鋼圍堰運輸方案比選

徐佳力

(柳州東城投資開發有限公司，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修建時，圍堰是最常用的防水技術，隨著橋梁跨度的不斷增大，深水基礎及其圍堰也需要更大的尺寸規模[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、混凝土用量小等優點，因而在大跨橋梁深水基礎施工中得到了廣泛的應用[2-3]。

大型鋼圍堰一般由內、外壁板、壁間聯系件及底板組成，其中底板自重通常只為結構總重的10%～20%[4]，絕大部分重量集中在內外壁板及壁間聯系件上。加之壁板豎向剛度遠大于底板的面外剛度，所以運輸時極易出現壁板下端支撐區受力過大、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，后者易導致平板車部分模塊過載而出

現無法頂升、脫胎的現象。因此，大型鋼圍堰的整體運輸已成為其制造過程中中最為關鍵的一環。目前，關于鋼圍堰的絕大多數研究都集中在設計[5]與施工[6-8]方面，而對鋼圍運輸方案的研究卻鮮有報道。本文將就此問題進行研究。

1 工程概況

某橋南主墩鋼圍堰為雙壁鋼圍堰，其結構尺寸如圖1所示：外徑42 m，內徑39 m，高22 m，內、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，先由總拼位置運輸至碼頭(陸地運輸)，裝船后由長江運輸至橋位處(水上運輸)，本文僅對下部結構的陸地運輸進行分析。

圖1 鋼圍堰結構總體布置(單位：mm)

2 普通運輸方案分析

2.1 方案簡介

普通運輸方案是將鋼圍堰直接放置于液壓平板車上進行運輸，鋼圍堰一般不做特殊補強，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構的運輸，亦是本工程實例最初選用的運輸方法，即將鋼圍堰直接放置于四組液壓平板車上聯合運輸，液壓平板車布置方式及位置如圖2所示。

運輸車選用尼古拉斯液壓型平板動力車[9-10]，其單軸額定運載質量為30 t，每個模塊由四軸組成，額定運載質量120 t，每個液壓平板車組包含3個模塊，額定運載質量360 t。

圖2 液壓平板車布置(單位：mm)

2.2 模型建立

運用ANSYS軟件建模計算鋼圍堰在運輸時的力學響應及支點反力。鋼圍堰底板、內外壁板、隔艙板及其環向、豎向加勁選用SHELL63單元，壁間聯系、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，計算時不考慮材料和幾何非線性。

鋼圍堰運輸支撐面為底板HN400×200加勁梁下翼緣，為避免支點處加勁梁側向屈曲，支點位置選在縱、橫梁相交處(圖3)。所有支點均約束豎向位移(Z向)，為防止發生剛體位移，約束支點1的X、Y方向為平動和繞Z軸的轉動。

圖3 支點位置布置方式(1/4結構)(單位：mm)

2.3 普通運輸方案結果分析

采用普通方案運輸實例鋼圍堰時，鋼圍堰的應力分布如圖4所示，支點受力情況如表1。表1僅示1/4結構支點反力。由于結構、荷載對稱，其余支點的反力與此相同。

圖4 普通運輸方案鋼圍堰VonMises應力(單位：Pa)

t

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

由表1可知：(1)支點3處支反力最大為115 t，支點6和8反力最小為0.4 t，反應了液壓平板車在運輸過程中受力不均勻，甚至在支點9處出現了負的支反力；(2)處于鋼壁下緣的從動模塊(圖2)處的支點1～4反力總和為181.7 t，超過了單個模塊額定運載質量120 t，致使該模塊過載，無法順利頂升和脫胎；(3)有限元模型中支點約束采用的是固定支座，即支點位置不發生位移，但實際運輸時鋼圍堰底板會在支反力作用下上撓，這將進一步加大平板車負荷的不均勻性。

以上分析結果表明采用普通的運輸方案運輸大型鋼圍堰時，容易引起壁板支撐區域強度破壞或局部失穩；也容易導致液壓平板車部分模塊過載而出現無法頂升和脫胎的現象，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)，用支點位移控制支反力(方案B)。

