影響浮體使用效果及壽命的問題與合理化建議

高志華 吳丹

在湖中或河道等深水的噴泉設(shè)計中，為滿足設(shè)備升降、防凍、安裝、維修、抗擊波浪及噴水反作用力等諸多特殊的功能要求，越來越多浮體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在實(shí)際工程當(dāng)中，現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)常見的浮體主要包括：升降式浮體、漂浮式浮體[1]。

升降式浮體浮力大于全部設(shè)備重量，在不受外力情況下設(shè)備能全部浮出水面。浮體底部按照設(shè)計點(diǎn)位安置拉力樁或沉降塊。采用水下卷揚(yáng)機(jī)通過滑輪鋼絲繩連接水下沉塊或拉力樁，并通過卷揚(yáng)機(jī)收放鋼絲繩來調(diào)節(jié)浮體及設(shè)備的位置，其優(yōu)點(diǎn)為：浮體可按照水位的變化調(diào)節(jié)浮體高度，保證噴泉表演；維修時浮體可完全浮出水面，拆換及維修方便；對于北方結(jié)冰的地區(qū)，冬季可將設(shè)備沉入水下防止凍壞設(shè)備；有水面美觀要求的區(qū)域，不表演時浮體設(shè)備可沉入水下；表演時，浮體較為穩(wěn)固，不會產(chǎn)生晃動。缺點(diǎn)為：浮體卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、拉點(diǎn)等位置常年受力，使用幾年后材料疲勞易發(fā)生損壞，維修維護(hù)成本費(fèi)用高。

漂浮式浮體結(jié)構(gòu)分上下兩層，上層為浮管，下層為鋼架平臺或浮管平臺。噴泉設(shè)備安裝在下層平臺上。浮體及設(shè)備安裝完成后，浮體上層浮管在大概漏出水面1/4～1/3 的高度位置漂浮。浮體依靠錨鏈及定位樁固定及限位，不能升降。其優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡單，造價低，浮體幾乎不會發(fā)生故障；浮體可自動隨水位變化，隨時保持表演狀態(tài)。缺點(diǎn)為：維修設(shè)備時，需在水下拆換設(shè)備；面積較小的漂浮式浮體在有風(fēng)浪時會有晃動。

考慮浮體可實(shí)現(xiàn)人為控制，工程上大多采用升降式浮體結(jié)構(gòu)。浮體升降系統(tǒng)的最主要功能為，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制下浮體在一定行程內(nèi)自由升降，產(chǎn)生一定的預(yù)浮力，抵抗噴水的反作用力及維修產(chǎn)生的載荷；第二項(xiàng)作用及功能，也是設(shè)計中必須認(rèn)真考慮的問題，即水體在風(fēng)成波浪的影響下，設(shè)備抗擊波浪，減少波動，結(jié)構(gòu)避免疲勞破壞等問題，此項(xiàng)是在浮體設(shè)計中更為重要的技術(shù)關(guān)鍵。本文就影響升降式浮體結(jié)構(gòu)使用功能和壽命的幾個主要因素進(jìn)行簡單分析討論，為浮體系統(tǒng)的制作和使用提供參考。

1.抗擊波浪能力計算

依據(jù)工程規(guī)范中推薦的波浪計算公式，按可能出現(xiàn)的6 級～7 級風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)，計算湖中水面的波高與波長。

先確定計算公式中要用到的參數(shù)：7 級風(fēng)的風(fēng)速v 查表得13.9m/s～17.1m/s，取v=17.1m/s；湖面的最大吹程為D，取D=0.3Km；7 級風(fēng)產(chǎn)生的水波波高為2h，波長為2L。

再根據(jù)水力學(xué)計算公式進(jìn)行計算：

2h=0.0166v5/4D1/3=0.0166×34.77×0.669=0.386m；2L=10.4（2h）0.8=4.856m；根據(jù)同樣的計算公式可以算出6 級風(fēng)的波高和波長2h=0.296m、2L=3.92m。

