鋼殼沉管曲面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與建造

鄭志華 李爽 胡韜 潘均發(fā) 劉仕蓮

摘? ? 要：大型的道路、橋梁、隧道等鋼殼沉管等鋼結(jié)構(gòu)，不必像船體曲面結(jié)構(gòu)那樣特別注重結(jié)構(gòu)的光順性，以提高船舶水動(dòng)力性能。為此，本文提出一種類似微積分的方法，將曲面結(jié)構(gòu)細(xì)分成若干平直結(jié)構(gòu)，采用平直結(jié)構(gòu)建模出圖的方式，這種方法將有效提升大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、制作效率以及縮短建造周期。

關(guān)鍵詞：曲面結(jié)構(gòu)；平直化；生產(chǎn)設(shè)計(jì)；建造

中圖分類號(hào)：U459.5? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Optimum Design and Construction of Curved Surface

Structure of Steel Shell Immersed Tube

ZHENG Zhihua，? LI Shuang，? HU Tao，? PAN Junfa，? LIU Shilian

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，? Guangzhou 511462 ）

Abstract： As to large steel structures for the roads， bridges and steel shell immersed pipes involve curved surface structure areas， if the ship curved surface structure modeling is used to carry out the production design， the efficiency is low and prone to mistakes. Such steel structures do not need like hull structure to pay special attention to the smoothness of structure to improve the ship hydrodynamic performance. Therefore， this paper puts forward a similar calculus method， where the curved surface structure is subdivided into several straight structures， and the flat structure modeling diagram is adopted. This method will effectively improve the design quality and production efficiency of large steel structure products， and shorten the construction cycle.

Key words： curved surface structure;? flat straight;? production design;? ?construction.

1? ? ?前言

目前大部分道路、橋梁、沉管隧道等大型鋼結(jié)構(gòu)的制造都由具備資質(zhì)的船廠承接，這些鋼結(jié)構(gòu)不同于船體結(jié)構(gòu)首尾區(qū)域曲面線型較大，通常都是平直結(jié)構(gòu)，此類平直結(jié)構(gòu)利用船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件建模出圖效率較高，但部分鋼結(jié)構(gòu)涉及曲面結(jié)構(gòu)，若采用船舶曲面結(jié)構(gòu)建模開展生產(chǎn)設(shè)計(jì)，軟件操作復(fù)雜，后期套料處理難度大，設(shè)計(jì)制造效率較低，而且容易出錯(cuò)。考慮到道路、橋梁、隧道沉管等鋼結(jié)構(gòu)不必像船體結(jié)構(gòu)那樣特別注重結(jié)構(gòu)光順性以提高船舶水動(dòng)力性能，我們采用微積分的思維將曲面結(jié)構(gòu)細(xì)分成若干平直結(jié)構(gòu)，采用平直結(jié)構(gòu)建模出圖的方式，若這種方式能滿足設(shè)計(jì)制作要求，將極大程度的降低設(shè)計(jì)制造成本，提升效率。

2? ? ?項(xiàng)目簡介

我司為某海底隧道建造的鋼殼沉管結(jié)構(gòu)平面，如圖1所示：鋼殼結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)外面板、橫隔板、縱隔板、橫向加強(qiáng)筋、縱肋及焊釘組成，縱橫隔板將結(jié)構(gòu)分隔成多個(gè)封閉的混凝土澆筑獨(dú)立隔艙。本項(xiàng)目有6個(gè)管節(jié)為變徑管節(jié)（整個(gè)管節(jié)為縱向圓弧結(jié)構(gòu)），一個(gè)管節(jié)劃分為9個(gè)大環(huán)段、72個(gè)小分段，共41檔橫隔板。

