海洋環(huán)境中吊架法沉箱安裝定位方法

謝達建

摘 要：通過數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方式，建立了雙層吊架的有限元計算模型，同時分析了吊架法施工過程中不同波浪條件下吊架構(gòu)件的內(nèi)力和位移，從而分析了本文吊架的安全性，最后凝煉海洋環(huán)境中沉箱借住吊架進行安裝定位的施工要點，形成海洋環(huán)境中沉箱吊架定位的施工工藝，保障海洋環(huán)境中沉箱的高效安裝。

關(guān)鍵詞：沉箱;施工工藝;吊架定位;高效安裝

中圖分類號：U655.54? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）07-0057-03

隨著一帶一路和海洋戰(zhàn)略的不斷推進，我國參與并修建了大量創(chuàng)新、高技術(shù)含量的人工島。隨著沉箱技術(shù)在我國水運工程中的普及，沉箱施工方面亦研究產(chǎn)生了多種工藝。施工工藝的改進和創(chuàng)新，使得沉箱應(yīng)用在水工建筑物的應(yīng)用上，縮短工期，節(jié)約各項成本，確保質(zhì)量等方面優(yōu)勢越來越明顯，因此其已在人工島的建造過程中得到了廣泛應(yīng)用。沉箱的應(yīng)用在土木工程中非常廣泛、施工工藝和施工方法多樣，除用作碼頭墻身結(jié)構(gòu)外，還常用于地基沉降較小且無需深埋的基礎(chǔ)，如防波堤的墻身、橋梁錨碇結(jié)構(gòu)等。根據(jù)不同的外界施工條件和施工環(huán)境，通過技術(shù)經(jīng)分析選擇最優(yōu)的工藝和方法，并在施工中不斷改進、優(yōu)化、創(chuàng)新和總結(jié)，對推動沉箱施工工藝走向安全、高效、成熟、先進和經(jīng)濟化，為以后沉箱施工工程提供參考和指導(dǎo)有著重大的意義。

然而，在當(dāng)今處于復(fù)雜波浪作用下的如意島沉箱施工中，沉箱吊運困難，施工速度受限，波浪和水流的影響均不能忽略，施工環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性均迫使我們探尋一類適用于海洋環(huán)境中沉箱高效安裝的方法。為此，本文通過數(shù)值方法建立海洋環(huán)境中沉箱安裝中的吊架計算模型，分析吊架受力特征，為確保吊架安全分析提供理論支撐。基于數(shù)值結(jié)果，結(jié)合理論分析，提出海洋環(huán)境中沉箱借住吊架進行安裝定位的分析方法。研究海洋環(huán)境中吊架法沉箱安裝定位關(guān)鍵施工要點和工藝。基于所建立的海洋環(huán)境中沉箱安裝全動態(tài)數(shù)值仿真模型，結(jié)合工程現(xiàn)狀，提出海洋環(huán)境中吊架法沉箱安裝定位的施工工藝。

1吊架設(shè)計

1.1吊架方案比選

本文結(jié)合海口如意島填島工程Ⅱ（西）標(biāo)段工程進行研究和分析。

根據(jù)現(xiàn)場條件，可選的吊架方案有單層吊架、可動式吊架、雙層吊架三種。單層吊架安全性能較差，不予考慮。由于可移動式吊架對設(shè)計及制作人員的要求較高且成本較高，本項目中最終選用雙層吊架方案。

1.2沉箱吊架的參數(shù)設(shè)計

（1）根據(jù)實際預(yù)制沉箱倉數(shù)及沉箱重量設(shè)計。①現(xiàn)有能安定起吊4至6倉沉箱，因為其重量較輕且結(jié)構(gòu)緊湊，因此在沉箱前后設(shè)計吊裝孔，每邊2個，總共4個起吊位置。②對于設(shè)計中的9至12倉沉箱，因其重量較重，前后趾面長度約20米，跨度較長，因此每邊設(shè)計4個吊裝孔，總共8個起吊位置。

