海洋环境中吊架法沉箱安装定位方法

谢达建

摘 要：通过数值模擬与理论分析相结合的方式，建立了双层吊架的有限元计算模型，同时分析了吊架法施工过程中不同波浪条件下吊架构件的内力和位移，从而分析了本文吊架的安全性，最后凝炼海洋环境中沉箱借住吊架进行安装定位的施工要点，形成海洋环境中沉箱吊架定位的施工工艺，保障海洋环境中沉箱的高效安装。

关键词：沉箱;施工工艺;吊架定位;高效安装

中图分类号：U655.54           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）07-0057-03

随着一带一路和海洋战略的不断推进，我国参与并修建了大量创新、高技术含量的人工岛。随着沉箱技术在我国水运工程中的普及，沉箱施工方面亦研究产生了多种工艺。施工工艺的改进和创新，使得沉箱应用在水工建筑物的应用上，缩短工期，节约各项成本，确保质量等方面优势越来越明显，因此其已在人工岛的建造过程中得到了广泛应用。沉箱的应用在土木工程中非常广泛、施工工艺和施工方法多样，除用作码头墙身结构外，还常用于地基沉降较小且无需深埋的基础，如防波堤的墙身、桥梁锚碇结构等。根据不同的外界施工条件和施工环境，通过技术经分析选择最优的工艺和方法，并在施工中不断改进、优化、创新和总结，对推动沉箱施工工艺走向安全、高效、成熟、先进和经济化，为以后沉箱施工工程提供参考和指导有着重大的意义。

然而，在当今处于复杂波浪作用下的如意岛沉箱施工中，沉箱吊运困难，施工速度受限，波浪和水流的影响均不能忽略，施工环境的复杂性和特殊性均迫使我们探寻一类适用于海洋环境中沉箱高效安装的方法。为此，本文通过数值方法建立海洋环境中沉箱安装中的吊架计算模型，分析吊架受力特征，为确保吊架安全分析提供理论支撑。基于数值结果，结合理论分析，提出海洋环境中沉箱借住吊架进行安装定位的分析方法。研究海洋环境中吊架法沉箱安装定位关键施工要点和工艺。基于所建立的海洋环境中沉箱安装全动态数值仿真模型，结合工程现状，提出海洋环境中吊架法沉箱安装定位的施工工艺。

1吊架设计

1.1吊架方案比选

本文结合海口如意岛填岛工程Ⅱ（西）标段工程进行研究和分析。

根据现场条件，可选的吊架方案有单层吊架、可动式吊架、双层吊架三种。单层吊架安全性能较差，不予考虑。由于可移动式吊架对设计及制作人员的要求较高且成本较高，本项目中最终选用双层吊架方案。

1.2沉箱吊架的参数设计

（1）根据实际预制沉箱仓数及沉箱重量设计。①现有能安定起吊4至6仓沉箱，因为其重量较轻且结构紧凑，因此在沉箱前后设计吊装孔，每边2个，总共4个起吊位置。②对于设计中的9至12仓沉箱，因其重量较重，前后趾面长度约20米，跨度较长，因此每边设计4个吊装孔，总共8个起吊位置。

（2）吊装架设计的重点是1700t以上沉箱的安全起吊并稳定使用。前期试吊结论认为，现有设备能够对6仓小沉箱安定起吊。本工程6仓沉箱最大重量约778t，考虑吊具及其他杂物和水的重量，最大重量达约850t，4个吊点，每个吊点平均承受重量约212.5t。

（3）本工程最重沉箱CX5cq2重1726t，考虑吊具及其他杂物和水的重量，将最大重量设置在1800t。吊装架将有8个起吊点，为了稳定结构，须使每个受力均匀，即使如此每个节点平均受力225t，对比4仓沉箱每个吊点平均承重增加约6%，因此认为，按现有工艺制作沉箱沉箱吊架时，仍能到达许用标准。

（4）特别注明吊架设计时，8条吊绳须垂直水平面，否则受力不均将造成安全隐患。

（5）吊架在满足受力结构的同时尽可能减少制作成本，以及维护成本。

基于本文选用的吊架方案，沉箱出运如下图所示：

图1  双层吊架方案沉箱水上出运

2 吊架结构计算理论

有限元法计算方法（FEM，Finite Element Method）是通过变分理论，使得误差函数尽可能达到最小值并产生稳定结果的计算方法。

2.1变分原理

变分法的理论原理是给定一个标量函数，其函数定义式如下：

式中，是位置函数;F和E分别是给定的微分算子。因此连续体问题的求解就是寻找函数，它对于任意的一个变化量，使得可以取得取驻值。因此，在求解连续体问题，对于任意的，它的变分是

