特高壓線路河網(wǎng)區(qū)域施工水面臨時作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

徐俠松，李 齊，余秋安，張志強，王 杰

(1.湖北省送變電工程公司,湖北 武漢 430063；2.武漢大學動力與機械學院,湖北 武漢 430072)

0 引言

特高壓線路施工過程中，不可避免地要在水域進行作業(yè)。在傳統(tǒng)情況下，施工設(shè)備在水上作業(yè)時一般采用專用的大型駁船或躉船，此方式具有結(jié)構(gòu)簡單，安全性高的優(yōu)勢。但是在河網(wǎng)區(qū)域河湖密集交織，河道較為狹窄且有通航限制，大型工程駁船或躉船無法進入到施工場地，因此這種方式無法滿足施工要求。

針對河網(wǎng)區(qū)域的施工，目前國內(nèi)常用的施工平臺主要有雙壁鋼圍堰平臺[1]、鋼管樁平臺和浮式平臺3種形式[2]。圍堰平臺剛度較大[3]，但是需要大量使用鋼套箱，經(jīng)濟性較差；鋼管樁平臺[4]的搭設(shè)難度較大，打樁速度較慢，資金投入太大。相比之下，浮式平臺穩(wěn)定性較好，移位方便，轉(zhuǎn)場效率較高[5]。

本文開展了水面施工臨時作業(yè)平臺搭設(shè)結(jié)構(gòu)及其施工穩(wěn)定性等方面的研究，詳細設(shè)計了適用于河網(wǎng)區(qū)域水面施工的浮式平臺，并從穩(wěn)定性和實用性等多個角度，采用理論與數(shù)值方法相結(jié)合的手段計算分析了該浮式平臺的使用性能，為后期水上平臺的設(shè)計施工提供了理論依據(jù)和設(shè)計參考。

1 浮式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于水上施工平臺要用于起重設(shè)備進行作業(yè)，考慮設(shè)備重量對平臺的承載能力要求，以及平臺整體轉(zhuǎn)場施工的便利性，采用鋼結(jié)構(gòu)+浮筒的方式組裝拼接成浮式平臺，其中鋼結(jié)構(gòu)用于承受起重設(shè)備和塔材重量及施工過程中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等，浮筒僅用于提供浮力，浮筒與鋼結(jié)構(gòu)之間無直接連接。

根據(jù)施工設(shè)備的外形尺寸（長×寬×高為7 000 mm×2 000 mm×2 800 mm）、自重（7 000 kg）等關(guān)鍵參數(shù)確定平臺的關(guān)鍵尺寸。平臺布置圖如圖1所示，平臺最大長度40 m，最大寬度20 m，總面積500 m2，在左右兩側(cè)各布置一條長為10 m，寬5 m的進出口走廊，用于起重機和塔材進場施工。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)模塊化拼接

鋼結(jié)構(gòu)整體由若干鋼結(jié)構(gòu)模塊拼接而成，拼接后的三維效果如圖2所示。鋼結(jié)構(gòu)上方鋪有鋼板，鋼板與鋼結(jié)構(gòu)模塊的型鋼之間采用螺栓固接。單個鋼結(jié)構(gòu)模塊重量為353.1 kg，且基本尺寸長×寬×高為5 m×2.5 m×0.01 m。鋼結(jié)構(gòu)模塊的拼接方式包括鉸接和螺栓固接兩種方式，長邊一側(cè)采用螺栓固接，寬邊一側(cè)采用鉸鏈銷軸連接，這種連接方式使模塊具有一定的柔性，雖然平臺整體剛度降低，施工設(shè)備在平臺上行駛或作業(yè)時垂向位移變大，但由于模塊間可產(chǎn)生一定位移，使模塊之間連接件受力條件改善，變形降低，降低了安裝設(shè)計的難度。

圖1 浮式平臺布置圖Fig.1 Layout of the floating platform

圖2 浮式平臺鋼結(jié)構(gòu)拼接后三維效果圖Fig.2 3D model of the floating platform with splicing steel structure

