鋼圍堰運(yùn)輸方案比選

徐佳力

(柳州東城投資開發(fā)有限公司，廣西柳州545000)

近年來我國修建了許多跨江、跨海大橋，在大跨橋梁深水基礎(chǔ)修建時(shí)，圍堰是最常用的防水技術(shù)，隨著橋梁跨度的不斷增大，深水基礎(chǔ)及其圍堰也需要更大的尺寸規(guī)模[1]。由于鋼圍堰具有施工工期短、水流阻力小、利于通航、不需要沉入河床、施工難度小、混凝土用量小等優(yōu)點(diǎn)，因而在大跨橋梁深水基礎(chǔ)施工中得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

大型鋼圍堰一般由內(nèi)、外壁板、壁間聯(lián)系件及底板組成，其中底板自重通常只為結(jié)構(gòu)總重的10%～20%[4]，絕大部分重量集中在內(nèi)外壁板及壁間聯(lián)系件上。加之壁板豎向剛度遠(yuǎn)大于底板的面外剛度，所以運(yùn)輸時(shí)極易出現(xiàn)壁板下端支撐區(qū)受力過大、液壓平板車受力不均等問題，前者易引起壁板支撐位置局部失穩(wěn)，后者易導(dǎo)致平板車部分模塊過載而出

現(xiàn)無法頂升、脫胎的現(xiàn)象。因此，大型鋼圍堰的整體運(yùn)輸已成為其制造過程中中最為關(guān)鍵的一環(huán)。目前，關(guān)于鋼圍堰的絕大多數(shù)研究都集中在設(shè)計(jì)[5]與施工[6-8]方面，而對(duì)鋼圍運(yùn)輸方案的研究卻鮮有報(bào)道。本文將就此問題進(jìn)行研究。

1 工程概況

某橋南主墩鋼圍堰為雙壁鋼圍堰，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示：外徑42 m，內(nèi)徑39 m，高22 m，內(nèi)、外壁間距1.5 m。鋼圍堰壁體、底板等主體材料為Q235C鋼材，總重935.6 t。因通航凈高限制，鋼圍堰分上部5 m，重75.1 t；下部17 m，重860.5 t，先由總拼位置運(yùn)輸至碼頭(陸地運(yùn)輸)，裝船后由長(zhǎng)江運(yùn)輸至橋位處(水上運(yùn)輸)，本文僅對(duì)下部結(jié)構(gòu)的陸地運(yùn)輸進(jìn)行分析。

圖1 鋼圍堰結(jié)構(gòu)總體布置(單位：mm)

2 普通運(yùn)輸方案分析

2.1 方案簡(jiǎn)介

普通運(yùn)輸方案是將鋼圍堰直接放置于液壓平板車上進(jìn)行運(yùn)輸，鋼圍堰一般不做特殊補(bǔ)強(qiáng)，也不用考慮平板車部分模塊過載的問題。該方案常用于小型結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸，亦是本工程實(shí)例最初選用的運(yùn)輸方法，即將鋼圍堰直接放置于四組液壓平板車上聯(lián)合運(yùn)輸，液壓平板車布置方式及位置如圖2所示。

運(yùn)輸車選用尼古拉斯液壓型平板動(dòng)力車[9-10]，其單軸額定運(yùn)載質(zhì)量為30 t，每個(gè)模塊由四軸組成，額定運(yùn)載質(zhì)量120 t，每個(gè)液壓平板車組包含3個(gè)模塊，額定運(yùn)載質(zhì)量360 t。

圖2 液壓平板車布置(單位：mm)

2.2 模型建立

運(yùn)用ANSYS軟件建模計(jì)算鋼圍堰在運(yùn)輸時(shí)的力學(xué)響應(yīng)及支點(diǎn)反力。鋼圍堰底板、內(nèi)外壁板、隔艙板及其環(huán)向、豎向加勁選用SHELL63單元，壁間聯(lián)系、隔艙板加勁、底板封邊槽鋼、底板加勁等采用BEAM188單元模擬。鋼材彈模取E=2.06e5 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，計(jì)算時(shí)不考慮材料和幾何非線性。

鋼圍堰運(yùn)輸支撐面為底板HN400×200加勁梁下翼緣，為避免支點(diǎn)處加勁梁側(cè)向屈曲，支點(diǎn)位置選在縱、橫梁相交處(圖3)。所有支點(diǎn)均約束豎向位移(Z向)，為防止發(fā)生剛體位移，約束支點(diǎn)1的X、Y方向?yàn)槠絼?dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 支點(diǎn)位置布置方式(1/4結(jié)構(gòu))(單位：mm)

