徐俠松，李 齊，余秋安，張志強(qiáng)，王 杰

(1.湖北省送變電工程公司,湖北 武漢 430063；2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引言

特高壓線路施工過(guò)程中，不可避免地要在水域進(jìn)行作業(yè)。在傳統(tǒng)情況下，施工設(shè)備在水上作業(yè)時(shí)一般采用專(zhuān)用的大型駁船或躉船，此方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性高的優(yōu)勢(shì)。但是在河網(wǎng)區(qū)域河湖密集交織，河道較為狹窄且有通航限制，大型工程駁船或躉船無(wú)法進(jìn)入到施工場(chǎng)地，因此這種方式無(wú)法滿(mǎn)足施工要求。

針對(duì)河網(wǎng)區(qū)域的施工，目前國(guó)內(nèi)常用的施工平臺(tái)主要有雙壁鋼圍堰平臺(tái)[1]、鋼管樁平臺(tái)和浮式平臺(tái)3種形式[2]。圍堰平臺(tái)剛度較大[3]，但是需要大量使用鋼套箱，經(jīng)濟(jì)性較差；鋼管樁平臺(tái)[4]的搭設(shè)難度較大，打樁速度較慢，資金投入太大。相比之下，浮式平臺(tái)穩(wěn)定性較好，移位方便，轉(zhuǎn)場(chǎng)效率較高[5]。

本文開(kāi)展了水面施工臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)結(jié)構(gòu)及其施工穩(wěn)定性等方面的研究，詳細(xì)設(shè)計(jì)了適用于河網(wǎng)區(qū)域水面施工的浮式平臺(tái)，并從穩(wěn)定性和實(shí)用性等多個(gè)角度，采用理論與數(shù)值方法相結(jié)合的手段計(jì)算分析了該浮式平臺(tái)的使用性能，為后期水上平臺(tái)的設(shè)計(jì)施工提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

1 浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于水上施工平臺(tái)要用于起重設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，考慮設(shè)備重量對(duì)平臺(tái)的承載能力要求，以及平臺(tái)整體轉(zhuǎn)場(chǎng)施工的便利性，采用鋼結(jié)構(gòu)+浮筒的方式組裝拼接成浮式平臺(tái)，其中鋼結(jié)構(gòu)用于承受起重設(shè)備和塔材重量及施工過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等，浮筒僅用于提供浮力，浮筒與鋼結(jié)構(gòu)之間無(wú)直接連接。

根據(jù)施工設(shè)備的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高為7 000 mm×2 000 mm×2 800 mm）、自重（7 000 kg）等關(guān)鍵參數(shù)確定平臺(tái)的關(guān)鍵尺寸。平臺(tái)布置圖如圖1所示，平臺(tái)最大長(zhǎng)度40 m，最大寬度20 m，總面積500 m2，在左右兩側(cè)各布置一條長(zhǎng)為10 m，寬5 m的進(jìn)出口走廊，用于起重機(jī)和塔材進(jìn)場(chǎng)施工。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)模塊化拼接

鋼結(jié)構(gòu)整體由若干鋼結(jié)構(gòu)模塊拼接而成，拼接后的三維效果如圖2所示。鋼結(jié)構(gòu)上方鋪有鋼板，鋼板與鋼結(jié)構(gòu)模塊的型鋼之間采用螺栓固接。單個(gè)鋼結(jié)構(gòu)模塊重量為353.1 kg，且基本尺寸長(zhǎng)×寬×高為5 m×2.5 m×0.01 m。鋼結(jié)構(gòu)模塊的拼接方式包括鉸接和螺栓固接兩種方式，長(zhǎng)邊一側(cè)采用螺栓固接，寬邊一側(cè)采用鉸鏈銷(xiāo)軸連接，這種連接方式使模塊具有一定的柔性，雖然平臺(tái)整體剛度降低，施工設(shè)備在平臺(tái)上行駛或作業(yè)時(shí)垂向位移變大，但由于模塊間可產(chǎn)生一定位移，使模塊之間連接件受力條件改善，變形降低，降低了安裝設(shè)計(jì)的難度。

圖1 浮式平臺(tái)布置圖Fig.1 Layout of the floating platform

圖2 浮式平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)拼接后三維效果圖Fig.2 3D model of the floating platform with splicing steel structure

1.2 浮體的選材與設(shè)計(jì)

