特高壓線路河網區域施工水面臨時作業平臺結構設計

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。在傳統情況下，施工設備在水上作業時一般采用專用的大型駁船或躉船，此方式具有結構簡單，安全性高的優勢。但是在河網區域河湖密集交織，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。

針對河網區域的施工，目前國內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，經濟性較差；鋼管樁平臺[4]的搭設難度較大，打樁速度較慢，資金投入太大。相比之下，浮式平臺穩定性較好，移位方便，轉場效率較高[5]。

本文開展了水面施工臨時作業平臺搭設結構及其施工穩定性等方面的研究，詳細設計了適用于河網區域水面施工的浮式平臺，并從穩定性和實用性等多個角度，采用理論與數值方法相結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計施工提供了理論依據和設計參考。

1 浮式平臺結構設計

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

根據施工設備的外形尺寸（長×寬×高為7 000 mm×2 000 mm×2 800 mm）、自重（7 000 kg）等關鍵參數確定平臺的關鍵尺寸。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 鋼結構模塊化拼接

鋼結構整體由若干鋼結構模塊拼接而成，拼接后的三維效果如圖2所示。鋼結構上方鋪有鋼板，鋼板與鋼結構模塊的型鋼之間采用螺栓固接。單個鋼結構模塊重量為353.1 kg，且基本尺寸長×寬×高為5 m×2.5 m×0.01 m。鋼結構模塊的拼接方式包括鉸接和螺栓固接兩種方式，長邊一側采用螺栓固接，寬邊一側采用鉸鏈銷軸連接，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，施工設備在平臺上行駛或作業時垂向位移變大，但由于模塊間可產生一定位移，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 浮式平臺鋼結構拼接后三維效果圖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備和所吊塔材的重量。

鋼結構和浮體的模塊化處理使實際應用中平臺的尺寸便于調整，也方便了轉場與現場安裝，實現了平臺的重復使用，滿足工程中的經濟性要求。

1.3 浮式平臺岸邊結構

在施工過程中，最危險的工況是在施工設備進入平臺時，由于平臺僅有少量浮體提供浮力，平臺進口處產生較大的垂向位移，施工設備極易翻落水中。為了解決該問題，如圖3所示，首先浮式平臺岸邊應做斜坡處理，且在浮式平臺1 m區間做混凝土凹槽，并在浮式平臺進口處底部布置支撐結構，從而使設備上下平臺時，平臺進口處底部與混凝土基礎接觸，起到支撐作用；其次在岸邊與平臺進口處采用兩座鋼結構踏板過渡，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 浮式平臺岸邊結構Fig.3 Structures of the floating platform on river bank

2 浮式平臺橫傾穩定性分析

在施工作業進行時，由于受到施工設備和塔材重量及施工過程中產生的慣性力和沖擊等的作用，平臺會因平衡狀態受到破壞產生傾斜。平臺在外力干擾下產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，是在平臺設計過程中對其穩定性要考慮的問題[6]。本文主要考慮平臺的橫傾穩定性[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，根據計算得重心G（0,0.685 6 m），設重心位置不變，AB為初始平衡狀態下的水線位置[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。根據公式

計算回復力臂l，根據公式

計算回復力矩M。

計算利用MATLAB編程來實現，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。根據計算結果，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，假設平臺右側達到出水的臨界點，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系。在當傾斜角度α=0.443°時，回復力矩M=6 374 kN·m。施工設備和塔材的自重所引起的力矩最大值為2 352 kN·m，在平臺的橫傾穩定性的安全范圍內，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構變形等，柔性較大，因此還需要通過數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，需要對不同構件采用對應單元進行網格劃分，并根據所需解決的問題設置單元特性選項，定義實常數，最后形成整體有限元模型。

3.1 鋼構模塊中型材的模擬及整體鋼結構的形成

建立構成整體鋼結構的鋼構模塊時，本文采用3D線性有限應變梁單元[11]——BEAM188單元來模擬其型材以提高建模效率。針對鋼結構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）和節點合并（nummrg命令）分別進行模擬。