2.3 普通運(yùn)輸方案結(jié)果分析

采用普通方案運(yùn)輸實(shí)例鋼圍堰時(shí)，鋼圍堰的應(yīng)力分布如圖4所示，支點(diǎn)受力情況如表1。表1僅示1/4結(jié)構(gòu)支點(diǎn)反力。由于結(jié)構(gòu)、荷載對(duì)稱，其余支點(diǎn)的反力與此相同。

圖4 普通運(yùn)輸方案鋼圍堰VonMises應(yīng)力(單位：Pa)

t

通過圖4可以看出，鋼圍堰運(yùn)輸時(shí)最大應(yīng)力為814 MPa(未考慮材料非線性)，發(fā)生在支點(diǎn)3附近區(qū)域的壁板上，已大大超過所用鋼材的屈服強(qiáng)度，從而證實(shí)了采用一般方案運(yùn)輸大型鋼圍堰容易引起壁板支撐區(qū)域強(qiáng)度破壞或局部失穩(wěn)。

由表1可知：(1)支點(diǎn)3處支反力最大為115 t，支點(diǎn)6和8反力最小為0.4 t，反應(yīng)了液壓平板車在運(yùn)輸過程中受力不均勻，甚至在支點(diǎn)9處出現(xiàn)了負(fù)的支反力；(2)處于鋼壁下緣的從動(dòng)模塊(圖2)處的支點(diǎn)1～4反力總和為181.7 t，超過了單個(gè)模塊額定運(yùn)載質(zhì)量120 t，致使該模塊過載，無法順利頂升和脫胎；(3)有限元模型中支點(diǎn)約束采用的是固定支座，即支點(diǎn)位置不發(fā)生位移，但實(shí)際運(yùn)輸時(shí)鋼圍堰底板會(huì)在支反力作用下上撓，這將進(jìn)一步加大平板車負(fù)荷的不均勻性。

以上分析結(jié)果表明采用普通的運(yùn)輸方案運(yùn)輸大型鋼圍堰時(shí)，容易引起壁板支撐區(qū)域強(qiáng)度破壞或局部失穩(wěn)；也容易導(dǎo)致液壓平板車部分模塊過載而出現(xiàn)無法頂升和脫胎的現(xiàn)象，為解決上述問題，本文提出了兩種新的方案，即用千斤頂控制支反力(方案A)，用支點(diǎn)位移控制支反力(方案B)。

3 兩種新的運(yùn)輸方案

3.1 方案A：用千斤頂控制支反力

首先在液壓平板車作用位置，于鋼圍堰內(nèi)部設(shè)置四道三角形桁架，旨在將作用于底板的支反力通過桁架傳遞給壁板，如此一方面可減小壁板與底板連接處角焊縫的應(yīng)力水平，另一方面可加固鋼圍堰，提高穩(wěn)定性能。三角型桁架由I 32b工字鋼構(gòu)成，總重52.7 t，結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。

此外，為解決平板動(dòng)力車受力不均勻、部分模塊超載等問題，在方案A中還提出：用千斤頂控制支反力，即將一般運(yùn)輸方案中液壓平板車的被動(dòng)受力轉(zhuǎn)化為通過千斤頂主動(dòng)頂升來實(shí)現(xiàn)各支點(diǎn)受力均勻。

圖5 三角型桁架結(jié)構(gòu)尺寸布置(單位：mm)

具體操作步驟為：(1)通過測(cè)量找到鋼圍堰支點(diǎn)位置，并在液壓平板車對(duì)應(yīng)位置安放千斤頂；(2)送油并控制油壓表讀數(shù)，使千斤頂頂升力達(dá)到控制值，控制值Fc=結(jié)構(gòu)自重M/支點(diǎn)總數(shù)N；(3)液壓平板車頂升、脫胎、運(yùn)輸。

在有限元模型中，支點(diǎn)2～12(圖3)不施加豎向固定支座，僅用集中荷載考慮支反力Fc，支點(diǎn)1處約束條件同3.2節(jié)。經(jīng)計(jì)算，該運(yùn)輸方案下鋼圍堰最大應(yīng)力為187 MPa(圖6)，滿足強(qiáng)度要求；由于是采用千斤頂主動(dòng)地控制各支點(diǎn)反力，所以能保證每個(gè)支點(diǎn)受力均勻(表2)，避免了部分模塊過載的問題。

