受限水域水上作業(yè)平臺(tái)強(qiáng)度校核分析

張亮，越云超，劉偉

（武漢長江航道救助打撈局，湖北 武漢 430014）

1 工程概況

根據(jù)《XXX 大壩第四次定期安全檢查報(bào)告》中明確提出“護(hù)坦、左岸護(hù)岸、護(hù)腳、丁壩基礎(chǔ)等部位存在多處淘空，部分淘空規(guī)模較大，必須采取工程措施進(jìn)行處理”。修復(fù)加固方案：潛水員對(duì)沖坑區(qū)域進(jìn)行水下探摸，然后根據(jù)探摸情況采用混凝土回填+護(hù)腳混凝土加固的處理方式。

水面平臺(tái)是應(yīng)用于大壩修復(fù)作業(yè)的拼裝浮式平臺(tái)。浮式平臺(tái)主要承受平臺(tái)自重荷載、潛水設(shè)備荷載及吊放鋼制模板等。使用時(shí)需在平臺(tái)面上墊面板和角鋼對(duì)上部荷載進(jìn)行加固和浮力的均勻分配。本項(xiàng)目擬投入水面施工作業(yè)平臺(tái)2 個(gè)，平臺(tái)擬采用現(xiàn)場(chǎng)加工的方式進(jìn)行制造，單個(gè)平臺(tái)面積約為60 m2。

2 平臺(tái)研發(fā)制作

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及連接要求

單個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)外形尺寸定為12m×5.0m×1.22m（長×寬×高）。為了保證浮體的整體穩(wěn)定性和浮體間的剛度，確保連接件的強(qiáng)度、剛度以及與浮體構(gòu)件連接的可靠性，平面布置見下圖：

圖1 水上平臺(tái)示意圖

2.2 平臺(tái)的加工制作

本平臺(tái)選取的鋼材品種為螺旋鋼管，單個(gè)平臺(tái)由四根外形尺寸為 12m×1.22m×8mm 的鋼管組成。平臺(tái)制作的鋼管兩端采用線性焊接的方式，將切割的1220×1260mm 鋼板焊接于鋼管兩端，使其密封形成密封浮力單位。對(duì)密封后的四根浮力單位進(jìn)行平鋪，兩頭外表面采用5m×10mm×200mm 的槽鋼焊接固定，接觸處均用線性焊接，使其固定。端頭封閉后，橫向間采用13 根5m×100mm 的槽鋼，焊接于四根平鋪的鋼管上表面，該組件作用為將支撐承重直接導(dǎo)力到浮力單位上，同時(shí)在兩端下橫向面用2 根5m×200mm 的槽鋼焊接上去，使整個(gè)平臺(tái)形成一個(gè)牢固的整體。每組平臺(tái)上，田字形平鋪6 塊鋼板，鋼板四周均焊接到骨架上固定，使平臺(tái)承重能夠均勻分布到整個(gè)浮力范圍上。

2.3 吊放裝置A 字吊架的結(jié)構(gòu)尺寸

吊架主體由2 根10 米×200mm×1.4cm 無縫鋼管和2 套滑輪組組成。在平臺(tái)一端的上表面的兩側(cè)作為A字架的左右兩個(gè)支點(diǎn)，角度為78.46°，A 字架頂上連接1 米的橫梁，向下隔2 米再安裝一根橫梁加固A 字架，然后用動(dòng)力裝置連接A 字架上的滑輪組即可。動(dòng)力裝置絞力達(dá)到15T。外形尺寸可以使用15 噸絞力的卷揚(yáng)機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)連上A 字架上的滑輪組即可。

3 水上平臺(tái)浮力及吊力計(jì)算分析

本次水上平臺(tái)采用ANSYS AQWA 進(jìn)行平臺(tái)浮力計(jì)算，采用Abaqus 進(jìn)行A 字架強(qiáng)度校核計(jì)算，平臺(tái)材料為普通鋼材。

3.1 平臺(tái)浮力計(jì)算校核

此次計(jì)算主要是用來校核平臺(tái)的吃水和浮力。計(jì)算時(shí)將平臺(tái)上部不影響水動(dòng)力及強(qiáng)度計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)去掉，水動(dòng)力模型只考慮外殼，不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

平臺(tái)浮力計(jì)算校核結(jié)果如圖2和圖3所示。經(jīng)計(jì)算平臺(tái)未吊裝時(shí)的吃水約為0.45m，排水體積約20m3，浮心坐標(biāo)為（6000，0，-193），平臺(tái)浮力滿足要求。

圖2 平臺(tái)吃水示意圖

圖3 平臺(tái)浮力計(jì)算結(jié)果（無吊重）

平臺(tái)吊裝8t 重物時(shí)平均吃水約為0.584m，排水體積為約28m3，浮心坐標(biāo)為（6000,0，-254），平臺(tái)浮力滿足要求。

圖4 平臺(tái)浮力計(jì)算結(jié)果（吊重8t）

3.2 A 字架強(qiáng)度計(jì)算校核

A 字架布置如圖5所示，卷揚(yáng)機(jī)布置在平臺(tái)尾部處，卷揚(yáng)機(jī)鋼索與平臺(tái)夾角約為40。對(duì)平臺(tái)及A 字架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)尺寸為50mm。因需要校核A 字架吊裝時(shí)的強(qiáng)度，因此需要對(duì)A 字架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。如圖所示，對(duì)A 字架左右兩個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行固支，并在A 字架吊點(diǎn)處分別施加豎直方向和沿卷揚(yáng)機(jī)鋼索方向的吊力（施加時(shí)分解為沿X 軸負(fù)方向和沿Z 軸負(fù)方向的力）。

圖5 A 字架載荷及邊界約束設(shè)置

圖6和圖7分別為吊重為8t 時(shí)應(yīng)力分布云圖和變形云圖，由圖知吊重為8t 時(shí)A 字架最大應(yīng)力為59.6Mpa，最大位移為3.147mm。吊重8t 時(shí)A 字架強(qiáng)度滿足要求。

圖6 吊重8t 時(shí)A 字架應(yīng)力分布云圖

圖7 吊重8t 時(shí)A 字架位移云圖

圖8和圖9分別為吊重為15t（卷揚(yáng)機(jī)最大吊力）時(shí)應(yīng)力分布云圖和變形云圖，由圖知吊重為15t 時(shí)A 字架最大應(yīng)力為112.2Mpa，最大位移為5.99mm。吊重15t時(shí)A 字架強(qiáng)度滿足要求。

圖8 吊重15t 時(shí)A 字架應(yīng)力分布云圖

圖9 吊重15t 時(shí)A 字架位移云圖

4 結(jié)論

通過以上計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

（1）該平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力合理，平臺(tái)作業(yè)吊重為8t 時(shí)，平臺(tái)浮力及吊架強(qiáng)度在工況載荷下均滿足水下修復(fù)項(xiàng)目使用要求。

（2）計(jì)算分析方法能夠?qū)λ献鳂I(yè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力進(jìn)行有效的系統(tǒng)分析，為該型平臺(tái)在受限水域工況下的安全保障提供了技術(shù)支持。