（2）吊裝架設(shè)計的重點是1700t以上沉箱的安全起吊并穩(wěn)定使用。前期試吊結(jié)論認為，現(xiàn)有設(shè)備能夠?qū)?倉小沉箱安定起吊。本工程6倉沉箱最大重量約778t，考慮吊具及其他雜物和水的重量，最大重量達約850t，4個吊點，每個吊點平均承受重量約212.5t。

（3）本工程最重沉箱CX5cq2重1726t，考慮吊具及其他雜物和水的重量，將最大重量設(shè)置在1800t。吊裝架將有8個起吊點，為了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，須使每個受力均勻，即使如此每個節(jié)點平均受力225t，對比4倉沉箱每個吊點平均承重增加約6%，因此認為，按現(xiàn)有工藝制作沉箱沉箱吊架時，仍能到達許用標(biāo)準(zhǔn)。

（4）特別注明吊架設(shè)計時，8條吊繩須垂直水平面，否則受力不均將造成安全隱患。

（5）吊架在滿足受力結(jié)構(gòu)的同時盡可能減少制作成本，以及維護成本。

基于本文選用的吊架方案，沉箱出運如下圖所示：

圖1? 雙層吊架方案沉箱水上出運

2 吊架結(jié)構(gòu)計算理論

有限元法計算方法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是通過變分理論，使得誤差函數(shù)盡可能達到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定結(jié)果的計算方法。

2.1變分原理

變分法的理論原理是給定一個標(biāo)量函數(shù)，其函數(shù)定義式如下：

式中，是位置函數(shù);F和E分別是給定的微分算子。因此連續(xù)體問題的求解就是尋找函數(shù)，它對于任意的一個變化量，使得可以取得取駐值。因此，在求解連續(xù)體問題，對于任意的，它的變分是

（2）

這就定義了駐值條件。

如果一個實際問題可以簡化出相應(yīng)的變分原理，那么就意味著能夠建立起適合于對該工程問題進行有限元法標(biāo)準(zhǔn)計算分析的積分方程，進一步得到近似的結(jié)果值。

2.2吊架結(jié)構(gòu)計算流程

圖2? 計算流程圖

3 吊架結(jié)構(gòu)MIDAS模型

3.1計算模型與假設(shè)

吊架的桿件采用梁單元模型，吊繩采用索單元模型。為簡化計算分析做出如下假定：

（1）起重機吊鉤不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為模型的邊界。

（2）結(jié)構(gòu)所有的重量集中在沉箱上，沉箱采用虛梁模擬，沉箱自重按照均布荷載加到虛梁單元上。

3.2材料參數(shù)

鋼材：桿a為自定義鋼材，吊架b采用Q345b級鋼材。

沉箱混凝土：采用C40混凝土，密度設(shè)為0（虛梁）。

吊繩采用wire1470鋼材模擬。

3.3截面特性

桿a：為外徑1219mm，壁厚22mm的管型截面。

吊架b：為外徑728mm，壁厚14mm的管型截面。

吊繩為雙根，面積為單根的兩倍，模型采用實際直徑。

吊繩a：直徑237.6mm

吊繩b：直徑186.7mm

吊繩c：直徑127.3mm

3.4設(shè)計荷載

本工程最重沉箱CX5cq2重1726t，考慮吊具及其他雜物和水的重量，將最大重量設(shè)置在1800t。

結(jié)構(gòu)靜力計算，最不利荷載為沉箱完全懸浮于空氣中，所有重量集中到沉箱上，設(shè)計荷載1800t。按照均布荷載加到沉箱的虛梁單元上。

3.5空間有限元模型

非線性有限元模型示意圖如下：

圖3? 吊架有限元模型示意圖

3.6模型結(jié)構(gòu)分析

基于所建立的吊架有限元模型系統(tǒng)地研究了不同吃水深度下桿件的應(yīng)力與變形規(guī)律：

隨著沉箱從水面沉入水中至水下1m，2m，3m，吊架結(jié)構(gòu)中吊繩a、b、c，桿a，吊架b所受的力和應(yīng)力都逐漸減小，并且吊架變形符合標(biāo)準(zhǔn)。