浮體采用模塊化工程浮筒拼接，單個(gè)浮筒尺寸為500 mm×500 mm×400 mm，壁厚7 mm，采用HDPE 5421B材料制成。浮體選用雙層浮筒，每平米浮筒可具有0.3 t的浮力，因此如果浮體吃水深度相同，雙層浮筒構(gòu)建的500 m2浮體最大可以提供300 t浮力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平臺(tái)上施工設(shè)備和所吊塔材的重量。

鋼結(jié)構(gòu)和浮體的模塊化處理使實(shí)際應(yīng)用中平臺(tái)的尺寸便于調(diào)整，也方便了轉(zhuǎn)場(chǎng)與現(xiàn)場(chǎng)安裝，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的重復(fù)使用，滿(mǎn)足工程中的經(jīng)濟(jì)性要求。

1.3 浮式平臺(tái)岸邊結(jié)構(gòu)

在施工過(guò)程中，最危險(xiǎn)的工況是在施工設(shè)備進(jìn)入平臺(tái)時(shí)，由于平臺(tái)僅有少量浮體提供浮力，平臺(tái)進(jìn)口處產(chǎn)生較大的垂向位移，施工設(shè)備極易翻落水中。為了解決該問(wèn)題，如圖3所示，首先浮式平臺(tái)岸邊應(yīng)做斜坡處理，且在浮式平臺(tái)1 m區(qū)間做混凝土凹槽，并在浮式平臺(tái)進(jìn)口處底部布置支撐結(jié)構(gòu)，從而使設(shè)備上下平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)進(jìn)口處底部與混凝土基礎(chǔ)接觸，起到支撐作用；其次在岸邊與平臺(tái)進(jìn)口處采用兩座鋼結(jié)構(gòu)踏板過(guò)渡，踏板在岸邊的一端采用膨脹螺栓固定于混凝土斜坡處，在浮式平臺(tái)的一端不做固定，任由浮式平臺(tái)隨浮體水位上下浮動(dòng)時(shí)自由活動(dòng)。

圖3 浮式平臺(tái)岸邊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of the floating platform on river bank

2 浮式平臺(tái)橫傾穩(wěn)定性分析

在施工作業(yè)進(jìn)行時(shí)，由于受到施工設(shè)備和塔材重量及施工過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和沖擊等的作用，平臺(tái)會(huì)因平衡狀態(tài)受到破壞產(chǎn)生傾斜。平臺(tái)在外力干擾下產(chǎn)生傾斜會(huì)不會(huì)導(dǎo)致傾覆，在外力消失后能否回到原來(lái)的平衡位置，即抵抗外力的能力，是在平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其穩(wěn)定性要考慮的問(wèn)題[6]。本文主要考慮平臺(tái)的橫傾穩(wěn)定性[7]，即要計(jì)算平臺(tái)在傾斜一定角度時(shí)的回復(fù)力矩[8]。本文采用等排水量法[9]計(jì)算分析。

圖4 平臺(tái)橫傾后的橫截面Fig.4 Cross-section of the tilted platform

如圖4所示，選取平臺(tái)的主視平面，根據(jù)計(jì)算得重心G（0,0.685 6 m），設(shè)重心位置不變，AB為初始平衡狀態(tài)下的水線位置[10]，平臺(tái)在水線以下的部分為入水部分，入水高度為0.154 648 m，此時(shí)浮心為P點(diǎn)。當(dāng)傾斜角度為α?xí)r，水線位置為A′B′，浮心位置為P′點(diǎn)。根據(jù)公式

計(jì)算回復(fù)力臂l，根據(jù)公式

計(jì)算回復(fù)力矩M。

計(jì)算利用MATLAB編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)在橫傾角α從0°增大到60°過(guò)程中，回復(fù)力矩的變化如圖5所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，平臺(tái)在橫傾角α=8.9°時(shí)達(dá)到最大值，約為13 158 kN·m。

圖5 回復(fù)力矩與橫傾角度關(guān)系Fig.5 Relationship between restoring momen and heel angle

但是，在施工過(guò)程中，浮式平臺(tái)的傾斜角度很小，假設(shè)平臺(tái)右側(cè)達(dá)到出水的臨界點(diǎn)，此時(shí)傾斜角α=0.443°，圖6為浮式平臺(tái)的橫傾角在0°～0.443°變化時(shí)的回復(fù)力矩曲線。

