、鋼浮筒及氣囊。

（5）沉放過(guò)程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了一定的吊纜張緊松弛現(xiàn)象，即部分纜索受力大，部分纜索受力小。實(shí)踐中要注意實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)定及調(diào)整吊纜纜力，防止出現(xiàn)吊纜張緊松弛現(xiàn)象。