（2）

这就定义了驻值条件。

如果一个实际问题可以简化出相应的变分原理，那么就意味着能够建立起适合于对该工程问题进行有限元法标准计算分析的积分方程，进一步得到近似的结果值。

2.2吊架结构计算流程

图2  计算流程图

3 吊架结构MIDAS模型

3.1计算模型与假设

吊架的杆件采用梁单元模型，吊绳采用索单元模型。为简化计算分析做出如下假定：

（1）起重机吊钩不发生偏转，为模型的边界。

（2）结构所有的重量集中在沉箱上，沉箱采用虚梁模拟，沉箱自重按照均布荷载加到虚梁单元上。

3.2材料参数

钢材：杆a为自定义钢材，吊架b采用Q345b级钢材。

沉箱混凝土：采用C40混凝土，密度设为0（虚梁）。

吊绳采用wire1470钢材模拟。

3.3截面特性

杆a：为外径1219mm，壁厚22mm的管型截面。

吊架b：为外径728mm，壁厚14mm的管型截面。

吊绳为双根，面积为单根的两倍，模型采用实际直径。

吊绳a：直徑237.6mm

吊绳b：直径186.7mm

吊绳c：直径127.3mm

3.4设计荷载

本工程最重沉箱CX5cq2重1726t，考虑吊具及其他杂物和水的重量，将最大重量设置在1800t。

结构静力计算，最不利荷载为沉箱完全悬浮于空气中，所有重量集中到沉箱上，设计荷载1800t。按照均布荷载加到沉箱的虚梁单元上。

3.5空间有限元模型

非线性有限元模型示意图如下：

图3  吊架有限元模型示意图

3.6模型结构分析

基于所建立的吊架有限元模型系统地研究了不同吃水深度下杆件的应力与变形规律：

随着沉箱从水面沉入水中至水下1m，2m，3m，吊架结构中吊绳a、b、c，杆a，吊架b所受的力和应力都逐渐减小，并且吊架变形符合标准。

由以上说明本项目中所采用的双层吊架的可靠性。

4 沉箱安装定位方法

第一件沉箱的下水安装，由于周围可视程度低并且没有辅助定位的参考物，因此只能进行粗安装，其安装只是为以后的其他沉箱精确安装创造条件。紧接着进行其他沉箱的粗定位。

粗定位之后，施工人员往沉箱中继续加水，沉箱下沉，当沉箱下沉到沉箱底面与目标基床床面的距离在0.3～0.5m范围内时，就可以对该沉箱进行精确的定位工作。

由在场测量人员利用高精度GPS定位仪器，对下沉施工中的沉箱的四个角点的坐标、标高高程进行监测，根据施工要求和实际情况，对沉箱进行注水（或抽水）操作，调整沉箱的漂浮状态，使其四个角点的标高相近或一致，前后方向的坡度与目标基床倒坡坡度相近或一致;同时可以操控卷扬机、手动葫芦来调整沉箱与沉箱之间的木方厚度，对沉箱之间的缝宽、错牙，偏位等进行调整，使其在施工要求和规范要求范围之内。

上面的调整流程完成之后，接着继续向沉箱中缓慢注水，同时不断仔细观察沉箱下沉的实时动态变化，及时进行偏位调整，使施工沉箱精确坐落于目标基床面上，稳定不偏移。

施工沉箱坐落于目标基床面上后，继续缓慢注水并不断测量观察沉箱的动态变化，调整各个仓箱的注水速度，且注水要均匀稳定，使沉箱不至于在注水过程中产生偏位。当沉箱中的水漫至沉箱上部隔墙预留的贯通圆孔位置处时，再次测量沉箱的偏位。当符合施工要求时，继续向沉箱加水到与潮水位相平时，施工沉箱安装的过程基本结束。详见沉箱安装示意图如4。

5 结论

本项目依托如意岛沉箱安装定位施工开展，进行吊架法沉箱安装定位研究。通过本项目的研究、实施与工程实践，从水运安全的需求出发，力求揭示沉箱吊架施工的工作性状，提升施工效率，节约劳动成本。

5.1本项目涉及以下关键技术

（1）明确了沉箱吊架的力学性质，分析了沉箱吊架的受力特征。

（2）多层次分析了双层吊架的可行性。

（3）建立了沉箱结构分析的有限元数值模型

（4）提出了吊架法沉箱定位施工关键技术。

5.2经过前面的计算分析，可得出以下结论

（1）利用有限元方法，分析了吊架在搬运沉箱中的受力情况，确定了对于不同的沉箱在不同海况下，吊架受力的安全性。

（2）吊架法在沉箱的运输过程中具有适用性强，高效，安全稳定等优点。

（3）吊架法在沉箱的安装定位中，可以减少船机设备的使用，控制施工成本。

（4）吊架法的沉箱安装定位施工技术，可以和吊、浮结合的沉箱运输施工方法进行高效的衔接，而且施工方便、提高效率。

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