由以上說明本項目中所采用的雙層吊架的可靠性。

4 沉箱安裝定位方法

第一件沉箱的下水安裝，由于周圍可視程度低并且沒有輔助定位的參考物，因此只能進行粗安裝，其安裝只是為以后的其他沉箱精確安裝創(chuàng)造條件。緊接著進行其他沉箱的粗定位。

粗定位之后，施工人員往沉箱中繼續(xù)加水，沉箱下沉，當(dāng)沉箱下沉到沉箱底面與目標(biāo)基床床面的距離在0.3～0.5m范圍內(nèi)時，就可以對該沉箱進行精確的定位工作。

由在場測量人員利用高精度GPS定位儀器，對下沉施工中的沉箱的四個角點的坐標(biāo)、標(biāo)高高程進行監(jiān)測，根據(jù)施工要求和實際情況，對沉箱進行注水（或抽水）操作，調(diào)整沉箱的漂浮狀態(tài)，使其四個角點的標(biāo)高相近或一致，前后方向的坡度與目標(biāo)基床倒坡坡度相近或一致;同時可以操控卷揚機、手動葫蘆來調(diào)整沉箱與沉箱之間的木方厚度，對沉箱之間的縫寬、錯牙，偏位等進行調(diào)整，使其在施工要求和規(guī)范要求范圍之內(nèi)。

上面的調(diào)整流程完成之后，接著繼續(xù)向沉箱中緩慢注水，同時不斷仔細觀察沉箱下沉的實時動態(tài)變化，及時進行偏位調(diào)整，使施工沉箱精確坐落于目標(biāo)基床面上，穩(wěn)定不偏移。

施工沉箱坐落于目標(biāo)基床面上后，繼續(xù)緩慢注水并不斷測量觀察沉箱的動態(tài)變化，調(diào)整各個倉箱的注水速度，且注水要均勻穩(wěn)定，使沉箱不至于在注水過程中產(chǎn)生偏位。當(dāng)沉箱中的水漫至沉箱上部隔墻預(yù)留的貫通圓孔位置處時，再次測量沉箱的偏位。當(dāng)符合施工要求時，繼續(xù)向沉箱加水到與潮水位相平時，施工沉箱安裝的過程基本結(jié)束。詳見沉箱安裝示意圖如4。

5 結(jié)論

本項目依托如意島沉箱安裝定位施工開展，進行吊架法沉箱安裝定位研究。通過本項目的研究、實施與工程實踐，從水運安全的需求出發(fā)，力求揭示沉箱吊架施工的工作性狀，提升施工效率，節(jié)約勞動成本。

5.1本項目涉及以下關(guān)鍵技術(shù)

（1）明確了沉箱吊架的力學(xué)性質(zhì)，分析了沉箱吊架的受力特征。

（2）多層次分析了雙層吊架的可行性。

（3）建立了沉箱結(jié)構(gòu)分析的有限元數(shù)值模型

（4）提出了吊架法沉箱定位施工關(guān)鍵技術(shù)。

5.2經(jīng)過前面的計算分析，可得出以下結(jié)論

（1）利用有限元方法，分析了吊架在搬運沉箱中的受力情況，確定了對于不同的沉箱在不同海況下，吊架受力的安全性。

（2）吊架法在沉箱的運輸過程中具有適用性強，高效，安全穩(wěn)定等優(yōu)點。

（3）吊架法在沉箱的安裝定位中，可以減少船機設(shè)備的使用，控制施工成本。

（4）吊架法的沉箱安裝定位施工技術(shù)，可以和吊、浮結(jié)合的沉箱運輸施工方法進行高效的銜接，而且施工方便、提高效率。

參考文獻：

[1]陳東明，黃建陽.大型沉箱沒水安裝施工新工藝[J].水運工程，2005（1）：76-79

[2]陳萬佳.港口水工建筑物[M]. 北京：人民交通出版社，1995.

[3]邱駒. 港工建筑物[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2002.

[4]郝夕青.沉箱預(yù)制場地及下水工藝的比較[J].水運工程，2006（3）：83-84

[5]馬常增，重力式沉箱碼頭在施工過程中的質(zhì)量控制[J]，港工技術(shù)，2003（12）