新型浮式塢門的擋水扶壁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點簡析

馬 勇，張宏銓，陳良志，覃 杰

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510290）

引言

隨著海洋工程的大型化和海底沉管隧道項目的快速發(fā)展，沉管預(yù)制廠的規(guī)模越來越大，“工廠法”預(yù)制沉管的工藝也受到更多青睞。因“工廠法”沉管預(yù)制廠需塢內(nèi)蓄水，塢內(nèi)水位高于塢外，塢門所承受的水壓力比傳統(tǒng)干船塢增大數(shù)倍，這給塢門的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了更大的挑戰(zhàn)[1]。

港珠澳大橋沉管預(yù)制廠是全球第二次、國內(nèi)首次采用“工廠法”預(yù)制沉管管節(jié)，為了滿足工廠化流水線生產(chǎn)沉管的技術(shù)要求，廠區(qū)設(shè)置了深塢和淺塢兩個功能區(qū)[2]，廠區(qū)的平面布置如圖1 所示。

圖1 預(yù)制廠平面布置

其中，深塢塢口是沉管出塢的咽喉，為滿足塢內(nèi)蓄水和管節(jié)出塢的功能需求，深塢塢門采用具備啟閉功能的浮塢門結(jié)構(gòu)：塢內(nèi)蓄水時，塢門浮運至塢口下沉關(guān)閉擋水；沉管出運時，塢門起浮開啟，浮運至存放區(qū)。根據(jù)管節(jié)尺寸及其出塢要求，塢口的設(shè)計寬度為61 m、高度為29.1 m，塢內(nèi)蓄水滿載期間，塢門內(nèi)外最大水頭差達到15.87 m，塢口尺寸和擋水荷載決定了浮塢門的尺寸龐大[3]。受限于現(xiàn)場條件和施工工序要求，浮塢門需在現(xiàn)場預(yù)制，經(jīng)論證分析，最終選用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)。但因塢門的結(jié)構(gòu)尺寸龐大，若整體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其自重高達1.7 萬t，過大的結(jié)構(gòu)自重將導(dǎo)致塢門浮運時的吃水過深、底部富余水深不足，在浮運過程中存在較大的傾斜擱淺風(fēng)險。為解決這一難題，創(chuàng)新提出了一種結(jié)構(gòu)合理、浮游穩(wěn)定性高、安全可靠的鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)組合沉箱重力式浮塢門結(jié)構(gòu)，有效保證了港珠澳大橋沉管預(yù)制廠的順利運行。本文將針對該新型浮式塢門中擋水鋼扶壁的設(shè)計要點進行闡述，以期為其它項目提供有價值的參考，推動該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 設(shè)計理念

為保證浮塢門的浮運安全，必須增強塢門自身的定傾穩(wěn)定和確保底部足夠的富余水深。增強定傾穩(wěn)定需要降低塢門重心、增加自身定傾高度；足夠的底部富余水深要求降低結(jié)構(gòu)自重，減小浮運吃水。基于上述兩方面的要求，通過在塢門結(jié)構(gòu)的臨海側(cè)中部設(shè)置擋水鋼結(jié)構(gòu)，取代部分鋼筋混凝土壁板，可在滿足浮塢門擋水要求的前提下，盡量降低浮塢門的自重和重心高度，從而有效保證浮塢門的浮運安全。

浮塢門的下部采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，可選用水運工程中常用的沉箱結(jié)構(gòu)，但需設(shè)計為“凹”字型，將中間的部分混凝土壁板取消；兩側(cè)高出的混凝土箱格之間，在臨海側(cè)設(shè)置擋水鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土沉箱組合的塢門結(jié)構(gòu)[4]。針對這種組合結(jié)構(gòu)，上部擋水鋼結(jié)構(gòu)既要滿足擋水條件下自身強度要求，又要保證與下部混凝土沉箱的良好連接，確保良好的止水效果。