1.2 浮體的選材與設(shè)計

浮體采用模塊化工程浮筒拼接，單個浮筒尺寸為500 mm×500 mm×400 mm，壁厚7 mm，采用HDPE 5421B材料制成。浮體選用雙層浮筒，每平米浮筒可具有0.3 t的浮力，因此如果浮體吃水深度相同，雙層浮筒構(gòu)建的500 m2浮體最大可以提供300 t浮力，遠遠超過平臺上施工設(shè)備和所吊塔材的重量。

鋼結(jié)構(gòu)和浮體的模塊化處理使實際應(yīng)用中平臺的尺寸便于調(diào)整，也方便了轉(zhuǎn)場與現(xiàn)場安裝，實現(xiàn)了平臺的重復使用，滿足工程中的經(jīng)濟性要求。

1.3 浮式平臺岸邊結(jié)構(gòu)

在施工過程中，最危險的工況是在施工設(shè)備進入平臺時，由于平臺僅有少量浮體提供浮力，平臺進口處產(chǎn)生較大的垂向位移，施工設(shè)備極易翻落水中。為了解決該問題，如圖3所示，首先浮式平臺岸邊應(yīng)做斜坡處理，且在浮式平臺1 m區(qū)間做混凝土凹槽，并在浮式平臺進口處底部布置支撐結(jié)構(gòu)，從而使設(shè)備上下平臺時，平臺進口處底部與混凝土基礎(chǔ)接觸，起到支撐作用；其次在岸邊與平臺進口處采用兩座鋼結(jié)構(gòu)踏板過渡，踏板在岸邊的一端采用膨脹螺栓固定于混凝土斜坡處，在浮式平臺的一端不做固定，任由浮式平臺隨浮體水位上下浮動時自由活動。

圖3 浮式平臺岸邊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of the floating platform on river bank

2 浮式平臺橫傾穩(wěn)定性分析

在施工作業(yè)進行時，由于受到施工設(shè)備和塔材重量及施工過程中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等的作用，平臺會因平衡狀態(tài)受到破壞產(chǎn)生傾斜。平臺在外力干擾下產(chǎn)生傾斜會不會導致傾覆，在外力消失后能否回到原來的平衡位置，即抵抗外力的能力，是在平臺設(shè)計過程中對其穩(wěn)定性要考慮的問題[6]。本文主要考慮平臺的橫傾穩(wěn)定性[7]，即要計算平臺在傾斜一定角度時的回復力矩[8]。本文采用等排水量法[9]計算分析。

圖4 平臺橫傾后的橫截面Fig.4 Cross-section of the tilted platform

如圖4所示，選取平臺的主視平面，根據(jù)計算得重心G（0,0.685 6 m），設(shè)重心位置不變，AB為初始平衡狀態(tài)下的水線位置[10]，平臺在水線以下的部分為入水部分，入水高度為0.154 648 m，此時浮心為P點。當傾斜角度為α時，水線位置為A′B′，浮心位置為P′點。根據(jù)公式

計算回復力臂l，根據(jù)公式

計算回復力矩M。

計算利用MATLAB編程來實現(xiàn)，平臺在橫傾角α從0°增大到60°過程中，回復力矩的變化如圖5所示。根據(jù)計算結(jié)果，平臺在橫傾角α=8.9°時達到最大值，約為13 158 kN·m。

圖5 回復力矩與橫傾角度關(guān)系Fig.5 Relationship between restoring momen and heel angle

但是，在施工過程中，浮式平臺的傾斜角度很小，假設(shè)平臺右側(cè)達到出水的臨界點，此時傾斜角α=0.443°，圖6為浮式平臺的橫傾角在0°～0.443°變化時的回復力矩曲線。

由圖6可以看出，當橫傾角度較小時，可以近似認為回復力矩與傾角成正比關(guān)系。在當傾斜角度α=0.443°時，回復力矩M=6 374 kN·m。施工設(shè)備和塔材的自重所引起的力矩最大值為2 352 kN·m，在平臺的橫傾穩(wěn)定性的安全范圍內(nèi)，滿足安全要求。