變徑管節(jié)若采用曲面結(jié)構(gòu)三維建模，步驟復(fù)雜，橫向結(jié)構(gòu)與曲面板相互交接時(shí)，劃線均無法在套料冊(cè)中顯示，需手工進(jìn)行劃線的添加；在曲面結(jié)構(gòu)上需開孔時(shí)，可能導(dǎo)致孔的大小數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確及開孔丟失等問題；在現(xiàn)場建造過程中，曲面結(jié)構(gòu)也將導(dǎo)致胎架數(shù)據(jù)調(diào)整不便、現(xiàn)場劃線困難、曲面板精度控制難度大等問題；曲面板架和型材均需使用設(shè)備進(jìn)行加工，現(xiàn)場工作量大，成本費(fèi)用高，還將嚴(yán)重影響現(xiàn)場建造周期。

基于以上，為了降低設(shè)計(jì)與施工難度，提高建造效率及降低人工成本，考慮將縱向曲面結(jié)構(gòu)通過以直代曲的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到降本增效的目的。

3? ? 曲面結(jié)構(gòu)平直化設(shè)計(jì)方法

鋼殼隧道沉管變徑管節(jié)主體結(jié)構(gòu)，主要為內(nèi)外面板、縱隔板、橫隔板、縱肋和橫向加強(qiáng)筋，其所有橫向結(jié)構(gòu)都是以R5 000 m為圓心的發(fā)散型結(jié)構(gòu)，所有縱向結(jié)構(gòu)都是以R5 000 m弧線段為管節(jié)中心進(jìn)行偏移而形成的圓弧形結(jié)構(gòu)。

曲面結(jié)構(gòu)平直化設(shè)計(jì)方法，是在滿足拱高-10≤h≤10 mm的精度前提下，將分段的縱向結(jié)構(gòu)（包括縱向內(nèi)外面板、縱隔板及縱肋）量取兩端點(diǎn)連成一直線，以平面結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。該方法既可提高設(shè)計(jì)建模速度，解決套料冊(cè)劃線及結(jié)構(gòu)開孔問題，也可提高現(xiàn)場胎架制作效率，劃線簡便，精度控制測量便捷，減少曲面結(jié)構(gòu)的加工，極大的縮減產(chǎn)品整體建造周期和降低人工成本消耗。

3.1? ?曲面結(jié)構(gòu)與平直化結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)對(duì)比

1）板架建模對(duì)比

曲面板架建模：創(chuàng)建一個(gè)曲面板所在的曲面→在曲面上分別定義曲面板所需的曲面板縫→曲面板定義。

平面板架建模：定義平面板架屬性（定位面確定）→平面板定義。

通過上述曲面板與平面板架建模方式對(duì)比，可以看出：曲面建模要復(fù)雜很多，建模前需先創(chuàng)建一個(gè)曲面板所在的曲面，然后在該曲面上創(chuàng)建定義曲面板架所需的曲面板縫才能進(jìn)行曲面板的定義；平面板架建模，只需定義完板架屬性后，完成邊界定義即可完成平面板架的建模。

本鋼殼隧道沉管結(jié)構(gòu)為橫隔板連續(xù)縱隔板中斷，一道曲面縱向結(jié)構(gòu)被分隔為41塊縱隔板，即需把這41塊縱隔板的曲面板縫定義完才能完成此道縱向結(jié)構(gòu)的曲面板建模；將此道曲面縱向結(jié)構(gòu)平直化，僅需修改好每塊縱隔板板架屬性中的定位面，利用拓補(bǔ)關(guān)系修改邊界定義中前后邊界即可完成縱隔板平面板架的建模。相比而言，曲面板需提前定義好曲面及曲面板架所需的曲面板縫才可進(jìn)行曲面板的定義，本項(xiàng)目6個(gè)變徑管節(jié)共有1361x6= 8 166張曲面板架的曲面及曲面板縫需要定義，使用平直化設(shè)計(jì)方法將極大的提高縱向板架的建模效率。

2）型材建模對(duì)比

曲面型材建模：創(chuàng)建船體曲線（即跡線曲線） →定義船體曲線對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)簽→曲面型材定義。

