孫壯，別社安，李偉，倪敏，張延輝

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；3.天津港（集團(tuán)）有限公司，天津 300461）

0 引言

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于軟土地基[1]，可用于建造防波堤、碼頭等結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)相比，在施工方面，省去了基槽挖泥、基床拋石、基床夯實(shí)和基床整平等一系列施工工序，簡化了基礎(chǔ)施工，現(xiàn)場作業(yè)時間短，風(fēng)險小，工程建設(shè)成本低，是一種值得推廣的新型結(jié)構(gòu)。針對箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，目前已有的出運(yùn)工藝[2-3]需要在陸地上對箱筒結(jié)構(gòu)分體預(yù)制，在半潛駁上拼裝，然后出運(yùn)。這種方法由于占用半潛駁時間過長，費(fèi)用高，效率低。

本文提出一種箱筒結(jié)構(gòu)整體出運(yùn)方案，在陸地對箱筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體預(yù)制，使用氣囊頂升、橫移、縱移至半潛駁，然后運(yùn)輸至現(xiàn)場下水安裝。

1 結(jié)構(gòu)形式及預(yù)制場平面布置

1.1 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由4個圓筒呈矩陣形排列，每個圓筒設(shè)有頂蓋板，相鄰圓筒間用豎向連接墻和水平頂板將4個圓筒連結(jié)成整體。上部擋浪結(jié)構(gòu)可采用多種形式，如直立墻、直立圓筒或半圓筒、橫臥半圓筒等。上下兩部分結(jié)構(gòu)連接成整體。結(jié)構(gòu)在水上采用氣浮拖運(yùn)、氣浮定位、抽負(fù)壓下沉安裝。

在已建的工程中，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（圖1）具有下述尺度。

圖1 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Bucket foundation structure

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：由4個相同的圓筒組成，單筒外徑11.8m，筒高9m；圓筒連接處間距3.4m，頂板厚0.5m。結(jié)構(gòu)總長和總寬均為27.0m。

上部圓筒：由2個單筒組成，外徑12.1m，高7m，連接墻厚0.6m。

圈梁：上部圓筒與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的頂板間有連接圈梁，其外徑13.5m，高1.2m。

單個箱筒結(jié)構(gòu)的總重量約2852 t。

1.2 運(yùn)輸?shù)装?/h3>

由于箱筒結(jié)構(gòu)底部為空心結(jié)構(gòu)，利用氣囊出運(yùn)時，為保證氣囊與結(jié)構(gòu)底部完全接觸，使氣囊受力均勻，需要在箱筒結(jié)構(gòu)底部預(yù)先放置一個底板，運(yùn)輸時，箱筒結(jié)構(gòu)坐落在運(yùn)輸?shù)装迳?，由氣囊頂升運(yùn)輸?shù)装?，然后滾動運(yùn)輸。

為確保運(yùn)輸穩(wěn)定、箱筒結(jié)構(gòu)不受破壞，采用抹角正方形混凝土運(yùn)輸?shù)装澹鐖D2、圖3所示。運(yùn)輸?shù)装宓某叽鐬椋?0m×30m×0.5m，總重量為1078 t，采用滾動氣囊協(xié)助運(yùn)輸。

圖2 縱移方案預(yù)制場平面布置Fig.2 layout of precast yard by longitudinal movement scheme

圖3 橫斷面圖Fig.3 Cross section draw ing

1.3 預(yù)制場平面布置

根據(jù)碼頭岸線的長度，預(yù)制場的平面布置可分為兩種類型。第一種為橫縱移方案，半潛駁定點(diǎn)靠岸泊位，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需先橫移、后縱移，然后出運(yùn)。第二種為縱移方案，兩艘半潛駁同時或一艘半潛駁分時靠岸泊位，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制完成后，直接縱移出運(yùn)，如圖2所示。兩種方案均需修建頂升臺，其橫斷面如圖3所示。

2 出運(yùn)工藝

2.1 工藝流程

橫縱移方案的氣囊出運(yùn)施工工藝流程見圖4。

圖4 出運(yùn)工藝流程Fig.4 Transportation technological process

縱移方案出運(yùn)工藝比橫縱移方案少橫移及橫縱移轉(zhuǎn)換兩步，其他均相同。

2.2 關(guān)鍵工藝

2.2.1 箱筒結(jié)構(gòu)預(yù)制期間底板支撐

箱筒結(jié)構(gòu)預(yù)制期間，由于運(yùn)輸?shù)装逶陧斏_位置懸空，為防止底板破壞，在底部加入14個氣囊，氣壓100 kPa，作為支撐，如圖5所示。箱筒結(jié)構(gòu)預(yù)制完成后，加入前后方4個氣囊，所有氣囊同步充氣頂升。采用水下氣囊的處理方法，氣囊兩頭安有360°旋轉(zhuǎn)快接頭，在快接頭上連接高壓氣管，以便進(jìn)行充氣和氣壓監(jiān)測。

圖5 箱筒結(jié)構(gòu)預(yù)制期間底板支撐Fig.5 The floor support during the prefabrication of bucket structure

2.2.2 滾動運(yùn)輸

滾動運(yùn)輸時，需16個氣囊，但實(shí)際操作時，需要不斷在前方放入新氣囊，在后方撤出氣囊，實(shí)際作業(yè)氣囊保證在16～18個之間，此過程中，最危險的工況為只有16個氣囊的情況。