圖6 小角度傾斜時回復力矩變化曲線Fig.6 Change curves of restoring moment in the range of small heel angle

上述穩(wěn)定性分析是將平臺看成一個剛性體進行的，但平臺實際上由于搭接方式以及鋼結(jié)構(gòu)變形等，柔性較大，因此還需要通過數(shù)值計算方法進一步驗證其實際使用性能。

3 浮式平臺有限元模型的構(gòu)建

為了合理模擬浮體及浮式平臺在各種工況下的位移及受力情況，需要對不同構(gòu)件采用對應(yīng)單元進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)所需解決的問題設(shè)置單元特性選項，定義實常數(shù)，最后形成整體有限元模型。

3.1 鋼構(gòu)模塊中型材的模擬及整體鋼結(jié)構(gòu)的形成

建立構(gòu)成整體鋼結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)模塊時，本文采用3D線性有限應(yīng)變梁單元[11]——BEAM188單元來模擬其型材以提高建模效率。針對鋼結(jié)構(gòu)模塊間的銷軸鉸接和螺栓固接兩種連接方式，本文采用自由度耦合（cp命令）和節(jié)點合并（nummrg命令）分別進行模擬。

3.2 鋼構(gòu)模塊上鋪鋼板的模擬

為模擬上鋪在鋼構(gòu)模塊的鋼板，采用SHELL63單元[12]來模擬，該單元是4節(jié)點彈性殼單元，具有彎曲和膜特性，能承受面內(nèi)和法向荷載，可通過定義實常數(shù)來明確所模擬鋼板的厚度，從而提高建模效率和計算速度。

3.3 浮筒組成的浮體浮力的模擬

浮筒組成的浮體，與鋼結(jié)構(gòu)之間沒有直接連接，僅僅通過與鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸提供浮力，在建立有限元模型時需對浮體部分進行簡化，但仍需考慮浮體所提供的浮力。

當載荷作用于浮式平臺時，會引起浮式平臺吃水的變化，從而引起浮式平臺所受浮力的變化，這種由于結(jié)構(gòu)排水體積變化引起的結(jié)構(gòu)回復力的變化，可簡化為與浮體面積成比例地均勻分布在浮式平臺底部表面節(jié)點上的垂向彈簧，這些彈簧的垂向剛度總體上與單位吃水變化引起的浮力變化等效，稱其為水彈簧[13]。采用COMBIN14單元以模擬水彈簧（即浮體的浮力）作用。

基于吃水與排水量的線性關(guān)系，通過計算可得單個鋼構(gòu)模塊底部型材各節(jié)點的水彈簧剛度。以單個鋼構(gòu)模塊為例，單個鋼構(gòu)在吃水深度h下所受浮力為

上式中S底為單個鋼構(gòu)模塊底部面積，即S底=5 m×2.5 m=12.5 m2。單個彈簧的軸力為

上式中ki為該彈簧的剛度。根據(jù)水彈簧的定義則有

因此可得鋼構(gòu)模塊底面垂向水彈簧剛度為ki=ρgS底∑，由于鋼構(gòu)模塊需通過組裝形成整體鋼結(jié)構(gòu)，組裝完成后鋼構(gòu)模塊的角點節(jié)點處存在4個水彈簧，邊緣節(jié)點處存在2個水彈簧，中間節(jié)點處僅有1個水彈簧，因此角點節(jié)點、邊緣節(jié)點和中間節(jié)點處的彈簧剛度應(yīng)不相同。具體數(shù)值如表1所示。

表1 鋼構(gòu)模塊底部垂向水彈簧剛度Tab.1 The stiffness of vertical water spring on the bottom of the steel structure module

