深水库区施工专用工程浮箱的设计理论_综合设计法.docx

第 卷 第 期年 月湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报 深水库区施工专用工程浮箱的设计理论综合设计法陈锐林 ， 唐世江， 高瑞宏， 曹素功， 肖新强， 唐璋， 胡洪波（湘潭大学 土木工程与力学学院 ，湖 南 湘潭 四川工程职业技术学院 ，四 川 德阳 ）摘 要 以樟湖库区大桥深水桩基施工为工程背景 ，提 出 了一种适用于深水库区施工的专用工程浮箱的设计理论 综合设计法 综合设计法首先综合利用各领域规范 ，完成箱体构件设计 ；再 利用有限元分 析软 件 ，对箱体在各工况下的变 形 、应力分布情况进行分析 ，验证设计是否合理 ；最 后 ，将 可靠性理论引入专用浮箱设计 ，通过可靠指标与失效概率之间 的关系评价浮箱抵抗风险能力 文章有效解决了多功能浮箱无法满足深水桩基施工水上平台要求的难题 关 键 词 ：专 用工程浮箱 ；浮 式平台 ；设 计理论 ；综 合设计法中图分类号 ：文献标识码 ：文章编号 ：（）doi:10.13715/ki.nsjxu.2014.02.008 ， ， ， ， ， ， ， （ ，；，）【】 ， ， ；， ；， ， ： ；桥梁建设经常面临在深水中施工桥墩的情况 ，深水桩基础施工 平台可分为固定施工平台和浮动施 工平台两大类型固定平台施工这种工法适用于离岸较近或较浅的河滩 ，如果应用于较深的湖泊、河流， 则工期长且工程成本太高 ；采用传统船舶浮运施工 的成本也较高 ，且 存在工程定位精度不够，且 稳定性 较差、受风浪影响较大等问题 为解决这些问题，近年来兴起了用钢浮箱拼组水上施工平台来辅助桥梁施工的方式许多学 者对 浮式平台进行了研究，汤红霞探讨了浮箱结构形式对结构重量的影响；廖文华对采用小浮箱组拼 浮式 平台的施工方法进行了探讨；郭煜等介绍了浮式平台的设计及在深水大直径钻孔桩施工中 的应用； 周联英以受交通条件限制无大型浮吊和驳船的湖库区深水裸岩大桥桩基为研究对象 ，研 究探讨了浮式 施工平台和起吊设备的选用和综合设计以及大直径钢护筒的准确定位和埋设目前大部分的水上平台采用的是船舶浮运或传统多功能浮箱 ，其承载力、稳定性不能满足大荷载的 深水桩基平台施工要求 因而，迫切需要一种可以适应大型水上施工的专用钢浮箱 收稿日期 ：基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（）；教育部科学技术重点项目（）通信作者：陈锐林（ ），男 ，湖 南 湘潭人 ，副 教授 ，博 士后 ：第 期陈锐林 ，等 深水库区施工专用工程浮箱的设计理论 综合设计法 专用钢浮箱设计理论与方法 传统工程浮箱设计方法（）以单一的船舶建造规范为主要设计依据 根据工程浮箱所处的水文 、气象 条件对船舶设计参数 进行有效的折减，对浮箱的甲板、侧板、底板、龙骨等进行设计（）浮箱构件的直接计算方法主要以传统力学计算方式为主 （）设计计算调整系数主要以工程经验和统计参数为主 专用钢浮箱设计理论的提出 综合设计法工程浮箱搭建的水上施工平台所处的环境一般是比较恶劣的 ，本文 针对传统工程浮箱设计的不足 之处，从设计规范、有限元辅助设计、可靠性理论方 面提出比较完善的专用钢浮箱设计理论 综 合设 计法，见图 综合设计法特点综合设计法在传统工程浮箱设计理论的基础上进一步完善 ，并提出了专用浮箱的设计理论 ，从静力 学，耐波性，以及防腐等各方面对专用工程浮箱进行了分析 （）传统工程浮箱以单一规范 进行设计 ，且 主要是用于搭建浮桥、栈 桥等临时工程设施，对 于 组拼复杂的浮式平台，其缺陷非常明显 综合设计法 专门针对浮式施工平台进行设计 ，综 合了钢结构设 计规范、内河小船建造规范 