深水庫區施工工程浮箱的設計范文

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《湘潭大學自然科學學報》2014年第二期

1綜合設計法特點

綜合設計法在傳統工程浮箱設計理論的基礎上進一步完善，并提出了專用浮箱的設計理論，從靜力學，耐波性，以及防腐等各方面對專用工程浮箱進行了分析．（1）傳統工程浮箱以單一規范進行設計，且主要是用于搭建浮橋、棧橋等臨時工程設施［6～8］，對于組拼復雜的浮式平臺，其缺陷非常明顯．綜合設計法專門針對浮式施工平臺進行設計，綜合了鋼結構設計規范、內河小船建造規范、鋼結構質量驗收規范等，從而使得設計更加科學、合理．（2）傳統工程浮箱的設計承載力一般比較低，往往需要上幾臺鉆機，如果遇到需要加快工期的情況，平臺上的施工荷載也會成倍的增加，因而對浮箱的承載力提出了更高的要求，這就使得傳統工程浮箱難以滿足浮式平臺施工要求．綜合設計法針對這一難題，設計提出了一種適用于搭建深水庫區樁基礎施工平臺的專用鋼浮箱．（3）穩定性和定位精度一直是浮式施工平臺使用過程中的一大弊端．而傳統工程浮箱基本上不考慮定位精度的問題．專用工程浮箱針對浮式施工平臺鉆機施工過程晃動大，穩定性及定位精度等難以達到要求的難題，對浮箱進行針對性設計，改善了錨碇系統，在一定程度上解決了這一難題．（4）傳統工程浮箱主要以工程經驗和統計參數進行設計，有時難免出現安全系數過大，造成材料的浪費；或安全系數不足，造成人員財產等的損失．在綜合設計法理論中將可靠性理論有效地應用在專用浮箱的設計過程中，用科學的統計學理論分析浮箱構件的強度參數，使得綜合設計法更系統化、科學化．

2工程實例

項目為樟湖庫區大橋的深水樁基礎施工，庫區正常蓄水位65．0m，水深40m左右．浮式平臺主要承受平臺面荷載、鉆機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為浮箱的個數）的大型浮體．工程浮箱的箱體骨架體系設計是整個結構設計的最重要內容．其體系的組成包括各類相互連接的鋼骨架、箱體上層甲板、箱側板、底部面板和端板等．在各類構件進行合理的組合后，構件的尺寸主要由強度和穩定決定，還要保證危險截面構件的局部強度．并對整體結構進行設計和檢驗，驗算結果見表1及表2．由表1及表2可知，對浮箱局部的強度驗算符合構件安全設計基本要求，保證了浮箱整體構件的強度設計安全可靠，一方面滿足了設計規范的要求，另一方面也預留了一定的強度儲備．

3有限元計算和分析

3．1有限元模型的建立由于浮箱實際構造和受力情況比較復雜，故在建立浮箱有限元模型時，忽略以下因素的影響：浮箱在水中的整體自由位移；浮箱各部分構件在制造過程中所產生的焊接殘余應力；溫度等環境的影響．箱體模型采用板梁組合結構，實肋板等骨架采用BEAM188單元，面板采用SHELL63單元，依據浮箱的標準尺寸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漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對剛體運動的約束．而有限元分析要求結構的剛體被支座所限制，以便計算結構的相對變形．為此，必須給浮箱加上適當的約束，令浮箱不能做剛體運動，同時也不能限制浮箱變形，不能影響浮箱結構的受力，這樣求出相對變形與內力才是真實的［9，10］．通常，邊界條件在浮箱底面左端節點施加X、Y、Z三個方向位移約束，右端節點施加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；工況4：中垂狀態．

3．3計算結果分析通過有限元計算求解可得各工況作用下主龍骨位移如圖4所示，因對稱只取浮箱一半長度；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，這與實際情況相符．在工況2，3，4作用下時主龍骨的位移值趨勢一致，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處有位移趨勢的突變，這是由于在這三處位置均設置了鋼管支撐，與實際受力情況相符．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位移．浮箱應力亦較小，在工況4下，浮箱最大應力為46．4MPa，遠小于Q235－B鋼材的屈服強度值235MPa，能滿足使用專用工程浮箱拼組浮式平臺的要求．因此浮箱的各項指標均在規范控制范圍之內，浮箱整體性能良好．

4浮箱結構可靠度分析

浮箱結構可靠度分析采用一次二階矩中心點法進行，在保證計算精度的基礎上，完成可靠度分析．假設影響整體結構的可靠度為n個隨機變量Xii＝1，2，…，（）n，則結構功能函數的極限狀態方程可以表示為：依據上述方法分別對連接板焊縫強度、箱體截面強度進行計算，得到構件可靠指標和失效概率，見表4（具體計算見文獻［12］）．由表4可以得出，通過對浮箱的接頭連接板焊縫強度和箱體結構的可靠性進行分析計算，計算結果顯示，可靠度指標最小值為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，表明浮箱結構構件在極限狀態下承載能力的安全等級為一級，整體結構強度安全儲備滿足要求，抵抗風險能力強．

5結論

以福建樟湖庫區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專用浮箱的設計理論———綜合設計法，并將其應用于福建樟湖庫區大橋的深水樁基礎水上平臺專用浮箱設計，有效解決了多功能浮箱無法滿足深水樁基施工水上平臺要求的難題．（1）對比了傳統工程浮箱與專用工程浮箱的設計理論與方法；（2）利用綜合設計法確定專用工程浮箱結構型式及尺寸，并對浮箱進行驗算，結果表明浮箱局部強度符合構件安全設計要求；（3）利用有限元軟件對浮箱整體結構進行分析，在工況4下浮箱整體位移較小（最大約為1．3mm），最大應力為46．4MPa，分析結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計中，對浮箱結構強度進行可靠度分析，浮箱可靠度指標最小值為4．48，表明浮箱強度安全儲備滿足要求，抵抗風險能力強．專用浮箱搭建的水上作業平臺，在加快工程施工進度的基礎上，能保證橋梁施工質量．在工程完工后專用浮箱模塊可以重復應用于其他工程，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唐璋胡洪波單位：湘潭大學土木工程與力學學院四川工程職業技術學院