由圖6可以看出，當(dāng)橫傾角度較小時(shí)，可以近似認(rèn)為回復(fù)力矩與傾角成正比關(guān)系。在當(dāng)傾斜角度α=0.443°時(shí)，回復(fù)力矩M=6 374 kN·m。施工設(shè)備和塔材的自重所引起的力矩最大值為2 352 kN·m，在平臺(tái)的橫傾穩(wěn)定性的安全范圍內(nèi)，滿(mǎn)足安全要求。

圖6 小角度傾斜時(shí)回復(fù)力矩變化曲線Fig.6 Change curves of restoring moment in the range of small heel angle

上述穩(wěn)定性分析是將平臺(tái)看成一個(gè)剛性體進(jìn)行的，但平臺(tái)實(shí)際上由于搭接方式以及鋼結(jié)構(gòu)變形等，柔性較大，因此還需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)一步驗(yàn)證其實(shí)際使用性能。

3 浮式平臺(tái)有限元模型的構(gòu)建

為了合理模擬浮體及浮式平臺(tái)在各種工況下的位移及受力情況，需要對(duì)不同構(gòu)件采用對(duì)應(yīng)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)所需解決的問(wèn)題設(shè)置單元特性選項(xiàng)，定義實(shí)常數(shù)，最后形成整體有限元模型。

3.1 鋼構(gòu)模塊中型材的模擬及整體鋼結(jié)構(gòu)的形成

建立構(gòu)成整體鋼結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)模塊時(shí)，本文采用3D線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧猍11]——BEAM188單元來(lái)模擬其型材以提高建模效率。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊間的銷(xiāo)軸鉸接和螺栓固接兩種連接方式，本文采用自由度耦合（cp命令）和節(jié)點(diǎn)合并（nummrg命令）分別進(jìn)行模擬。

3.2 鋼構(gòu)模塊上鋪鋼板的模擬

為模擬上鋪在鋼構(gòu)模塊的鋼板，采用SHELL63單元[12]來(lái)模擬，該單元是4節(jié)點(diǎn)彈性殼單元，具有彎曲和膜特性，能承受面內(nèi)和法向荷載，可通過(guò)定義實(shí)常數(shù)來(lái)明確所模擬鋼板的厚度，從而提高建模效率和計(jì)算速度。

3.3 浮筒組成的浮體浮力的模擬

浮筒組成的浮體，與鋼結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有直接連接，僅僅通過(guò)與鋼結(jié)構(gòu)之間的接觸提供浮力，在建立有限元模型時(shí)需對(duì)浮體部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，但仍需考慮浮體所提供的浮力。

當(dāng)載荷作用于浮式平臺(tái)時(shí)，會(huì)引起浮式平臺(tái)吃水的變化，從而引起浮式平臺(tái)所受浮力的變化，這種由于結(jié)構(gòu)排水體積變化引起的結(jié)構(gòu)回復(fù)力的變化，可簡(jiǎn)化為與浮體面積成比例地均勻分布在浮式平臺(tái)底部表面節(jié)點(diǎn)上的垂向彈簧，這些彈簧的垂向剛度總體上與單位吃水變化引起的浮力變化等效，稱(chēng)其為水彈簧[13]。采用COMBIN14單元以模擬水彈簧（即浮體的浮力）作用。

基于吃水與排水量的線性關(guān)系，通過(guò)計(jì)算可得單個(gè)鋼構(gòu)模塊底部型材各節(jié)點(diǎn)的水彈簧剛度。以單個(gè)鋼構(gòu)模塊為例，單個(gè)鋼構(gòu)在吃水深度h下所受浮力為

上式中S底為單個(gè)鋼構(gòu)模塊底部面積，即S底=5 m×2.5 m=12.5 m2。單個(gè)彈簧的軸力為

上式中ki為該彈簧的剛度。根據(jù)水彈簧的定義則有

因此可得鋼構(gòu)模塊底面垂向水彈簧剛度為ki=ρgS底∑，由于鋼構(gòu)模塊需通過(guò)組裝形成整體鋼結(jié)構(gòu)，組裝完成后鋼構(gòu)模塊的角點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處存在4個(gè)水彈簧，邊緣節(jié)點(diǎn)處存在2個(gè)水彈簧，中間節(jié)點(diǎn)處僅有1個(gè)水彈簧，因此角點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)處的彈簧剛度應(yīng)不相同。具體數(shù)值如表1所示。

表1 鋼構(gòu)模塊底部垂向水彈簧剛度Tab.1 The stiffness of vertical water spring on the bottom of the steel structure module