平面型材建模：直接進(jìn)行扶強(qiáng)材定義。

通過上述曲面與平面型材建模方式對(duì)比，可以看出：曲面型材建模前，需要先創(chuàng)建該型材的船體曲線作為跡線曲線使用，再定義好該跡線曲線所對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)簽，在曲面型材定義的界面選取所需的跡線曲線、對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)簽及完成其他信息的填寫才可完成曲面型材的建模；平面型材建模是在平面板架命令欄中進(jìn)入扶強(qiáng)材定義界面，定義好所需扶強(qiáng)材的定位屬性及完成其他信息的填寫即可完成平面型材的建模。相比而言，曲面型材建模比平面型材建模多了創(chuàng)建跡線曲線和定義位置標(biāo)簽兩個(gè)步驟，本項(xiàng)目6個(gè)變徑管節(jié)共有382x6=2 292根船體曲線及其對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)簽需要定義，所以平直化設(shè)計(jì)方法將有效提高型材的建模效率。

3）拼板劃線圖對(duì)比

拼板圖（如圖2所示）中焊前尺寸是現(xiàn)場施工定位的依據(jù)，其計(jì)算公式為：焊前尺寸=理論尺寸+端口余量/補(bǔ)償量+內(nèi)部構(gòu)件焊接收縮量-端口焊接間隙；完工尺寸是現(xiàn)場組件驗(yàn)收的依據(jù)，其計(jì)算公式為：完工尺寸=理論尺寸+端口余量/補(bǔ)償量-端口焊接間隙；拼板劃線圖的零件可在套料冊(cè)中提取，進(jìn)行拼接后根據(jù)拼板圖要求準(zhǔn)確標(biāo)注拼板的焊前、完工及對(duì)角線尺寸，劃線圖應(yīng)以精度布置圖中設(shè)置好的基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)標(biāo)注板架中的劃線數(shù)據(jù)尺寸。

曲面結(jié)構(gòu)零件從軟件中導(dǎo)入后，套料冊(cè)是無結(jié)構(gòu)劃線的，所以做拼板劃線圖前需在曲面結(jié)構(gòu)零件圖進(jìn)行手工添加劃線后再將零件進(jìn)行拼接。手工添加劃線工作量大，且劃線尺寸需考慮到板架的端口余量、內(nèi)部構(gòu)件焊接收縮量、拼板焊接收縮量及端口焊接間隙，進(jìn)一步增大了手工劃線準(zhǔn)確性的難度；平直化結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)入后，套料冊(cè)上劃線完整顯示，零件上的劃線為焊前尺寸數(shù)據(jù)，可直接用于拼板劃線圖繪制。

在做拼板劃線圖時(shí)，需在劃線圖上標(biāo)出所有曲面結(jié)構(gòu)線各檔位距離基準(zhǔn)線的尺寸，標(biāo)注工作量大，容易造成標(biāo)注跑偏；平直結(jié)構(gòu)線只需標(biāo)出前后兩端點(diǎn)距離基準(zhǔn)線的尺寸。顯而易見，曲面結(jié)構(gòu)的拼板劃線圖繪制難度大、數(shù)據(jù)多、易出現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)注錯(cuò)誤及劃線不精確等問題。

4）斜板架定位數(shù)據(jù)圖

平直化結(jié)構(gòu)是由各個(gè)斜平面相接組成，為保證設(shè)計(jì)人員斜板架定位的準(zhǔn)確性和建模的便捷性，專門編制了斜板架定位數(shù)據(jù)圖，將各結(jié)構(gòu)的定位坐標(biāo)都在圖紙上體現(xiàn)出來，設(shè)計(jì)人員在建模時(shí)可直接復(fù)制圖紙上的數(shù)據(jù)進(jìn)行三點(diǎn)斜平面的坐標(biāo)定位，也保證了整個(gè)項(xiàng)目不同分段間斜平面坐標(biāo)的統(tǒng)一性，解決了相鄰分段板架對(duì)接錯(cuò)位的根源問題。

