钢围堰运输方案比选

徐佳力

(柳州东城投资开发有限公司，广西柳州545000)

近年来我国修建了许多跨江、跨海大桥，在大跨桥梁深水基础修建时，围堰是最常用的防水技术，随着桥梁跨度的不断增大，深水基础及其围堰也需要更大的尺寸规模[1]。由于钢围堰具有施工工期短、水流阻力小、利于通航、不需要沉入河床、施工难度小、混凝土用量小等优点，因而在大跨桥梁深水基础施工中得到了广泛的应用[2-3]。

大型钢围堰一般由内、外壁板、壁间联系件及底板组成，其中底板自重通常只为结构总重的10%～20%[4]，绝大部分重量集中在内外壁板及壁间联系件上。加之壁板竖向刚度远大于底板的面外刚度，所以运输时极易出现壁板下端支撑区受力过大、液压平板车受力不均等问题，前者易引起壁板支撑位置局部失稳，后者易导致平板车部分模块过载而出

现无法顶升、脱胎的现象。因此，大型钢围堰的整体运输已成为其制造过程中中最为关键的一环。目前，关于钢围堰的绝大多数研究都集中在设计[5]与施工[6-8]方面，而对钢围运输方案的研究却鲜有报道。本文将就此问题进行研究。

1 工程概况

某桥南主墩钢围堰为双壁钢围堰，其结构尺寸如图1所示：外径42 m，内径39 m，高22 m，内、外壁间距1.5 m。钢围堰壁体、底板等主体材料为Q235C钢材，总重935.6 t。因通航净高限制，钢围堰分上部5 m，重75.1 t；下部17 m，重860.5 t，先由总拼位置运输至码头(陆地运输)，装船后由长江运输至桥位处(水上运输)，本文仅对下部结构的陆地运输进行分析。

图1 钢围堰结构总体布置(单位：mm)

2 普通运输方案分析

2.1 方案简介

普通运输方案是将钢围堰直接放置于液压平板车上进行运输，钢围堰一般不做特殊补强，也不用考虑平板车部分模块过载的问题。该方案常用于小型结构的运输，亦是本工程实例最初选用的运输方法，即将钢围堰直接放置于四组液压平板车上联合运输，液压平板车布置方式及位置如图2所示。

运输车选用尼古拉斯液压型平板动力车[9-10]，其单轴额定运载质量为30 t，每个模块由四轴组成，额定运载质量120 t，每个液压平板车组包含3个模块，额定运载质量360 t。

图2 液压平板车布置(单位：mm)

2.2 模型建立

运用ANSYS软件建模计算钢围堰在运输时的力学响应及支点反力。钢围堰底板、内外壁板、隔舱板及其环向、竖向加劲选用SHELL63单元，壁间联系、隔舱板加劲、底板封边槽钢、底板加劲等采用BEAM188单元模拟。钢材弹模取E=2.06e5 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，计算时不考虑材料和几何非线性。

钢围堰运输支撑面为底板HN400×200加劲梁下翼缘，为避免支点处加劲梁侧向屈曲，支点位置选在纵、横梁相交处(图3)。所有支点均约束竖向位移(Z向)，为防止发生刚体位移，约束支点1的X、Y方向为平动和绕Z轴的转动。

图3 支点位置布置方式(1/4结构)(单位：mm)

2.3 普通运输方案结果分析

采用普通方案运输实例钢围堰时，钢围堰的应力分布如图4所示，支点受力情况如表1。表1仅示1/4结构支点反力。由于结构、荷载对称，其余支点的反力与此相同。

图4 普通运输方案钢围堰VonMises应力(单位：Pa)

t

通过图4可以看出，钢围堰运输时最大应力为814 MPa(未考虑材料非线性)，发生在支点3附近区域的壁板上，已大大超过所用钢材的屈服强度，从而证实了采用一般方案运输大型钢围堰容易引起壁板支撑区域强度破坏或局部失稳。

由表1可知：(1)支点3处支反力最大为115 t，支点6和8反力最小为0.4 t，反应了液压平板车在运输过程中受力不均匀，甚至在支点9处出现了负的支反力；(2)处于钢壁下缘的从动模块(图2)处的支点1～4反力总和为181.7 t，超过了单个模块额定运载质量120 t，致使该模块过载，无法顺利顶升和脱胎；(3)有限元模型中支点约束采用的是固定支座，即支点位置不发生位移，但实际运输时钢围堰底板会在支反力作用下上挠，这将进一步加大平板车负荷的不均匀性。

以上分析结果表明采用普通的运输方案运输大型钢围堰时，容易引起壁板支撑区域强度破坏或局部失稳；也容易导致液压平板车部分模块过载而出现无法顶升和脱胎的现象，为解决上述问题，本文提出了两种新的方案，即用千斤顶控制支反力(方案A)，用支点位移控制支反力(方案B)。