3.4 錨固定位系統(tǒng)錨繩的模擬

為了保證浮式平臺的正常工作，需布置錨固定位系統(tǒng)[14]。本文中采用錨泊定位方式，即鐵錨通過錨繩與浮式平臺上的帶纜樁連接，實現(xiàn)浮式平臺的固定。錨固定位系統(tǒng)中的錨繩只能抗拉不能抗壓，因此采用LINK180單元進行模擬。

3.5 浮式平臺進口底部支撐結(jié)構(gòu)的模擬

當設(shè)備進入平臺時，支撐結(jié)構(gòu)與底部混凝土基礎(chǔ)接觸，當設(shè)備走過一段距離后，支撐結(jié)構(gòu)由于浮體浮力又脫離與混凝土基礎(chǔ)之間的接觸。由此可知，支撐結(jié)構(gòu)與混凝土基礎(chǔ)之間接觸與否，與起重設(shè)備或塔材在平臺上的位置相關(guān)，屬于典型的由接觸引起的邊界非線性問題[15]。

在實際計算中，如果采用接觸單元和目標單元對上述接觸行為進行仿真，必然造成計算規(guī)模過大的問題，因此本文采用非線性彈簧COMBIN39對支撐結(jié)構(gòu)和混凝土基礎(chǔ)之間的作用力進行模擬。最終形成的浮式平臺有限元模型如圖2所示，各單元數(shù)量如表2所示，節(jié)點總數(shù)為76 176個。

表2 單元數(shù)量表Tab.2 Number of various units

4 不同工況計算結(jié)果及分析

4.1 不同工況

浮式平臺在工作時，需要對平臺受到的各種荷載，進行各種工況的荷載組合分別進行驗算。由于浮式平臺是在基本上無流速的庫區(qū)搭建，故忽略浮式平臺所受的流水壓力、波浪力及風力，僅考慮浮式平臺受到的垂向荷載和靜水壓力的作用。

浮式平臺所受到的垂直荷載有40個鋼構(gòu)模塊自重（14 124 kg）、鋼板自重（31 200 kg）、履帶式起重機自重（7 000 kg）和最大吊重（5 000 kg）、浮體重量（32 000 kg）等。

采用以下5個工況對浮式平臺進行靜力學分析：

工況一：平臺有限元模型形成后，僅對平臺受到的平臺自重以及湖水靜水壓力進行加載，用于驗證浮式平臺分析模型的正確性。

工況二：施工設(shè)備進入平臺使其受載后，進口底部支架與混凝土基礎(chǔ)接觸，利用該工況判斷進口處鋼結(jié)構(gòu)及底部支架是否滿足實際工程要求。

工況三：施工設(shè)備位于進口廊道中部位置，即鋼構(gòu)模塊的鉸接區(qū)域，利用該工況判斷進口廊道產(chǎn)生的最大垂向位移是否滿足實際工程要求。

工況四：施工設(shè)備到達施工工位處，擬起吊的塔材到達起吊區(qū)域，該工況用于判斷整體平臺在使用過程中是否滿足實際工程要求。

工況五：施工設(shè)備到達施工工位處，并開始進行起吊，該工況可能會導致浮式平臺產(chǎn)生傾斜坡度過大的問題，并且施工設(shè)備所在區(qū)域可能存在鋼構(gòu)模塊或鋼板應(yīng)力集中的情況，此工況用于判斷整體平臺在使用過程中是否滿足實際工程要求。

4.2 計算結(jié)果及分析

有限元分析后，可得以下結(jié)論：

（1）在工況一中，浮式平臺整體垂向位移分布如圖7所示，通過分析可得有限元分析的平均吃水深度為0.155 7 m?；诔运c排水量的關(guān)系，通過理論計算可得到浮式平臺理論吃水深度為0.154 6 m。由此可知理論分析結(jié)果與有限元計算結(jié)果非常接近，誤差僅為0.6%，由此可以驗證浮式平臺分析模型的正確性。

圖7 浮式平臺垂向位移分布（工況一）Fig.7 Vertical displacement contour of the floating platform in operation condition 1