上述計算說明，當(dāng)出現(xiàn)6 級～7 級風(fēng)時，問題就顯而易見：當(dāng)2h 在0.296m～0.386m 之間時，浮管的頂部已經(jīng)露出水面，這樣風(fēng)浪對浮體的影響就會很大。當(dāng)2L 在3.92m～4.86m 之間時，當(dāng)設(shè)計中拉點(diǎn)間距在1.5m～2m 時，正好等于半波長，這會使設(shè)備產(chǎn)生共振。產(chǎn)生共振的結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生設(shè)備結(jié)構(gòu)的變形、疲勞、斷裂，拉繩力的變化產(chǎn)生疲勞，鉚釘?shù)睦?，浮箱連接斷裂等諸多問題[2]。此種現(xiàn)象在實(shí)際的工程中已有發(fā)生：如遼寧沈陽棋盤山水庫中百米浮體，由于波動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)斷裂，至今沉入湖底，全部報廢；門頭溝水庫中，由于管理不善，設(shè)備浮在表面，設(shè)備波動導(dǎo)致水中固定于柱上的卡子大幅提升的現(xiàn)象。根據(jù)波浪力學(xué)理論，波浪對水中物體的壓力隨水深而銳減，當(dāng)水深增加到半波長時，物體受到的力為表面受力的5%，因此，水中較大體積的實(shí)體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量地置于深處。

2.浮管材料的選用

目前浮管的材料多采用PVC 管或者防水碳鋼管[3]，由于浮體音樂噴泉項(xiàng)目位于自然湖水、人工湖水等體量較大水域，浮體系統(tǒng)建設(shè)面積較大，為保證浮體完好的整體性以及浮體上方設(shè)備安裝便捷性，建議采用碳鋼管作為浮體制作材料，一方面采用碳鋼管作為浮體材料，制作浮體施工方式為焊接，強(qiáng)度高，不易出現(xiàn)裂縫、斷開等質(zhì)量問題，而PVC 管雖然具有質(zhì)輕價廉等優(yōu)點(diǎn)，但由于加工采用膠粘方式，隨著噴泉設(shè)備表演振動，膠粘處容易產(chǎn)生松動脫落，導(dǎo)致升降系統(tǒng)無法正常工作；另一方面，噴泉設(shè)備一般為不銹鋼或者其他防水金屬材質(zhì)，浮體系統(tǒng)基礎(chǔ)材料采用防水碳鋼管，噴泉設(shè)備支架與其可以采用螺栓、焊接等方式，同時可以保證浮體系統(tǒng)具有足夠強(qiáng)度支撐設(shè)備重量及其噴射反作用力。

3.浮管安裝位置

浮管放在浮體平臺設(shè)備基準(zhǔn)面的上部，第一個缺點(diǎn)就是浮體的鋼結(jié)構(gòu)平臺不能夠浮出水面，不論是維修還是二次防銹處理都是不可能的，而浮管布置在平臺的下部，則所有的鋼結(jié)構(gòu)將全部升至水面之上，方便設(shè)備的安裝與維護(hù)。

第二個缺點(diǎn)是在風(fēng)力及波浪較大時，浮管作為體積最大的設(shè)備，吃入水下的深度對整個平臺的抗擾動能力有決定性的影響。在計算示例中我們可以清楚地看到，當(dāng)噴泉表演時，浮管位置越低，浮體的抗干擾能力就越好，而浮管越高，浮體的抗干擾能力也就越差。

以上兩點(diǎn)為主要方面，還有比如浮管安裝、拆卸是否方便等問題都充分的說明，浮管的位置在鋼架之下是合理的。

4.增加信息反饋系統(tǒng)

對于浮體面積過大，長度過長（超過100m）的浮體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由若干臺卷揚(yáng)機(jī)拉動，很難保證浮體的同步性，這樣就會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，尤其是對拉桿、管路等整體上部設(shè)備；由于拉點(diǎn)太多，拉力的調(diào)整難以精確均勻，拉力不均很容易造成局部拉力過大，對個別的拉點(diǎn)造成破壞性影響，一旦一點(diǎn)出了問題，更會影響到其他受力點(diǎn)。