3.4 錨固定位系統(tǒng)錨繩的模擬

為了保證浮式平臺(tái)的正常工作，需布置錨固定位系統(tǒng)[14]。本文中采用錨泊定位方式，即鐵錨通過(guò)錨繩與浮式平臺(tái)上的帶纜樁連接，實(shí)現(xiàn)浮式平臺(tái)的固定。錨固定位系統(tǒng)中的錨繩只能抗拉不能抗壓，因此采用LINK180單元進(jìn)行模擬。

3.5 浮式平臺(tái)進(jìn)口底部支撐結(jié)構(gòu)的模擬

當(dāng)設(shè)備進(jìn)入平臺(tái)時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)與底部混凝土基礎(chǔ)接觸，當(dāng)設(shè)備走過(guò)一段距離后，支撐結(jié)構(gòu)由于浮體浮力又脫離與混凝土基礎(chǔ)之間的接觸。由此可知，支撐結(jié)構(gòu)與混凝土基礎(chǔ)之間接觸與否，與起重設(shè)備或塔材在平臺(tái)上的位置相關(guān)，屬于典型的由接觸引起的邊界非線性問(wèn)題[15]。

在實(shí)際計(jì)算中，如果采用接觸單元和目標(biāo)單元對(duì)上述接觸行為進(jìn)行仿真，必然造成計(jì)算規(guī)模過(guò)大的問(wèn)題，因此本文采用非線性彈簧COMBIN39對(duì)支撐結(jié)構(gòu)和混凝土基礎(chǔ)之間的作用力進(jìn)行模擬。最終形成的浮式平臺(tái)有限元模型如圖2所示，各單元數(shù)量如表2所示，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為76 176個(gè)。

表2 單元數(shù)量表Tab.2 Number of various units

4 不同工況計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 不同工況

浮式平臺(tái)在工作時(shí)，需要對(duì)平臺(tái)受到的各種荷載，進(jìn)行各種工況的荷載組合分別進(jìn)行驗(yàn)算。由于浮式平臺(tái)是在基本上無(wú)流速的庫(kù)區(qū)搭建，故忽略浮式平臺(tái)所受的流水壓力、波浪力及風(fēng)力，僅考慮浮式平臺(tái)受到的垂向荷載和靜水壓力的作用。

浮式平臺(tái)所受到的垂直荷載有40個(gè)鋼構(gòu)模塊自重（14 124 kg）、鋼板自重（31 200 kg）、履帶式起重機(jī)自重（7 000 kg）和最大吊重（5 000 kg）、浮體重量（32 000 kg）等。

采用以下5個(gè)工況對(duì)浮式平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析：

工況一：平臺(tái)有限元模型形成后，僅對(duì)平臺(tái)受到的平臺(tái)自重以及湖水靜水壓力進(jìn)行加載，用于驗(yàn)證浮式平臺(tái)分析模型的正確性。

工況二：施工設(shè)備進(jìn)入平臺(tái)使其受載后，進(jìn)口底部支架與混凝土基礎(chǔ)接觸，利用該工況判斷進(jìn)口處鋼結(jié)構(gòu)及底部支架是否滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

工況三：施工設(shè)備位于進(jìn)口廊道中部位置，即鋼構(gòu)模塊的鉸接區(qū)域，利用該工況判斷進(jìn)口廊道產(chǎn)生的最大垂向位移是否滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

工況四：施工設(shè)備到達(dá)施工工位處，擬起吊的塔材到達(dá)起吊區(qū)域，該工況用于判斷整體平臺(tái)在使用過(guò)程中是否滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

工況五：施工設(shè)備到達(dá)施工工位處，并開(kāi)始進(jìn)行起吊，該工況可能會(huì)導(dǎo)致浮式平臺(tái)產(chǎn)生傾斜坡度過(guò)大的問(wèn)題，并且施工設(shè)備所在區(qū)域可能存在鋼構(gòu)模塊或鋼板應(yīng)力集中的情況，此工況用于判斷整體平臺(tái)在使用過(guò)程中是否滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

有限元分析后，可得以下結(jié)論：

（1）在工況一中，浮式平臺(tái)整體垂向位移分布如圖7所示，通過(guò)分析可得有限元分析的平均吃水深度為0.155 7 m?；诔运c排水量的關(guān)系，通過(guò)理論計(jì)算可得到浮式平臺(tái)理論吃水深度為0.154 6 m。由此可知理論分析結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果非常接近，誤差僅為0.6%，由此可以驗(yàn)證浮式平臺(tái)分析模型的正確性。