2.2.3 橫縱移轉(zhuǎn)換

為防止運(yùn)輸?shù)装迤茐?，橫縱移轉(zhuǎn)換必須分步進(jìn)行，各步驟對應(yīng)的情況如圖6所示。

圖6 橫縱移轉(zhuǎn)換步驟Fig.6 Transformation steps from transverse movement into longitudinal movement

第1步：插入3個縱移氣囊，充氣；并在運(yùn)輸?shù)装逅慕羌尤雺|板，以保證轉(zhuǎn)換過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

第2步：先對左上角橫移氣囊中的4個進(jìn)行放氣，然后取出；第3步：放入左上角縱移氣囊，進(jìn)行充氣；第4步：按前兩步方法，將右上角的橫移氣囊放氣取出，放入縱移氣囊，充氣；

第5步：按前幾步方法，依次將下方的橫移氣囊取出，安放縱移氣囊；

第6步：將中間兩個氣囊放氣取出，橫縱移轉(zhuǎn)換完成，準(zhǔn)備進(jìn)行縱移。

2.2.4 登船過程

由于是非坐底式半潛駁，因波浪作用、壓倉水調(diào)節(jié)不及時等原因，半潛駁甲板與碼頭前沿不可避免會出現(xiàn)一定高差，可以通過調(diào)整半潛駁的壓倉水，將半潛駁甲板與碼頭前沿的高差控制在一定范圍內(nèi)。

因氣囊為柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)壓力分布不均勻時，可以自行調(diào)節(jié)，以確保運(yùn)輸?shù)装迨芰鶆?。但?dāng)半潛駁上下浮動時，氣囊會出現(xiàn)瞬間壓力變大或變小的情況，因此需要對氣囊出現(xiàn)瞬間壓力變大的情況進(jìn)行驗(yàn)算。

本文按瞬間出現(xiàn)最大20 cm的高差，對氣囊及運(yùn)輸?shù)装宓膹?qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1 底板強(qiáng)度驗(yàn)算

箱筒結(jié)構(gòu)完全坐落在運(yùn)輸?shù)装迳希虼?，不需要對箱筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

采用Abaqus有限元軟件對整個出運(yùn)過程的危險工況進(jìn)行模擬，以確定在預(yù)制、頂升、運(yùn)輸、橫縱移轉(zhuǎn)換的每一步過程中運(yùn)輸?shù)装宓氖芰?，確定底板厚度，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并根據(jù)受力情況進(jìn)行配筋。各工況驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)輸?shù)装鍙?qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果Table 1 Test results of the strength of transportation floor

計(jì)算結(jié)果顯示，箱筒結(jié)構(gòu)與運(yùn)輸?shù)装褰佑|位置，應(yīng)力集中，具體施工時，可在接觸位置加墊鋼板，以分散應(yīng)力，在運(yùn)輸?shù)装鍛?yīng)力集中位置配鋼筋網(wǎng)。經(jīng)驗(yàn)算，底板厚度取500mm可滿足要求。

3.2 地基強(qiáng)度驗(yàn)算

各工況下，地基應(yīng)力最大值為263 kPa，需根據(jù)實(shí)際預(yù)制場所在地的地質(zhì)情況，對地基進(jìn)行適當(dāng)處理，以滿足施工要求。

3.3 氣囊驗(yàn)算

滾動運(yùn)輸時，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸?shù)装宓脑O(shè)計(jì)總運(yùn)輸重量為4500 t。

頂升臺高200mm，為放入橫移氣囊留出空間，頂升后保證運(yùn)輸?shù)装咫x地面200mm，氣囊工作高度為400mm。

如圖7所示，氣囊受壓時，橫截面可以視為1個矩形與2個半圓形的組合，半圓的直徑為氣囊的工作高度[4]。所選取的氣囊及參數(shù)如表2和表3所示。

圖7 氣囊及其工作狀態(tài)Fig.7 Gasbag and its operating mode

表2 氣囊選取Table 2 Gasbag selection

表3 氣囊參數(shù)Table3 Gasbag parameters

為防止?jié)L動氣囊壓疊在一起，一般要求氣囊間距不小于氣囊直徑。本方案中，滾動氣囊間距1.8m，滿足要求。

3.4 牽引力驗(yàn)算

參考箱涵結(jié)構(gòu)出運(yùn)的阻力系數(shù)[5]，箱筒結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸過程中，其阻力系數(shù)u取0.03，牽引力為1323 kN。

啟動時，可通過減小前方氣囊氣壓，使箱筒結(jié)構(gòu)前傾，達(dá)到啟動目的。制動時與之相反。

4 結(jié)語

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體預(yù)制的氣囊出運(yùn)方法是可行的，且具有結(jié)構(gòu)整體預(yù)制質(zhì)量好、效率高、工程建設(shè)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但該出運(yùn)方法也有不利之處，預(yù)制場地需要的地基承載力較大、需要建造較多數(shù)量的運(yùn)輸?shù)装濉?/p>

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[5] 宋建東.大型預(yù)制構(gòu)件出運(yùn)及水上安裝施工技術(shù)[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.SONG Jian-dong.Construction technique of the large-scale component convey and installation on the water[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University，2005.