、钢结构质量验收规范等 ，从而使得设计更加科学 、合理（）传统工程浮箱的设 计承载力一般比较低 ，往往需要上几台钻机 ，如 果遇到需要 加 快 工 期 的 情 况，平台上的施工荷载也会成倍的增加 ，因而对浮箱 的承载力提出了更高的要求 ，这 就使得传统工程浮 箱难以满足浮式平台施工要求 综合设计法针对这一难题 ，设计提出了一种适用于搭建深水库区桩基础 施工平台的专用钢浮箱（）稳定性和定位精度一直是浮式施工 平台使用过程中的一大弊端 而 传统工程浮箱基本上不考 虑定位精度的问题专用工程浮箱针对浮式施工平台钻机施工过程晃动大 ，稳定性及定位精度等难以达 到要求的难题，对浮箱进行针对性设计 ，改善了锚碇系统 ，在一定程度上解决了这一难题 （）传统工程浮箱主要以工程经验和统计参数进行设计 ，有时难免出现安全 系数过大，造 成材料的 浪费；或安全系数不足，造成人员财产等的损失 在综 合设计法理论中将可靠性理论有效地应用在专用 湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报年浮箱的设计过程中，用科学的统计学理论分析浮箱构件的强度参数 ，使得综合设计法更系统化 、科学化 工程实例项目为樟湖库区大桥的深水桩基础施工 ，库区正 常蓄水位 ，水 深 左右浮 式平台主要 承受平台面荷载、钻机荷载以及龙门荷载等浮箱尺寸为，如图通过浮箱组合成 （ 为浮箱的个数）的大型浮体工程浮箱的箱体骨架体系设计是整个结构设计的最重要内容 其体 系的组成包括各类相互连接的 钢骨架、箱体上层甲板、箱侧板、底部面板和端板等 在各类构件进 行合理的组合后 ，构 件的尺寸主要由 强度和稳定决定，还要保证危险截面构 件的局部强度 并 对整体结构进行设计和检验，验 算结果见表 及表表 浮箱构件剖面模数验算 剖面模数 实肋板 底肋骨 舷侧普通肋骨（主肋骨） 强肋骨 强横梁 规范要求 实际取值 由表及表可知，对浮箱局部的强度验算符合构件安全设计基本要求 ，保证了浮箱整体构件的强 度设计安全可靠，一方面满足了设计规范的要求 ，另一方面也预留了一定的强度储备 第 期陈锐林 ，等 深水库区施工专用工程浮箱的设计理论 综合设计法表 浮箱面板局部强度验算 面板横向边缘 弯曲应 力面板横向中心 弯曲应 力面板纵向边缘 弯曲应 力面板纵向中心 弯曲应 力计算应力容许应力计算应力容许应力计算应力容许应力计算应力容许应力 有限元计算和分析 有限元模型的建立由于浮箱实际构造和受力情况比较复杂 ，故在建 立浮箱有限元模型时 ，忽 略以下因素的影响：浮 箱 在水中的整体自由位移 ；浮箱各部分构件在制造过 程中所产生的焊接残余应力 ；温 度等环境的影响箱 体模型采用板梁组合结构 ，实 肋板等骨架采用 单元，面 板采用 单元，依 据浮箱的 标准尺寸 ，建立有限元模型如图 所示 边界条件和荷载的施加浮箱是一个漂浮体，处于平衡力系之下 ，但没有对 刚体运动的约束而有 限元分析要求结构的刚体 被支座所限制，以便计算结构的相对变形 为此，必须给浮箱加上 适当的约束 ，令 浮箱不能做刚体运动， 同时也不能限制浮箱变形 ，不能影响浮箱结构的受力 ，这样求出相对变形与 内力才是真实的，通 常， 边界条件在浮箱底面左端节点施加 、 三个方向位移约束 ，右端节点施加、 方向位移约束，并 在 浮箱底部施加面弹性支撑浮箱计算荷载工况如下：工 况 ：空 箱浮在水中；工 况 ：浮箱甲板刚好 浸没在水中 ；工 况 ：中 拱状 态；工况：中垂状态 计算结果分析通过有限元计算求解可得各工况作用下主龙骨位移如图 所示，因 对称只取浮箱一半长度 ；由 图 可知，主龙骨的位移值在工况 作用下均为正值 ，且值较小，这与实际情况相符 在工况，作用下时 主龙骨的位移值趋势一致 ，靠近端部位移有少许正 