箱筒型基础结构气囊出运方法
2014-03-13孙壮别社安李伟倪敏张延辉
孙壮,别社安,李伟,倪敏,张延辉
(1.天津大学建筑工程学院,天津 300072;2.中国港湾工程有限责任公司,北京 100027;3.天津港(集团)有限公司,天津 300461)
0 引言
箱筒型基础结构适用于软土地基[1],可用于建造防波堤、码头等结构。与传统的工程结构相比,在施工方面,省去了基槽挖泥、基床抛石、基床夯实和基床整平等一系列施工工序,简化了基础施工,现场作业时间短,风险小,工程建设成本低,是一种值得推广的新型结构。针对箱筒型基础结构,目前已有的出运工艺[2-3]需要在陆地上对箱筒结构分体预制,在半潜驳上拼装,然后出运。这种方法由于占用半潜驳时间过长,费用高,效率低。
本文提出一种箱筒结构整体出运方案,在陆地对箱筒结构进行整体预制,使用气囊顶升、横移、纵移至半潜驳,然后运输至现场下水安装。
1 结构形式及预制场平面布置
1.1 箱筒型基础结构
箱筒型基础结构由4个圆筒呈矩阵形排列,每个圆筒设有顶盖板,相邻圆筒间用竖向连接墙和水平顶板将4个圆筒连结成整体。上部挡浪结构可采用多种形式,如直立墙、直立圆筒或半圆筒、横卧半圆筒等。上下两部分结构连接成整体。结构在水上采用气浮拖运、气浮定位、抽负压下沉安装。
在已建的工程中,箱筒型基础结构(图1)具有下述尺度。
图1 箱筒型基础结构Fig.1 Bucket foundation structure
基础结构:由4个相同的圆筒组成,单筒外径11.8m,筒高9m;圆筒连接处间距3.4m,顶板厚0.5m。结构总长和总宽均为27.0m。
上部圆筒:由2个单筒组成,外径12.1m,高7m,连接墙厚0.6m。
圈梁:上部圆筒与基础结构的顶板间有连接圈梁,其外径13.5m,高1.2m。
单个箱筒结构的总重量约2852 t。
1.2 运输底板
由于箱筒结构底部为空心结构,利用气囊出运时,为保证气囊与结构底部完全接触,使气囊受力均匀,需要在箱筒结构底部预先放置一个底板,运输时,箱筒结构坐落在运输底板上,由气囊顶升运输底板,然后滚动运输。
为确保运输稳定、箱筒结构不受破坏,采用抹角正方形混凝土运输底板,如图2、图3所示。运输底板的尺寸为:30m×30m×0.5m,总重量为1078 t,采用滚动气囊协助运输。
图2 纵移方案预制场平面布置Fig.2 layout of precast yard by longitudinal movement scheme
图3 横断面图Fig.3 Cross section draw ing
1.3 预制场平面布置
根据码头岸线的长度,预制场的平面布置可分为两种类型。第一种为横纵移方案,半潜驳定点靠岸泊位,箱筒型基础结构需先横移、后纵移,然后出运。第二种为纵移方案,两艘半潜驳同时或一艘半潜驳分时靠岸泊位,箱筒型基础结构预制完成后,直接纵移出运,如图2所示。两种方案均需修建顶升台,其横断面如图3所示。
2 出运工艺
2.1 工艺流程
横纵移方案的气囊出运施工工艺流程见图4。
图4 出运工艺流程Fig.4 Transportation technological process
纵移方案出运工艺比横纵移方案少横移及横纵移转换两步,其他均相同。
2.2 关键工艺
2.2.1 箱筒结构预制期间底板支撑
箱筒结构预制期间,由于运输底板在顶升台位置悬空,为防止底板破坏,在底部加入14个气囊,气压100 kPa,作为支撑,如图5所示。箱筒结构预制完成后,加入前后方4个气囊,所有气囊同步充气顶升。采用水下气囊的处理方法,气囊两头安有360°旋转快接头,在快接头上连接高压气管,以便进行充气和气压监测。
图5 箱筒结构预制期间底板支撑Fig.5 The floor support during the prefabrication of bucket structure