1.2 結(jié)構(gòu)選型

基于上述設(shè)計理念，深塢浮塢門設(shè)計為新型的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，由下部鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)與上部擋水鋼扶壁組合而成，整體尺寸為：長59 m，寬度25.2 m，高29.1 m，總重量為1.3 萬t。鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)采用沉箱結(jié)構(gòu)，下部18.6 m 高范圍內(nèi)由40 個箱格組成（箱格尺寸5.565 m×5.780 m），上部10.5 m 高范圍內(nèi)兩側(cè)箱格高起，整體呈“凹”字型設(shè)計；兩側(cè)高出的混凝土箱格之間，在臨海側(cè)側(cè)設(shè)置10.5 m 高的擋水鋼扶壁，由8 片弧形鋼板以及每兩片弧形鋼板之間的鋼肋板構(gòu)成，形成一個擋水的反拱形結(jié)構(gòu)[5]。單片擋水鋼板的弧度半徑為 4.5 m，水平寬度為5.78 m，高10.5 m，板厚為 16 mm；鋼肋板設(shè)計為梯形平面結(jié)構(gòu)，總寬度為 9.3 m、高10.5 m，板厚為16 mm[5]。浮塢門的具體結(jié)構(gòu)如圖2～4 所示。

圖2 浮塢門結(jié)構(gòu)（海側(cè)視角）

圖3 浮塢門結(jié)構(gòu)（塢內(nèi)視角）

圖4 浮塢門蓄水工作斷面

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 主體結(jié)構(gòu)

借鑒水運工程中扶壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，擋水鋼結(jié)構(gòu)采用類似的結(jié)構(gòu)形式，主體結(jié)構(gòu)由擋水主板和橫向肋板組成。

1）擋水主板

因擋水鋼結(jié)構(gòu)的受力明確，只承擔(dān)靜水壓力，根據(jù)靜水壓力作用方向始終垂直于作用面的荷載特點、以及拱形結(jié)構(gòu)易于應(yīng)力擴散的結(jié)構(gòu)特性，擋水主板設(shè)計為弧形結(jié)構(gòu)，可使在靜水壓力作用下?lián)跛摪鍍?nèi)只產(chǎn)生面內(nèi)張力，避免擋水鋼板承受彎矩，從而充分發(fā)揮鋼材抗拉能力強的結(jié)構(gòu)優(yōu)點；同時，利用弧形結(jié)構(gòu)的良好伸展性，可有效增強對制作和安裝偏差的適應(yīng)性。

2）橫向鋼肋板

為了增強擋水鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度，并對弧形擋水鋼板提供豎向邊界的約束，在相鄰弧形擋水鋼板之間設(shè)置橫向鋼肋板，沿下部混凝土沉箱的橫隔板布置，弧形鋼板與鋼肋板之間采用焊縫連接。

2.2 細部構(gòu)造

1）弧形擋水鋼板的固定

在海側(cè)的每個箱格位置設(shè)置一片弧形擋水鋼板，布置在海側(cè)外壁板上方，中部弧形擋水鋼板焊接至相鄰的鋼肋板，端部弧形擋水鋼板一側(cè)焊接至相鄰的鋼肋板，另一側(cè)焊接至兩側(cè)凸起的混凝土箱格壁板的預(yù)埋鋼板；弧形擋水鋼板的底部通過后澆混凝土嵌入混凝土沉箱海側(cè)壁板的頂部混凝土梁中，發(fā)揮固定作用的同時，兼顧鋼板底部的止水作用[5]，從而擋水鋼扶壁與下部混凝土沉箱緊密連接，形成完整的擋水作業(yè)面。

2）橫向鋼肋板的固定

橫向鋼肋板是整個鋼扶壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定支持，既要提供抗滑穩(wěn)定力，抵御巨大的蓄水壓力，又要保持整個結(jié)構(gòu)的抗傾穩(wěn)定，同時需具備足夠的剛度，避免發(fā)生自身屈曲。

針對鋼扶壁結(jié)構(gòu)的受力特點，橫向鋼肋板的結(jié)構(gòu)固定采用以下巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的清晰分配。

端部抗拔鋼拉桿：在鋼肋板端部設(shè)置豎向H 型鋼，兩側(cè)安裝豎向鋼拉桿，鋼拉桿的另一端固定于下部混凝土沉箱橫隔板的插銷結(jié)構(gòu)，利用鋼拉桿承擔(dān)水壓力作用下鋼肋板后端產(chǎn)生的上拔力，從而保證結(jié)構(gòu)的抗傾穩(wěn)定。鋼拉桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將結(jié)構(gòu)承受的上拔力集中至一處，便于重點解決應(yīng)對；同時，利用拉桿結(jié)構(gòu)的安裝便捷性，既可降低安裝難度，又可提前施加預(yù)緊力、減小結(jié)構(gòu)變位。抗拔鋼拉桿的細部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 抗拔鋼拉桿的細部結(jié)構(gòu)