3 两种新的运输方案

3.1 方案A：用千斤顶控制支反力

首先在液压平板车作用位置，于钢围堰内部设置四道三角形桁架，旨在将作用于底板的支反力通过桁架传递给壁板，如此一方面可减小壁板与底板连接处角焊缝的应力水平，另一方面可加固钢围堰，提高稳定性能。三角型桁架由I 32b工字钢构成，总重52.7 t，结构尺寸如图5所示。

此外，为解决平板动力车受力不均匀、部分模块超载等问题，在方案A中还提出：用千斤顶控制支反力，即将一般运输方案中液压平板车的被动受力转化为通过千斤顶主动顶升来实现各支点受力均匀。

图5 三角型桁架结构尺寸布置(单位：mm)

具体操作步骤为：(1)通过测量找到钢围堰支点位置，并在液压平板车对应位置安放千斤顶；(2)送油并控制油压表读数，使千斤顶顶升力达到控制值，控制值Fc=结构自重M/支点总数N；(3)液压平板车顶升、脱胎、运输。

在有限元模型中，支点2～12(图3)不施加竖向固定支座，仅用集中荷载考虑支反力Fc，支点1处约束条件同3.2节。经计算，该运输方案下钢围堰最大应力为187 MPa(图6)，满足强度要求；由于是采用千斤顶主动地控制各支点反力，所以能保证每个支点受力均匀(表2)，避免了部分模块过载的问题。

图6 方案A钢围堰VonMises应力(单位：Pa)

t

本方案使用千斤顶的主要目的在于均衡支点受力，它虽能避免液压平板车部分模块过载和保证运输中钢围堰安全，但此方案存在以下问题：(1)需要较多的千斤顶、油泵及相关操作人员，这极大地增加了运输成本；(2)不易保证各千斤顶同步协调控制；(3)油泵、油管附属设备需要在钢围堰运输中同步移动，这要额外的运输工具。

综合上述分析，此方案理论上可行，但难以应用于实际工程。遂基于方案A“均衡支点受力”的目标，提出方案B：用支点位移控制支反力。

3.2 方案B：用支点位移控制支反力

方案B：通过调整支点位移来控制支反力，即依据支反力作用下产生的位移，先在支点位置预先垫高后，再进行液压平板车的顶升和运输，这相当于在支点处施加强制位移来控制支反力的大小。

具体方法为：(1)在方案A模型的计算结果中提取各支点竖向位移δi(图8)；(2)在底板加劲梁下翼缘和液压平板车顶面的各支点处进行找平，以修正得到各支点预垫高量Δi=δi+ki+gi(ki,gi使Δi增大为正，反之为负)；(3)在各支点用楔形块依据Δi进行垫高；(4)液压平板车顶升、脱胎、运输。

图7 支点预垫高计算图示

图8 底板各支点竖向位移曲线(单位：mm)

方案B与方案A都是基于均衡支反力的目标提出的，因此同样可以解决钢围堰壁板支撑区域应力过大的问题，从而保证结构运输安全；还可避免平板车部分模块超载，无法顶升、脱胎等现象。方案B较方案A也更容易实现，既能节省大量千斤顶及其附属设备，又能减少相关操作人员，所以本文的工程实例也是采用方案B进行运输，运输图片如图9所示。

值得指出的是，方案B中由于支点垫高量基数较小(最大17 mm)，各支点的垫高量需要精确控制才能保证支反力均衡，对此有一定的操作难度。

图9 钢围堰现场运输

4 结束语

本文针对大型钢围堰在整体运输中容易出现液压平板车部分模块过载、钢围堰局部失稳等问题，结合工程实例，提出了两种新的运输方案，计算了新方案下钢围堰的力学响应，分析了两种运输方案各自的优缺点，根据上述分析得出

以下结论。

(1) 采用普通运输方案，钢围堰局部应力值超限，易发生强度破坏和局部失稳，影响整体结构安全；液压平板车受力不均，部分模块容易超过模块额定运载质量，致使无法顺利顶升和脱胎。

(2) 在钢围堰内安装四片三角形桁架能改善传力途径，加大整体刚度，消除局部应力过大现象。

(3) 采用方案A运输钢围堰能实现支点受力均匀，将每一模块受力控制在允许范围之内，但具体操作需要大量千斤顶，人员以及增加附属运输设施，经济效益不高，也难于协调控制所有千斤顶。

(4) 使用方案B运输同样能使支点受力均匀，且较A方案更易实现，经济合理，既能使平板车受力均匀，又能节省大量千斤顶及其附属设备，还能保证钢围堰运输的安全，但需精确控制各支点的垫高量。

(5) 本文提出的运输方案对大型钢围堰的整体运输具有一定的参考意义和借鉴价值。

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