南平樟湖库区大桥钢浮箱施工图设计

肖新强,唐世江,曹素功,唐 璋,胡洪波,高瑞宏,陈锐林

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 411005)

引言

随着人类经济活动的迅猛发展和交通设施大规模的建设,浮箱作为水上临时施工辅助设备越来越广泛的用于桥梁施工当中.利用浮箱架设码头、栈桥、门桥、平台等也逐渐得到了应用.现在我国已拥有中—60浮箱,东方红浮箱,TF—80浮箱,TF—82浮箱,多用途浮箱,内蒙古浮箱等器材,它们在我国抗洪救灾,桥梁施工和水上作业等社会主义建设中发挥了重要作用.我国的浮箱装备,在建国的几十年间,国内诸多学者和专家为浮箱研制发展和应用做出了重要贡献,在理论和试验方面取得了不少成就.本文根据福建南平樟湖库区大桥及接线工程项目施工要求,对其作用于水上浮式平台的钢浮箱进行了施工图设计,并介绍了施工图设计各部分设计思路,可为类似工程提供参考.

1 工程概况

南平市地处福建省北部,武夷山脉北段东南侧,位于闽、浙、赣三省交界处.全市年平均气温为19.3℃.但各地差异较大,一般变化在 15～20℃之间.南平市属中亚热带季风性气候,降水量丰富,多年平均降水量为 1663.9mm.境内日照丰富,多年平均可照时数达 3423.2h.境内湿度较大,年平均相对湿度为 79%,南平全境处于季风区内,风向随着季节变化在一年中变化十分明显.樟湖镇位于福建省南平市延平区东南部,闽江上游,外福铁路经此设樟湖站.316国道过境.闽江干流经此并建有客货运码头.

樟湖库区大桥是《福建省普通国省干线公路网规划》“八纵十一横十五联”中“纵五线”寿宁犀溪至永定下洋干线公路的组成部分.大桥贯通南北两岸,建成后附近居民生产生活将得到大大改善.路线起点位于樟湖库区大桥坂头北岸,路线终于樟湖镇坂头社区的宝峰亭西侧与镇区内既有道路顺接,路线全长0.877km.其中桥梁长度为788m,宽度为12.0m{2×1.5(人行道含栏杆及底座)＋9.0(行车道)=12.0};桥跨布置:(70.0+4×125.0+70.0)m+(4×35)m;上部结构:主跨为预应力混凝土连续刚构,引桥为预应力混凝土T梁;下部结构:主墩为板式矩形双壁墩,桥台为钢筋混凝土 U型台,基础为钻孔灌注桩,桥墩常水位水深约25m～40m;大桥设计洪水频率1/100;设计车速40km/h,预留60 km/h提速条件;通航标准按内河Ⅳ-(3)级航道设计;桥梁设计荷载:公路—Ⅱ级,工程投资额约10397万元.

路线起点桩号K2+590,终点桩号K3+466.700,路线全长0.877km,路线起点K2+590接北岸二期接线工程,终点与樟湖镇内既有道路衔接通往 316国道,实施的主要内容为樟湖库区大桥及南岸桥头接线.樟湖库区库区正常蓄水位65.0m,水深40m左右.此浮箱是用于深水桥梁桩基施工时拼装浮式平台.浮式平台主要承受平台面荷载、钻机荷载以及龙门荷载等.使用时需在浮箱上垫枕木对上部荷载进行分配.

2 设计要求

2.1 结构尺寸及连接要求

单个浮箱结构外形尺寸定为9m×3m×1.5m(长×宽×高).使用时通过该类型浮箱组合成3n×9×1.5(n为浮箱的个数,长×宽×高)的大型浮体.为了保证浮体的整体稳定性和浮体间的刚度,要确保连接件的强度、刚度以及与浮体构件连接的可靠性.设计接头时,除了满足本工程之外还可根据不同需要进行多种组合方式,浮箱四周留有安装钢管护栏的构件.

承载要求:

平板任何一个位置均能承受约10kN/m2荷载.在承受荷载的情况下浮箱纵向坡度控制在1%以内.

2.2 涂装要求

外表颜色:墨绿色.

涂装标准:参照中华人民共和国船舶行业标准《CB/T231-1998》执行.

2.3 制造质量验收要求

(1)焊缝检查按Ⅱ级焊缝进行验收.

(2)目测浮箱外形顺直,钢板无外鼓内凹的观感缺陷.整体外形尺寸偏差不大于5mm,局部不平整度小于2mm/m.

(3)进行泌水性试验,确保24～48h深水掩埋施压不漏水(测试压力3KPa).

(4)船舶涂装技术要求(CB/T231-1998).

(5)钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001).

3 钢浮箱整体构造设计

根据设计要求,作者曾先后提出过4种设计方案.框架间距为450mm的T型截面钢方案;框架间距为450mm的方型钢方案;龙骨主桁采用T型截面钢,普通骨材采用方型钢,框架间距为450mm的方案;框架间距为500mm的不等边角钢方案.