3.2? ?曲面結(jié)構(gòu)與平直化結(jié)構(gòu)現(xiàn)場建造對(duì)比

1）胎架對(duì)比

胎架布置前，先由精控人員用精度專用工具建立一個(gè)水平面，并將水平基準(zhǔn)線標(biāo)記于胎架支柱上，再根據(jù)胎位情況用激光經(jīng)緯儀或全站儀開出角尺，即胎架中心線標(biāo)記于地上，最后由施工班組根據(jù)胎架數(shù)據(jù)進(jìn)行胎架支柱高度的調(diào)整，高度數(shù)據(jù)需標(biāo)記于每根胎架支柱上，以便后續(xù)檢測使用?；罱j(luò)支柱胎架形式，如圖3所示。

曲面板胎架各個(gè)橫向支柱高度都不同，需根據(jù)設(shè)計(jì)提供的胎架數(shù)據(jù)精確調(diào)整到位；平面板胎架各支柱高度，根據(jù)板厚區(qū)域不同規(guī)整排列，方便調(diào)整。

胎架支柱報(bào)驗(yàn)要求方面，曲面胎架需進(jìn)行全檢，平直胎架僅需抽檢。

2）精度控制對(duì)比

在吊運(yùn)、擱置及焊接等過程中，都會(huì)引起鋼板的變形，在裝配前將零件擺放平整后進(jìn)行平整度測量，應(yīng)保證偏差≤1 mm/m，若是超過標(biāo)準(zhǔn)值需采用三星輥或火工進(jìn)行矯正；本隧道沉管鋼結(jié)構(gòu)曲面板曲率很小，需對(duì)曲面板使用水火彎板進(jìn)行曲度控制，曲面板加工前需繪制加工線，加工后使用活絡(luò)樣板進(jìn)行精度檢測，精控部門對(duì)于水火彎板的鋼板需進(jìn)行全檢；平面板精度測量方便，鋼板零件可用水準(zhǔn)儀或全站儀檢查鋼板的平整度，對(duì)于平整度不滿足要求的部位進(jìn)行矯正，達(dá)到精度要求即可。

3）劃線對(duì)比

零件下料加工完畢后，需由現(xiàn)場劃線班組根據(jù)設(shè)計(jì)提供的拼板劃線圖數(shù)據(jù)對(duì)零件進(jìn)行精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)劃線。

曲線劃線復(fù)雜，數(shù)據(jù)多且容易出錯(cuò)，劃線前需對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查核對(duì)，滿足精度要求后使用樣條進(jìn)行曲線劃線，人工成本占用較大；平直劃線僅需將前后兩點(diǎn)核對(duì)準(zhǔn)確，拉直彈線后在劃線中抽查幾個(gè)數(shù)據(jù)，滿足精度要求即可完成平直劃線工作。

4? ? 結(jié)束語

曲面結(jié)構(gòu)一直是鋼殼隧道沉管、船舶、橋梁建筑等結(jié)構(gòu)建造的難點(diǎn)，本文通過使用曲面結(jié)構(gòu)與平直化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造方式的對(duì)比，分析使用平直化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造的優(yōu)點(diǎn)，特別是在設(shè)計(jì)建模效率、現(xiàn)場胎架搭設(shè)、精度控制測量及現(xiàn)場劃線定位等方面的突出優(yōu)勢，能有效提升產(chǎn)品的建造效率及制作質(zhì)量，降低了建造成本。

該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案已在本司承建的鋼殼隧道沉管6個(gè)變徑管節(jié)的設(shè)計(jì)與建造中實(shí)施，對(duì)設(shè)計(jì)與建造效率都有著明顯的提升效果，保證了項(xiàng)目計(jì)劃的順利進(jìn)行，該方法將推廣使用在后續(xù)更多的新項(xiàng)目中。

參考文獻(xiàn)

[1] 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，?2002.

[2] 公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中華人民共和國交通運(yùn)輸部，?2017.