2.2.2 滚动运输
滚动运输时,需16个气囊,但实际操作时,需要不断在前方放入新气囊,在后方撤出气囊,实际作业气囊保证在16~18个之间,此过程中,最危险的工况为只有16个气囊的情况。
2.2.3 横纵移转换
为防止运输底板破坏,横纵移转换必须分步进行,各步骤对应的情况如图6所示。
图6 横纵移转换步骤Fig.6 Transformation steps from transverse movement into longitudinal movement
第1步:插入3个纵移气囊,充气;并在运输底板四角加入垫板,以保证转换过程中结构稳定;
第2步:先对左上角横移气囊中的4个进行放气,然后取出;第3步:放入左上角纵移气囊,进行充气;第4步:按前两步方法,将右上角的横移气囊放气取出,放入纵移气囊,充气;
第5步:按前几步方法,依次将下方的横移气囊取出,安放纵移气囊;
第6步:将中间两个气囊放气取出,横纵移转换完成,准备进行纵移。
2.2.4 登船过程
由于是非坐底式半潜驳,因波浪作用、压仓水调节不及时等原因,半潜驳甲板与码头前沿不可避免会出现一定高差,可以通过调整半潜驳的压仓水,将半潜驳甲板与码头前沿的高差控制在一定范围内。
因气囊为柔性结构,当压力分布不均匀时,可以自行调节,以确保运输底板受力均匀。但当半潜驳上下浮动时,气囊会出现瞬间压力变大或变小的情况,因此需要对气囊出现瞬间压力变大的情况进行验算。
本文按瞬间出现最大20 cm的高差,对气囊及运输底板的强度进行验算。
3 设计验算
3.1 底板强度验算
箱筒结构完全坐落在运输底板上,因此,不需要对箱筒结构的强度进行验算。
采用Abaqus有限元软件对整个出运过程的危险工况进行模拟,以确定在预制、顶升、运输、横纵移转换的每一步过程中运输底板的受力,确定底板厚度,结构的稳定性,并根据受力情况进行配筋。各工况验算结果如表1所示。
表1 运输底板强度验算结果Table 1 Test results of the strength of transportation floor
计算结果显示,箱筒结构与运输底板接触位置,应力集中,具体施工时,可在接触位置加垫钢板,以分散应力,在运输底板应力集中位置配钢筋网。经验算,底板厚度取500mm可满足要求。
3.2 地基强度验算
各工况下,地基应力最大值为263 kPa,需根据实际预制场所在地的地质情况,对地基进行适当处理,以满足施工要求。
3.3 气囊验算
滚动运输时,箱筒型基础结构和运输底板的设计总运输重量为4500 t。
顶升台高200mm,为放入横移气囊留出空间,顶升后保证运输底板离地面200mm,气囊工作高度为400mm。
如图7所示,气囊受压时,横截面可以视为1个矩形与2个半圆形的组合,半圆的直径为气囊的工作高度[4]。所选取的气囊及参数如表2和表3所示。
图7 气囊及其工作状态Fig.7 Gasbag and its operating mode
表2 气囊选取Table 2 Gasbag selection
表3 气囊参数Table3 Gasbag parameters
为防止滚动气囊压叠在一起,一般要求气囊间距不小于气囊直径。本方案中,滚动气囊间距1.8m,满足要求。
3.4 牵引力验算
参考箱涵结构出运的阻力系数[5],箱筒结构的运输过程中,其阻力系数u取0.03,牵引力为1323 kN。
启动时,可通过减小前方气囊气压,使箱筒结构前倾,达到启动目的。制动时与之相反。
4 结语
箱筒型基础结构整体预制的气囊出运方法是可行的,且具有结构整体预制质量好、效率高、工程建设速度快的优点。但该出运方法也有不利之处,预制场地需要的地基承载力较大、需要建造较多数量的运输底板。
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