3.2 鋼構模塊上鋪鋼板的模擬

為模擬上鋪在鋼構模塊的鋼板，采用SHELL63單元[12]來模擬，該單元是4節點彈性殼單元，具有彎曲和膜特性，能承受面內和法向荷載，可通過定義實常數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，與鋼結構之間沒有直接連接，僅僅通過與鋼結構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，這種由于結構排水體積變化引起的結構回復力的變化，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系，通過計算可得單個鋼構模塊底部型材各節點的水彈簧剛度。以單個鋼構模塊為例，單個鋼構在吃水深度h下所受浮力為

上式中S底為單個鋼構模塊底部面積，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。根據水彈簧的定義則有

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

表1 鋼構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[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，實現浮式平臺的固定。錨固定位系統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構的模擬

當設備進入平臺時，支撐結構與底部混凝土基礎接觸，當設備走過一段距離后，支撐結構由于浮體浮力又脫離與混凝土基礎之間的接觸。由此可知，支撐結構與混凝土基礎之間接觸與否，與起重設備或塔材在平臺上的位置相關，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，必然造成計算規模過大的問題，因此本文采用非線性彈簧COMBIN39對支撐結構和混凝土基礎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，各單元數量如表2所示，節點總數為76 176個。

表2 單元數量表Tab.2 Number of various units

4 不同工況計算結果及分析

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：施工設備進入平臺使其受載后，進口底部支架與混凝土基礎接觸，利用該工況判斷進口處鋼結構及底部支架是否滿足實際工程要求。

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

工況四：施工設備到達施工工位處，擬起吊的塔材到達起吊區域，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生傾斜坡度過大的問題，并且施工設備所在區域可能存在鋼構模塊或鋼板應力集中的情況，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 計算結果及分析

有限元分析后，可得以下結論：

（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。基于吃水與排水量的關系，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果與有限元計算結果非常接近，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構以及底部支撐結構在該工況中受力較大，最大綜合應力為154 MPa，如圖8所示，滿足強度要求。

圖8 進口處鋼結構綜合應力分布（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，當施工設備位于距離進口5 m處，即鋼構模塊鉸接位置，平臺進口廊道會產生較大垂向位移，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，發生在兩鋼構模塊連接處，如果浮體采用單層浮筒構建，該處將由于受到施工設備較大的自重載荷浸入水中，由此實際工程中應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力分布如圖10所示，最大綜合應力為305 MPa，已超過了材料屈服極限，發生在平臺左側邊緣處，與起重設備工位和塔材（塔材中心距離平臺左側邊緣2.5 m）堆放位置比較靠近平臺左側邊緣有關，因此在平臺實際使用工況中，應注意塔材堆放位置以及起重設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邊緣距離的增大，最大綜合應力快速降低，降低趨勢近似于線性，圖12為塔材中心距離平臺左側邊緣3.5 m時鋼板綜合應力分布情況，最大綜合應力已經降為142 MPa，滿足強度要求。

圖10 浮式平臺鋼板綜合應力分布（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，位移較大區域明顯增大；浮式平臺鋼結構綜合應力分布如圖14所示，最大綜合應力為278 MPa，鋼構模塊連接位置存在局部應力集中情況，后期在工程實際施工中，鋼構模塊連接區域應進行補強處理。

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 鋼結構綜合應力分布（工況五）Fig.14 Stress contour of steel structure in operation condition 5

5 結語

本文針對某特高壓工程湖北河網區域施工特點，開展了水面施工臨時作業平臺搭設結構及其施工穩定性等方面的研究，詳細設計了水面施工臨時作業平臺，并對鋼構和浮體的模塊化拼接方式、岸邊支撐結構進行了詳細介紹；并通過橫傾穩定性理論計算，驗證了平臺的回復力矩等參數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平臺的具體實施提供參考依據。

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