3 兩種新的運輸方案

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，于鋼圍堰內部設置四道三角形桁架，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力水平，另一方面可加固鋼圍堰，提高穩定性能。三角型桁架由I 32b工字鋼構成，總重52.7 t，結構尺寸如圖5所示。

此外，為解決平板動力車受力不均勻、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，即將一般運輸方案中液壓平板車的被動受力轉化為通過千斤頂主動頂升來實現各支點受力均勻。

圖5 三角型桁架結構尺寸布置(單位：mm)

具體操作步驟為：(1)通過測量找到鋼圍堰支點位置，并在液壓平板車對應位置安放千斤頂；(2)送油并控制油壓表讀數，使千斤頂頂升力達到控制值，控制值Fc=結構自重M/支點總數N；(3)液壓平板車頂升、脫胎、運輸。

在有限元模型中，支點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1處約束條件同3.2節。經計算，該運輸方案下鋼圍堰最大應力為187 MPa(圖6)，滿足強度要求；由于是采用千斤頂主動地控制各支點反力，所以能保證每個支點受力均勻(表2)，避免了部分模塊過載的問題。

圖6 方案A鋼圍堰VonMises應力(單位：Pa)

t

本方案使用千斤頂的主要目的在于均衡支點受力，它雖能避免液壓平板車部分模塊過載和保證運輸中鋼圍堰安全，但此方案存在以下問題：(1)需要較多的千斤頂、油泵及相關操作人員，這極大地增加了運輸成本；(2)不易保證各千斤頂同步協調控制；(3)油泵、油管附屬設備需要在鋼圍堰運輸中同步移動，這要額外的運輸工具。

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

3.2 方案B：用支點位移控制支反力

方案B：通過調整支點位移來控制支反力，即依據支反力作用下產生的位移，先在支點位置預先墊高后，再進行液壓平板車的頂升和運輸，這相當于在支點處施加強制位移來控制支反力的大小。

具體方法為：(1)在方案A模型的計算結果中提取各支點豎向位移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處進行找平，以修正得到各支點預墊高量Δi=δi+ki+gi(ki,gi使Δi增大為正，反之為負)；(3)在各支點用楔形塊依據Δi進行墊高；(4)液壓平板車頂升、脫胎、運輸。

圖7 支點預墊高計算圖示

圖8 底板各支點豎向位移曲線(單位：mm)

方案B與方案A都是基于均衡支反力的目標提出的，因此同樣可以解決鋼圍堰壁板支撐區域應力過大的問題，從而保證結構運輸安全；還可避免平板車部分模塊超載，無法頂升、脫胎等現象。方案B較方案A也更容易實現，既能節省大量千斤頂及其附屬設備，又能減少相關操作人員，所以本文的工程實例也是采用方案B進行運輸，運輸圖片如圖9所示。

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

圖9 鋼圍堰現場運輸

4 結束語

本文針對大型鋼圍堰在整體運輸中容易出現液壓平板車部分模塊過載、鋼圍堰局部失穩等問題，結合工程實例，提出了兩種新的運輸方案，計算了新方案下鋼圍堰的力學響應，分析了兩種運輸方案各自的優缺點，根據上述分析得出

以下結論。

(1) 采用普通運輸方案，鋼圍堰局部應力值超限，易發生強度破壞和局部失穩，影響整體結構安全；液壓平板車受力不均，部分模塊容易超過模塊額定運載質量，致使無法順利頂升和脫胎。

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

(3) 采用方案A運輸鋼圍堰能實現支點受力均勻，將每一模塊受力控制在允許范圍之內，但具體操作需要大量千斤頂，人員以及增加附屬運輸設施，經濟效益不高，也難于協調控制所有千斤頂。

(4) 使用方案B運輸同樣能使支點受力均勻，且較A方案更易實現，經濟合理，既能使平板車受力均勻，又能節省大量千斤頂及其附屬設備，還能保證鋼圍堰運輸的安全，但需精確控制各支點的墊高量。

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

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