底部抗滑牛腿：鋼肋板底部設(shè)置水平H 型鋼，在H 型鋼的端部設(shè)置抗滑鋼牛腿，支撐于海側(cè)壁板上方設(shè)置的鋼筋混凝土梁，用于承擔(dān)結(jié)構(gòu)所承受的水平力，保證抗滑穩(wěn)定，抗滑鋼牛腿的細部結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 抗滑鋼牛腿的細部結(jié)構(gòu)

3）橫向鋼肋板的加固

為了增強鋼肋板的自身剛度，避免發(fā)生屈曲，在鋼肋板上設(shè)置豎向加強鋼板，布設(shè)位置根據(jù)鋼肋板的應(yīng)力分布情況確定，具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 鋼肋板的加強鋼板布置

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）計算方法

采用國際通用有限元軟件ANSYS，建立數(shù)值模型對擋水鋼扶壁結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析。

2）計算模型

選取擋水鋼扶壁的一個典型結(jié)構(gòu)段（整個鋼肋板及兩側(cè)各取一半弧形鋼板）進行建模分析，結(jié)構(gòu)鋼板選用Shell43 單元進行模擬，邊界條件采用以下設(shè)置：

鋼肋板底部：設(shè)置非線性彈簧單元Combin39（僅承受壓力，不承受拉力），彈簧等效剛度取一個較大值K=5×107kN/m，模擬H 型鋼與底部混凝土之間的接觸作用；

鋼肋板端部H 型鋼：在頂端設(shè)置豎向的線性彈簧單元Combin14，用于模擬鋼拉桿的約束作用；彈簧的等效剛度按照公式（1）計算：

式中：

E為鋼拉桿彈性模量，E=2.1×105MPa；

L為鋼拉桿長度；

N為模型中端部H 型鋼頂端節(jié)點個數(shù)。

弧形鋼板底部：底部邊線約束水平向的位移及三個方向的轉(zhuǎn)動；底部設(shè)置豎向的非線性彈簧單元Combin39（僅承受壓力，不承受拉力），彈簧等效剛度取一個較大值K=5×107kN/m，模擬弧形鋼板與底部混凝土之間的接觸作用。

弧形鋼板豎向邊側(cè)：采用對稱約束。

具體模型如圖8～10 所示。

圖8 計算模型整體

圖9 計算模型大樣A

圖10 計算模型大樣B

3）內(nèi)力分析及結(jié)構(gòu)驗算

①結(jié)構(gòu)位移

表1 鋼扶壁的結(jié)構(gòu)位移計算

②鋼材內(nèi)力

表2 鋼扶壁的鋼材內(nèi)力

③構(gòu)件強度驗算

表3 鋼扶壁的構(gòu)件內(nèi)力及強度驗算

3 使用效果

桂山沉管預(yù)制廠自交工投產(chǎn)以來，使用狀況良好、運行高效，圓滿完成了全部沉管的預(yù)制任務(wù)，有力保證了港珠澳大橋島隧工程的順利實施。整個項目實施階段，浮塢門共經(jīng)歷17 次滿載蓄水，40多次啟閉作業(yè)，運行過程中，浮塢門的使用安全可靠，浮運啟閉操作簡便高效，結(jié)構(gòu)牢固、擋水效果良好，保障了全部沉管（共計33 節(jié)）的安全出塢[9]。

4 結(jié)語

隨著浮式塢門結(jié)構(gòu)的大型化發(fā)展，傳統(tǒng)的全鋼結(jié)構(gòu)塢門結(jié)構(gòu)無法滿足使用要求，若整體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)自重和浮運吃水過大，浮運的安全性難以保證。針對這一技術(shù)難題，提出了一種新型的擋水鋼扶壁結(jié)構(gòu)，可安裝在鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)上，從而構(gòu)成一種鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土組合的浮塢門結(jié)構(gòu)[1]。這種擋水鋼扶壁結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用于港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠的深塢浮塢門，取得了良好的使用效果。

本文介紹的新型擋水鋼扶壁結(jié)構(gòu)，對大型浮動式塢門具有良好的適用性，可充分發(fā)揮鋼材和混凝土的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，保證結(jié)構(gòu)安全的同時，有效降低浮塢門的自重和浮運吃水，增強結(jié)構(gòu)浮運時的輕巧和靈便性，確保浮運啟閉操作的安全可靠。港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠的良好應(yīng)用，充分驗證了該種擋水結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，這對大型浮動式塢門的發(fā)展有著重大意義，應(yīng)用前景廣闊。