值是受边界条件的影响 ；浮 箱主龙骨分别在 ， 和 处有位移趋势的突变 ，这 是由于在这三处位置均设置了钢管支撑 ，与实际受力情况相 符在工况作用下浮箱整体变形图及其 方向位移云图如图 及图 所示，浮 箱应力云图如图 所示表 各工况作用下浮箱应力和位移最大值 工况类型浮箱整体应力浮箱整体变形 工况 工况 工况 工况 湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报年由表可知，浮箱整体位移较 小 （最 大约 ），在 各种工况作用下的静力变形位移均较小 ，在 此忽略了浮箱在水中自由整体浮动位移 浮箱应力 亦较小，在 工况 下，浮 箱最大应力为 ，远 小 于 钢材的屈服强度值 ，能满足使用专用工程浮箱拼组浮 式平台的要求 因 此浮箱的各 项指标均在规范控制范围之内 ，浮箱整体性能良好 浮箱结构可靠度分析浮箱结构可靠度分析采用一次二阶矩中心点法进行 ，在保证计算精度的基础上 ，完成可靠度分析 假设影响整体结构的可靠度为 个随机变量 （，），则结构功能函数的极限状 态方程可以表示为： （， ）将结 构 的 极 限 状 态 功 能 函 数 基 本 随 机 变 量 （，）在与其相对应的平均值 （，）处，按级数展开得：（ ） （ ， ， ） （ ） 将结构功能函数线性化 ，可以得到结构的功能函数极限状态方程 ： ） （ ， ， ）（ ， 式中： 是将 对 求偏导后，将 （，）带 入后得到的导数值 ，所得结果为常数 量对上式分别取函数的均值和方差为 （ ， ， ）， 进而求出结构的可靠指标： 第 期陈锐林 ，等 深水库区施工专用工程浮箱的设计理论 综合设计法依据上述方法分别对连接板焊缝强度 、箱体截面 强度进行计算 ，得 到构件可靠指标和失效概率，见 表（具体计算见文献）由表 可以得出，通 过对浮箱的接头连接板焊缝 强度和箱体结构的可靠性进行分析计算 ，计 算结果显 示，可靠度指标 最小值为 ，丙 丁 钩 连 接 板 焊 缝 的，表明浮箱结构构件 在极失效概率 为 ，单 双 耳 连 接 板 焊 缝 的 失效概率为 限状态下承载能力的安全等级为一级 ，整 体结构强度 安全储备满足要求，抵抗风险能力强 结论以福建樟 湖 库 区 大 桥 深 水 桩 基 水 上 施 工 为 工 程 背景，提出了一种适 合于大型水上施工平台专用浮箱表 浮箱构件可靠指标 浮箱构件可靠指标 丙丁钩连接板焊缝单双耳连接板焊缝浮箱支撑截面受压分析浮箱支撑截面受剪分析浮箱非支撑截面受压分析浮箱非支撑截面受剪分析的设计理论综合设计法，并将其应用于福建樟湖库区大桥的深水桩基础水上平台专用浮箱设计 ，有 效解决了多功能浮箱无法满足深水桩基施工水上平台要求的难题（）对比了传统工程浮箱与专用工程浮箱的设计理论与方法；（）利用综合设计法确定专用工程浮箱 结构型式及尺寸，并对浮箱进行验算，结果表明浮箱局部强度符合构件安全设计要求；（）利用有限元软件 对浮箱整体结构进行分析，在工况下浮箱整体位移较小（最大约为），最大应力为，分析 结果表明浮箱整体性能良好；（）将可靠度理论引入专用工程浮箱的设计中，对浮箱结构强度进行可靠度 分析，浮箱可靠度指标最小值为，表明浮箱强度安全储备满足要求，抵抗风险能力强专用浮箱搭建的水上作业平台 ，在加快工程施工 进度的基础上 ，能 保证桥梁施工质量在 工程完工 后专用浮箱模块可以重复应用于其他工程 ，可提高工程效益，为类似工程提供借鉴意义 参考文献 史宣琳，岳才林，陈兴兰国外浮箱的发展现状及展望国防交通工程与技术 ，（）：， 汤红霞浮箱结构形式对结构重量影响的探讨船 舶 ，（）： 廖文华库区深水裸岩高桩承台施工浮式平台设计研究铁 道标准设计 ，（）： 郭煜 ，刘 晓阳 ，唐 钰向浮式平台在千岛湖大桥钻孔桩施工中的应用桥 梁