圖6 方案A鋼圍堰VonMises應(yīng)力(單位：Pa)

t

本方案使用千斤頂?shù)闹饕康脑谟诰庵c(diǎn)受力，它雖能避免液壓平板車部分模塊過載和保證運(yùn)輸中鋼圍堰安全，但此方案存在以下問題：(1)需要較多的千斤頂、油泵及相關(guān)操作人員，這極大地增加了運(yùn)輸成本；(2)不易保證各千斤頂同步協(xié)調(diào)控制；(3)油泵、油管附屬設(shè)備需要在鋼圍堰運(yùn)輸中同步移動(dòng)，這要額外的運(yùn)輸工具。

綜合上述分析，此方案理論上可行，但難以應(yīng)用于實(shí)際工程。遂基于方案A“均衡支點(diǎn)受力”的目標(biāo)，提出方案B：用支點(diǎn)位移控制支反力。

3.2 方案B：用支點(diǎn)位移控制支反力

方案B：通過調(diào)整支點(diǎn)位移來控制支反力，即依據(jù)支反力作用下產(chǎn)生的位移，先在支點(diǎn)位置預(yù)先墊高后，再進(jìn)行液壓平板車的頂升和運(yùn)輸，這相當(dāng)于在支點(diǎn)處施加強(qiáng)制位移來控制支反力的大小。

具體方法為：(1)在方案A模型的計(jì)算結(jié)果中提取各支點(diǎn)豎向位移δi(圖8)；(2)在底板加勁梁下翼緣和液壓平板車頂面的各支點(diǎn)處進(jìn)行找平，以修正得到各支點(diǎn)預(yù)墊高量Δi=δi+ki+gi(ki,gi使Δi增大為正，反之為負(fù))；(3)在各支點(diǎn)用楔形塊依據(jù)Δi進(jìn)行墊高；(4)液壓平板車頂升、脫胎、運(yùn)輸。

圖7 支點(diǎn)預(yù)墊高計(jì)算圖示

圖8 底板各支點(diǎn)豎向位移曲線(單位：mm)

方案B與方案A都是基于均衡支反力的目標(biāo)提出的，因此同樣可以解決鋼圍堰壁板支撐區(qū)域應(yīng)力過大的問題，從而保證結(jié)構(gòu)運(yùn)輸安全；還可避免平板車部分模塊超載，無法頂升、脫胎等現(xiàn)象。方案B較方案A也更容易實(shí)現(xiàn)，既能節(jié)省大量千斤頂及其附屬設(shè)備，又能減少相關(guān)操作人員，所以本文的工程實(shí)例也是采用方案B進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸圖片如圖9所示。

值得指出的是，方案B中由于支點(diǎn)墊高量基數(shù)較小(最大17 mm)，各支點(diǎn)的墊高量需要精確控制才能保證支反力均衡，對(duì)此有一定的操作難度。

圖9 鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸

4 結(jié)束語

本文針對(duì)大型鋼圍堰在整體運(yùn)輸中容易出現(xiàn)液壓平板車部分模塊過載、鋼圍堰局部失穩(wěn)等問題，結(jié)合工程實(shí)例，提出了兩種新的運(yùn)輸方案，計(jì)算了新方案下鋼圍堰的力學(xué)響應(yīng)，分析了兩種運(yùn)輸方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)上述分析得出

以下結(jié)論。

(1) 采用普通運(yùn)輸方案，鋼圍堰局部應(yīng)力值超限，易發(fā)生強(qiáng)度破壞和局部失穩(wěn)，影響整體結(jié)構(gòu)安全；液壓平板車受力不均，部分模塊容易超過模塊額定運(yùn)載質(zhì)量，致使無法順利頂升和脫胎。

(2) 在鋼圍堰內(nèi)安裝四片三角形桁架能改善傳力途徑，加大整體剛度，消除局部應(yīng)力過大現(xiàn)象。

(3) 采用方案A運(yùn)輸鋼圍堰能實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)受力均勻，將每一模塊受力控制在允許范圍之內(nèi)，但具體操作需要大量千斤頂，人員以及增加附屬運(yùn)輸設(shè)施，經(jīng)濟(jì)效益不高，也難于協(xié)調(diào)控制所有千斤頂。

(4) 使用方案B運(yùn)輸同樣能使支點(diǎn)受力均勻，且較A方案更易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)合理，既能使平板車受力均勻，又能節(jié)省大量千斤頂及其附屬設(shè)備，還能保證鋼圍堰運(yùn)輸?shù)陌踩?，但需精確控制各支點(diǎn)的墊高量。

(5) 本文提出的運(yùn)輸方案對(duì)大型鋼圍堰的整體運(yùn)輸具有一定的參考意義和借鑒價(jià)值。

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