（2）在工況二中，浮式平臺進口處鋼結(jié)構(gòu)以及底部支撐結(jié)構(gòu)在該工況中受力較大，最大綜合應(yīng)力為154 MPa，如圖8所示，滿足強度要求。

圖8 進口處鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力分布（工況二）Fig.8 Stress contour of steel structure at the entrance of the platform in operation condition 2

（3）工況三中，當施工設(shè)備位于距離進口5 m處，即鋼構(gòu)模塊鉸接位置，平臺進口廊道會產(chǎn)生較大垂向位移，浮式平臺整體垂向位移如圖9所示，最大垂向位移為-0.547 m，發(fā)生在兩鋼構(gòu)模塊連接處，如果浮體采用單層浮筒構(gòu)建，該處將由于受到施工設(shè)備較大的自重載荷浸入水中，由此實際工程中應(yīng)采用上下兩層浮筒形成浮體。

圖9 浮式平臺垂向位移分布（工況三）Fig.9 Vertical displacement contour of the floating platform in operation condition 3

（4）在工況四中，浮式平臺整體上鋪鋼板在該工況下綜合應(yīng)力分布如圖10所示，最大綜合應(yīng)力為305 MPa，已超過了材料屈服極限，發(fā)生在平臺左側(cè)邊緣處，與起重設(shè)備工位和塔材（塔材中心距離平臺左側(cè)邊緣2.5 m）堆放位置比較靠近平臺左側(cè)邊緣有關(guān)，因此在平臺實際使用工況中，應(yīng)注意塔材堆放位置以及起重設(shè)備工位與平臺邊緣之間的距離，圖11為塔材堆放位置與最大綜合應(yīng)力之間的變化趨勢，由圖可知，隨著塔材堆放位置與平臺左側(cè)邊緣距離的增大，最大綜合應(yīng)力快速降低，降低趨勢近似于線性，圖12為塔材中心距離平臺左側(cè)邊緣3.5 m時鋼板綜合應(yīng)力分布情況，最大綜合應(yīng)力已經(jīng)降為142 MPa，滿足強度要求。

圖10 浮式平臺鋼板綜合應(yīng)力分布（工況四）Fig.10 Stress contour of steel plates on the floating platform in operation condition 4

圖11 塔材堆放位置與最大綜合應(yīng)力間的變化趨勢Fig.11 Relationship between the materials stack position and maximum stress

圖12 修正后鋼板綜合應(yīng)力分布（工況四）Fig.12 Stress contour of steel plates after amendment in operation condition 4

（5）工況五為平臺受載情況最危險的工況，分析后浮式平臺整體垂向位移如圖13所示，位移較大區(qū)域明顯增大；浮式平臺鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力分布如圖14所示，最大綜合應(yīng)力為278 MPa，鋼構(gòu)模塊連接位置存在局部應(yīng)力集中情況，后期在工程實際施工中，鋼構(gòu)模塊連接區(qū)域應(yīng)進行補強處理。

圖13 浮式平臺垂向位移分布（工況五）Fig.13 Vertical displacement contour of the floating platform in operation condition 5

圖14 鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力分布（工況五）Fig.14 Stress contour of steel structure in operation condition 5

5 結(jié)語

本文針對某特高壓工程湖北河網(wǎng)區(qū)域施工特點，開展了水面施工臨時作業(yè)平臺搭設(shè)結(jié)構(gòu)及其施工穩(wěn)定性等方面的研究，詳細設(shè)計了水面施工臨時作業(yè)平臺，并對鋼構(gòu)和浮體的模塊化拼接方式、岸邊支撐結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹；并通過橫傾穩(wěn)定性理論計算，驗證了平臺的回復力矩等參數(shù)在理論上已達到實際工程要求；最后本文利用有限元方法，對多個工況進行了靜力學分析，充分驗證了平臺的剛度和強度等均能夠滿足實際工程要求。本文研究成果可為后面水面臨時作業(yè)平臺的具體實施提供參考依據(jù)。

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