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《湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)》2014年第二期

1綜合設(shè)計(jì)法特點(diǎn)

綜合設(shè)計(jì)法在傳統(tǒng)工程浮箱設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，并提出了專用浮箱的設(shè)計(jì)理論，從靜力學(xué)，耐波性，以及防腐等各方面對(duì)專用工程浮箱進(jìn)行了分析．（1）傳統(tǒng)工程浮箱以單一規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，且主要是用于搭建浮橋、棧橋等臨時(shí)工程設(shè)施［6～8］，對(duì)于組拼復(fù)雜的浮式平臺(tái)，其缺陷非常明顯．綜合設(shè)計(jì)法專門針對(duì)浮式施工平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、內(nèi)河小船建造規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范等，從而使得設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理．（2）傳統(tǒng)工程浮箱的設(shè)計(jì)承載力一般比較低，往往需要上幾臺(tái)鉆機(jī)，如果遇到需要加快工期的情況，平臺(tái)上的施工荷載也會(huì)成倍的增加，因而對(duì)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(tái)施工要求．綜合設(shè)計(jì)法針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)提出了一種適用于搭建深水庫(kù)區(qū)樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)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(tái)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(duì)浮式施工平臺(tái)鉆機(jī)施工過程晃動(dòng)大，穩(wěn)定性及定位精度等難以達(dá)到要求的難題，對(duì)浮箱進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，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(yàn)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有時(shí)難免出現(xiàn)安全系數(shù)過大，造成材料的浪費(fèi)；或安全系數(shù)不足，造成人員財(cái)產(chǎn)等的損失．在綜合設(shè)計(jì)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(jì)過程中，用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析浮箱構(gòu)件的強(qiáng)度參數(shù)，使得綜合設(shè)計(jì)法更系統(tǒng)化、科學(xué)化．

2工程實(shí)例

項(xiàng)目為樟湖庫(kù)區(qū)大橋的深水樁基礎(chǔ)施工，庫(kù)區(qū)正常蓄水位65．0m，水深40m左右．浮式平臺(tái)主要承受平臺(tái)面荷載、鉆機(jī)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(gè)數(shù)）的大型浮體．工程浮箱的箱體骨架體系設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行合理的組合后，構(gòu)件的尺寸主要由強(qiáng)度和穩(wěn)定決定，還要保證危險(xiǎn)截面構(gòu)件的局部強(qiáng)度．并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)，驗(yàn)算結(jié)果見表1及表2．由表1及表2可知，對(duì)浮箱局部的強(qiáng)度驗(yàn)算符合構(gòu)件安全設(shè)計(jì)基本要求，保證了浮箱整體構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全可靠，一方面滿足了設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，另一方面也預(yù)留了一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備．

3有限元計(jì)算和分析

3．1有限元模型的建立由于浮箱實(shí)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(shí)，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(shí)肋板等骨架采用BEAM188單元，面板采用SHELL63單元，依據(jù)浮箱的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)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(jì)算結(jié)構(gòu)的相對(duì)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(duì)變形與內(nèi)力才是真實(shí)的［9，10］．通常，邊界條件在浮箱底面左端節(jié)點(diǎn)施加X、Y、Z三個(gè)方向位移約束，右端節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jì)算結(jié)果分析通過有限元計(jì)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(zhǎng)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(shí)際情況相符．在工況2，3，4作用下時(shí)主龍骨的位移值趨勢(shì)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(shì)的突變，這是由于在這三處位置均設(shè)置了鋼管支撐，與實(shí)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(dòng)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(yuǎn)小于Q235－B鋼材的屈服強(qiáng)度值235MPa，能滿足使用專用工程浮箱拼組浮式平臺(tái)的要求．因此浮箱的各項(xiàng)指標(biāo)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(diǎn)法進(jìn)行，在保證計(jì)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(gè)隨機(jī)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(duì)連接板焊縫強(qiáng)度、箱體截面強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得到構(gòu)件可靠指標(biāo)和失效概率，見表4（具體計(jì)算見文獻(xiàn)［12］）．由表4可以得出，通過對(duì)浮箱的接頭連接板焊縫強(qiáng)度和箱體結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，可靠度指標(biāo)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(jí)為一級(jí)，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備滿足要求，抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)．

5結(jié)論

以福建樟湖庫(kù)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(tái)專用浮箱的設(shè)計(jì)理論———綜合設(shè)計(jì)法，并將其應(yīng)用于福建樟湖庫(kù)區(qū)大橋的深水樁基礎(chǔ)水上平臺(tái)專用浮箱設(shè)計(jì)，有效解決了多功能浮箱無法滿足深水樁基施工水上平臺(tái)要求的難題．（1）對(duì)比了傳統(tǒng)工程浮箱與專用工程浮箱的設(shè)計(jì)理論與方法；（2）利用綜合設(shè)計(jì)法確定專用工程浮箱結(jié)構(gòu)型式及尺寸，并對(duì)浮箱進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明浮箱局部強(qiáng)度符合構(gòu)件安全設(shè)計(jì)要求；（3）利用有限元軟件對(duì)浮箱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)中，對(duì)浮箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行可靠度分析，浮箱可靠度指標(biāo)最小值為4．48，表明浮箱強(qiáng)度安全儲(chǔ)備滿足要求，抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)．專用浮箱搭建的水上作業(yè)平臺(tái)，在加快工程施工進(jìn)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(qiáng)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