因此建議增加信息反饋系統(tǒng)，每臺卷揚(yáng)機(jī)處增加至少一套液位傳感器，對每臺卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行單點(diǎn)精準(zhǔn)控制，保證浮體系統(tǒng)上升或者下降過程中整體水平度保持在設(shè)計要求范圍內(nèi)，防止因拉力不均勻而導(dǎo)致鋼繩斷裂、鉚釘拉脫等事故。在液位傳感系統(tǒng)安裝時，安裝方向應(yīng)該為垂直安裝，安裝的位置應(yīng)該位于水面波動較小的部位，同時應(yīng)避免自然水體中泥沙或者淤泥等污物進(jìn)入，防止影響檢測結(jié)果，同時應(yīng)考慮測量介質(zhì)、溫度、測量量程、信號輸出要求、以及連接電纜線的長度等因素。

同時，也應(yīng)采用分塊布置的形式，例如，將100m 長的浮體分成三組，每組長33m，寬為6m，這樣可以保證單體浮體的同步性。

5.卷揚(yáng)機(jī)的選擇及安裝

單筒卷揚(yáng)機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，操作和移動方便，但是更容易造成鋼絲繩受力不均勻，影響鋼絲繩壽命及升降系統(tǒng)的效果，因此建議使用雙出頭多聯(lián)式卷揚(yáng)方法，電機(jī)同時帶動二個轉(zhuǎn)筒工作，可以很好地解決拉力不均的問題；卷揚(yáng)機(jī)應(yīng)規(guī)范安裝，保證其正確纏繞，鋼絲繩應(yīng)排列整齊，禁止鋼絲繩相互錯疊，鋼絲繩引出方向?yàn)榫硗蚕路?，出繩方向應(yīng)保持水平或者接近水平，防止鋼絲繩扭轉(zhuǎn)拉斷，卷揚(yáng)機(jī)安裝螺栓牢固可靠，卷筒中心與其最近的導(dǎo)向輪中心線垂直，否則卷筒工作時極易產(chǎn)生鋼絲繩脫離滑輪槽或者鋼絲繩與導(dǎo)向輪翼輪磨損斷裂等問題而導(dǎo)致浮體系統(tǒng)失效；滑輪系統(tǒng)亦采用動滑輪結(jié)構(gòu)，這樣不但可以節(jié)省拉力進(jìn)而降低卷揚(yáng)機(jī)的功率，少量拉點(diǎn)及采用高強(qiáng)度的主架結(jié)構(gòu)，利用了大跨度鋼架的自適應(yīng)性，保證了鋼繩的安全性，強(qiáng)度的提高也使得設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能大大改善。

6.浮體的浮力調(diào)節(jié)措施

為了更好展現(xiàn)噴泉表演效果，噴泉設(shè)計人員往往在不同曲線造型上設(shè)置不同形式的噴頭設(shè)備，噴頭設(shè)備重量不相同，導(dǎo)致不同區(qū)域浮體浮管上所受的壓力也不同，因此建議安裝設(shè)計采用分區(qū)域封閉的方式，即可采用內(nèi)置盲板焊接，不同方向的均單獨(dú)封閉密封形式，以此保證分段區(qū)域浮力可調(diào)節(jié)。區(qū)域封閉的另一好處是：某一點(diǎn)浮管發(fā)生滲漏情況，不會影響整個浮體，同時可通過某一段浮管注水的方式減小浮體的浮力。

此外，在設(shè)計浮體時，為應(yīng)對浮體上安裝設(shè)備的一些變動，計算浮力都會將理論的凈浮力加大一些，避免浮力不夠的情況發(fā)生[4]，以下表格為常用浮體浮管浮力計算表格。

浮體一般采用325mm～530mm 鋼管作為浮管。其浮力計算見表1。

表1 浮體鋼管的選用及浮力計算表