设计方案 方案1 方案2 方案3 方案4截面钢材 T型截面 方型钢截面 T型和方型钢 不等边角钢框架肋距(mm) 450 450 450 500

考虑到施工难易度,工期快慢,荷载承受程度等方面,经过全面比较,综合分析,并征求了团队和甲方等意见,确定了最终的浮箱设计方案4.

单个浮箱的外形尺寸为长9.0m,宽3.0m,高1.5m.为满足连接需要,将两端舷侧板沿3m方向各行进40mm.标准浮箱约 7.0t,浮箱与浮箱连接时连接处为内嵌式,通过下部丙丁钩嵌入和上部单双耳插销连接成整体.构成一个由12个浮箱组成的支撑平台,标准浮箱内沿9m长度方向布置2道隔舱板,形成单箱3室结构,每个箱室在顶部布置进人孔一个,浮箱钢板采用Q235B钢板,内部框架主要分为2个水平框架,5个纵向框架,7个横向强框架,12个横向普通框架,底部龙骨和桁架,甲板横梁与侧板肋骨均采用不等边角钢,且底板肋板均为实肋板.

图1 浮箱侧面图

图2 浮箱底面图

4 钢浮箱局部设计

4.1 浮箱框架设计

在框架构思的设计过程中,首先在相关规范和文献[1～5]中查阅,然后通过在船舶厂和部队等实地观察和学习,同时满足设计要求,浮式平台承受分布集中荷载,通过架设5根枕木将工程所需荷载传递给浮箱.最终在枕木位置确定 7个横向强框架,间距为 1500mm,框架结构由底板实肋板,舷侧板肋骨,甲板强横梁组成;还有12个横向普通框架,间距为500mm,由底板实肋板,舷侧板肋骨,甲板普通肋骨组成;在纵向设置5个纵向强框架,间距为500mm,由底板主龙骨或侧龙骨,端板肋板,和甲板主桁组成;在水平方向设置2个水平框架,间距为500mm,由两侧舷侧板主桁,和两侧端板主桁构成.

根据相关规范和文献,结合实地观察,并考虑到施工实际情况,在框架之间交点连接时,设计其连接方式:实肋板与侧龙骨相遇时,将侧龙骨打断;实肋板与主龙骨相遇时,将实肋板打断;强肋骨(端板肋板及强横梁)与舷侧主桁(端板主桁及甲板主桁)相遇时,将舷侧主桁(端板主桁及甲板主桁)打断(中间甲板主桁保持完整,相遇时将肋板打断);舷侧普通肋板(甲板普通肋板)与舷侧主桁(甲板主桁)相遇时,舷侧普通肋板(甲板普通肋板)穿过舷侧主桁(甲板主桁).

此种框架设计保证了中间纵向框架的完整性(主龙骨+端板肋板+甲板主桁),同时通过实际焊接施工等操作,使各框架连接成一个整体,对浮箱整体结构受力,和抵抗变形的能力都有提高.

4.2 浮箱支柱设计

在浮箱支柱构思的设计过程中,首先在相关规范和文献[1～5]中查阅,然后通过在船舶厂和部队等实地观察和学习,同时满足设计要求,浮式平台承受分布集中荷载,通过架设5根枕木将工程所需荷载传递给浮箱.在5个横向强框架和5个纵向框架的交点处设置了5排,每排5根,共25根圆管钢作为支柱,连接甲板骨材和底板骨材.

浮箱通过架设枕木承受上部荷载,单个枕木作为集中荷载作用在浮箱表面,浮箱整体受力,根据节点弯矩最大,在框架交点处设置支柱,加强了浮箱整体受力,提高了浮箱抵抗变形,上部荷载通过浮箱排水所受浮力来承受平台面荷载、钻机荷载以及龙门荷载等,提高了浮箱的整体稳定性.

图3 支柱详图

4.3 浮箱隔舱板设计

在浮箱隔舱板构思的设计过程中,首先在相关规范和文献[1～5]中查阅,然后通过在船舶厂和部队等实地观察和学习,沿浮箱9m方向布置两道隔舱板,顶舱设置,隔舱板间距为1800mm,浮箱形成一个单箱3室结构.

隔舱板设置要保证舱内的密封性,每个箱室都是一个单独封闭的舱室.这样可以保证万一有一个舱室出现漏水或者其他情况,可以进行单独修理和处理.

4.4 浮箱人孔设计

在浮箱人孔构思的设计过程中,首先根据在相关规范和文献[1～5]中查阅,然后通过在船舶厂和部队等实地观察和学习,在浮箱每个舱室顶部布置一个进人孔,人孔直径设置为500mm.

人孔的设置保证了浮箱每个舱室可以单独出入,进行舱内的检修或者其他工作.本工程浮箱采用的高出顶面的A型人孔,这是考虑到平台或舱底板面上会产生少量积水.