圖7 浮式平臺(tái)垂向位移分布（工況一）Fig.7 Vertical displacement contour of the floating platform in operation condition 1

（2）在工況二中，浮式平臺(tái)進(jìn)口處鋼結(jié)構(gòu)以及底部支撐結(jié)構(gòu)在該工況中受力較大，最大綜合應(yīng)力為154 MPa，如圖8所示，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖8 進(jìn)口處鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力分布（工況二）Fig.8 Stress contour of steel structure at the entrance of the platform in operation condition 2

（3）工況三中，當(dāng)施工設(shè)備位于距離進(jìn)口5 m處，即鋼構(gòu)模塊鉸接位置，平臺(tái)進(jìn)口廊道會(huì)產(chǎn)生較大垂向位移，浮式平臺(tái)整體垂向位移如圖9所示，最大垂向位移為-0.547 m，發(fā)生在兩鋼構(gòu)模塊連接處，如果浮體采用單層浮筒構(gòu)建，該處將由于受到施工設(shè)備較大的自重載荷浸入水中，由此實(shí)際工程中應(yīng)采用上下兩層浮筒形成浮體。

圖9 浮式平臺(tái)垂向位移分布（工況三）Fig.9 Vertical displacement contour of the floating platform in operation condition 3

（4）在工況四中，浮式平臺(tái)整體上鋪鋼板在該工況下綜合應(yīng)力分布如圖10所示，最大綜合應(yīng)力為305 MPa，已超過(guò)了材料屈服極限，發(fā)生在平臺(tái)左側(cè)邊緣處，與起重設(shè)備工位和塔材（塔材中心距離平臺(tái)左側(cè)邊緣2.5 m）堆放位置比較靠近平臺(tái)左側(cè)邊緣有關(guān)，因此在平臺(tái)實(shí)際使用工況中，應(yīng)注意塔材堆放位置以及起重設(shè)備工位與平臺(tái)邊緣之間的距離，圖11為塔材堆放位置與最大綜合應(yīng)力之間的變化趨勢(shì)，由圖可知，隨著塔材堆放位置與平臺(tái)左側(cè)邊緣距離的增大，最大綜合應(yīng)力快速降低，降低趨勢(shì)近似于線性，圖12為塔材中心距離平臺(tái)左側(cè)邊緣3.5 m時(shí)鋼板綜合應(yīng)力分布情況，最大綜合應(yīng)力已經(jīng)降為142 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖10 浮式平臺(tái)鋼板綜合應(yīng)力分布（工況四）Fig.10 Stress contour of steel plates on the floating platform in operation condition 4

圖11 塔材堆放位置與最大綜合應(yīng)力間的變化趨勢(shì)Fig.11 Relationship between the materials stack position and maximum stress

圖12 修正后鋼板綜合應(yīng)力分布（工況四）Fig.12 Stress contour of steel plates after amendment in operation condition 4

（5）工況五為平臺(tái)受載情況最危險(xiǎn)的工況，分析后浮式平臺(tái)整體垂向位移如圖13所示，位移較大區(qū)域明顯增大；浮式平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力分布如圖14所示，最大綜合應(yīng)力為278 MPa，鋼構(gòu)模塊連接位置存在局部應(yīng)力集中情況，后期在工程實(shí)際施工中，鋼構(gòu)模塊連接區(qū)域應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

圖13 浮式平臺(tái)垂向位移分布（工況五）Fig.13 Vertical displacement contour of the floating platform in operation condition 5

圖14 鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力分布（工況五）Fig.14 Stress contour of steel structure in operation condition 5

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某特高壓工程湖北河網(wǎng)區(qū)域施工特點(diǎn)，開(kāi)展了水面施工臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)結(jié)構(gòu)及其施工穩(wěn)定性等方面的研究，詳細(xì)設(shè)計(jì)了水面施工臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)，并對(duì)鋼構(gòu)和浮體的模塊化拼接方式、岸邊支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；并通過(guò)橫傾穩(wěn)定性理論計(jì)算，驗(yàn)證了平臺(tái)的回復(fù)力矩等參數(shù)在理論上已達(dá)到實(shí)際工程要求；最后本文利用有限元方法，對(duì)多個(gè)工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析，充分驗(yàn)證了平臺(tái)的剛度和強(qiáng)度等均能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。本文研究成果可為后面水面臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)的具體實(shí)施提供參考依據(jù)。

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