图4 浮箱顶面图

4.5 浮箱接头设计

根据设计要求,须满足本工程之外还可根据不同需要进行多种组合方式.通过船舶厂和部队等地实地观察和学习,在浮箱外部设置单双耳和丙丁钩的连接方式.在舷侧板和端板表面上部设置一系列单双耳接头,连接时,单耳接头和双耳接头互相嵌入,通过中间圆孔,套入插销,使其连接为一整体;在舷侧板和端板表面下部设置一系列丙丁钩,丙丁钩通过错位嵌入连接,构成整体.舷侧板设置6个单双耳,和6个丙丁钩,端板设置2个单双耳,和2个丙丁钩,间距均为1000mm.

这样设置接头保证了浮箱可以横竖拼接,同时浮箱之间通过多接头连接,使浮箱之间构成一个整体,架设枕木后,作为浮式平台可以整体受力.同时接头的位置设计,考虑到浮箱之间连接接头为受力薄弱点,接头设置与浮箱内部骨架横截面处,这样接头受力,通过连接,可以传递至骨架内部,使整个内部框架整体受力,保证了浮箱作为平台的整体受力与使用.

图6 浮箱整体连接效果图

4.6 浮箱焊接设计

焊接必须遵循以下几个原则:为了减少焊缝的弯曲变形,尽量使焊缝分布对称;先焊收缩量大的焊缝,尽量先焊对接焊缝.本工程浮箱主要采用三种焊接形式,对接焊缝时采用手工电弧焊,完全焊透,V型接口,双面焊;角焊缝时采用双面连续角焊缝,而对于钢板与骨架的焊接可以采用交错断续焊.

根据本次浮箱设计要求,查阅相关规范和文献[1～7],考虑到焊接变形,设计其焊接顺序:先装配成整体再进行焊接,对钢板构件,先将钢板切割成所需尺寸(如有钢板需要切割),然后在钢板上将骨架进行装配焊接,最后再在接口处(龙骨与肋板,桁架与肋骨,横梁)进行焊接,对不等边角钢,先焊接翼板,再焊接腹板.对每一钢板和骨架进行焊接施工后,需进行焊接变形处理.主要处理变形工艺采取反变形法,控制变形和矫正采用机械矫正法.反变形法是根据焊后可能产生的变形,预先把焊缝人为的制成一个大小相等方向相反的变形,使焊件焊后变形减小,甚至消除.机械矫正是利用机械力的作用来矫正焊接后变形,一般用压力机或矫平机.

4.7 浮箱涂装设计

根据本次浮箱设计要求,钢浮箱底漆采用湘江牌防锈漆,面漆采用湘江牌防腐漆.底漆和面漆的涂层厚度均不小于120μm.油漆在喷涂之前,钢材表面需进行预处理.除锈后钢材表面清洁度应达到油漆喷涂要求,除锈质量检查合格后进行油漆喷涂.喷涂完后,无漏涂、气孔、裂纹、干喷雾颗粒、流挂、刷痕、起皱等现象.喷涂颜色与规定一致.涂层 90%以上测点的膜厚,其余才到那的膜厚达到规定膜厚的 90%.除上述要求之外,涂层外观质量与膜厚应符合相应规范[8].

5 总结

南平樟湖库区大桥钢浮箱施工图设计于2012年9月完成,目前该项目已开工建设.其施工图设计主要突出了以下几方面.

1)根据实际工程,结合相关规范和文献,对钢浮箱方案设计进行调整和优化,缩短了工期,降低了工程造价.

2)根据设计要求,采取了合理的框架和内部骨架设计,增强了浮箱整体受力和抵抗变形的能力.

3)根据设计要求,设计的接头方式,便于施工,同时也很好的满足了本项目中要求的浮箱横竖多种组合方式,连接成为整体,作为浮式平台承受荷载.

4)焊接形式的处理也对钢浮箱的变形有了明显改善,使浮箱整体外观良好.

5)通过在各骨架垂直接口处,或者有高度差焊接时,添加肘板焊接,作为过渡,使钢浮箱整体稳定性和刚度都有利处.

6)本项目施工图设计,根据相关规范和文献,和实地观察,对相关浮箱设计可以提供参考.

[1] CSQS1993.中国造船质量标准[S].

[2] GB700-1998.碳素结构钢[S].

[3] 中国船级社.钢质内河船舶入级与建造规范[M].北京:人民交通出版社,2002

[4] 中国船级社.内河小型船舶建造规范[M].北京:人民交通出版社,2006

[5] GB50205-2001.钢结构工程施工及验收规范[S].

[6] JGJ81-2002JJGJ.建筑钢结构焊接技术规程[S].

[7] CB/T3568-94.船舶刚焊缝手工超声波探伤工艺和质量分级[S].

[8] CB/T231-1998.船舶涂装技术要求[S].