桥梁浮式工作平台有限元静力专项剖析

桥梁浮式工作平台有限元静力专项剖析1案例工程简况南平樟湖库区桥梁主墩处在水中，该库区一般蓄水位65m，水深是在40m米上下，因为遭到库区周围环境的制约，大型工程驳船不能进驻到作业场地，同时考虑具体的承载能力和经济性等方面的因素，在对多种方案进行比较之后，最后择取专用工程浮箱当作浮体，利用专用工程浮箱拼组成浮式平台当作钻孔桩基础作业平台，浮式平台上层的纵横梁通过万能杆件连接，同时在上层搭建龙门起吊装置等当作钻孔施工平台，例图1.1:图1.1浮式作业平台布局（mm）浮式平台是通过24个浮箱拼组成的两半边浮型平台以当作浮体，浮体上部利用万能杆件横向桁架进行连接，以构建平台横梁，横梁之架设面板，在预留钢护筒空间之后，将其焊接在横梁之上，另外万能杆件纵向连接为一个总体，当作龙门桁车运动轨道支撑。拼组浮型平台的专用工程浮箱关键尺寸例表1.1:表1.1浮箱关键尺寸材料特性参数和模型组件尺寸例表1.2:表1.2材料特性参数和浮箱构件尺寸浮箱结构图例图1.2:图1.2钢浮箱构架图（mm）内部结构和拼组完之后的整体浮式平台例图1.3：图1.3浮箱内部结构和拼组完之后的整体浮式平台2浮式平台静力剖析工况和基本参数2.1施工环境浮式作业平台的搭建是一个动态变动的进程，在搭建进程中，浮式作业平台的吃水深度、受到的竖向荷载以及力学特性均在持续变化。浮式平台在实际作业时，需对平台承受的多种荷载依次开展相应的验算。下文会对浮式平台所承受的荷载开展剖析。2.2垂直方向的荷载浮式平台上层是通过120a型钢拼组成的纵横梁施工平台，施工平台之上架设钻孔平台，并组拼龙门吊以及吊装相应的钢护筒等。浮式平台所承受的垂直荷载包含浮箱重量（1598.7千牛）、平台板和作业平台纵横梁等构件重量（1070千牛），还有最大吊重（400千牛）和龙门重量（1166千牛）和、。2.3钻机的荷载钻机荷载需考虑钻锤和钻机等重量，还有钻孔作业时所出现的冲击力。将D2000型冲击钻做例子，对下层土体和钢护筒开展冲击钻孔，钻孔设备是DZ120KS型振动桩锤，重量是800千克，利用联结装置把钢护筒顶和振动桩锤链接起来，联结装置重量是3100千克，激振力是68千牛，在考虑冲击参数1.2之后，总荷载是933千牛。2.4荷载工况的几种组合因为浮式作业平台是凭借系缆桩和水浮力进行固定的，在浮箱销接浮在水中之后，把浮式平台调节至预期位置，并对浮式平台开展锚固。为更具体的掌握浮式作业平台的受力情况，通常把浮式作业平台的工况分成浮式作业平台使用阶段与拼装进程中等几个基本工况。浮式作业平台在搭建时，平台的总体搭建还未完结，平台之上不存在任何荷载，只承受湖水波浪力、静水压力、风力以及流水压力等；浮式作业平台使用阶段，平台的总体构架已完成，平台之上存在钻机作业冲击载荷、多种堆载以及作业活载，另外，浮式作业平台亦会承受湖水波浪力、风力、静水压力以及流水压力等。因为浮式平台一般是处在无流速库区，所以不考虑浮式平台承受的波浪力、流水压力和风力，只考虑浮式平台所承受的静水压力。通过下述5个工况对浮式平台开展解析：工况一：平台搭建时，浮箱销接完成之后浮在水中，平台上不存在任一荷载，重点承受湖水静水压力和浮箱重量等，重点用来核验浮式平台解析模型是否正确；工况二：平台搭建时，浮式平台搭设纵横梁以后浮在水中，平台上会承受浮式平台上层纵横梁刚架、平台重量与施工平台的作用，还有湖水静水压力等；工况三：平台搭建完成以后，龙门吊处在施工平台上运转，龙门吊于进料口吊取重物的时候，平台重点承受平台上层纵横梁、浮式平台和平台板等构件重量，还有湖水静水压力、最大吊重和龙门吊等作用；工况四：平台搭建完成之后，龙门吊在施工平台上运转，平台于非进料端存在最大载重的时候，平台重点承受的是平台板、平台和上层纵横梁等构件重量。还有湖水静水压力、最大吊重和龙门吊等作用；工况五：平台搭建完成，在平台上开展钻孔施工，平台重点承受平台、平台板和上层纵横梁等构架重量，还有湖水静水压力和钻机荷载作用。浮式平台处在工况三到五的作用条件下时，纵向荷载分布例图1.4。图1.4浮型平台纵向荷载分布（mm）图1.4里：N1代表龙门荷载和最大吊重，N2代表平台作业荷载，q1代表平台24组浮箱重量，q2代表平台板和纵横梁等构件重量。平台搭建进程中的工况重点用来验证平台解析模型是否正确、验证拼组进程中浮式平台应力状态和位移是不是达到要求；另外平台使用阶段的荷载工况重点用以验证平台上层龙门吊在作业时，平台应力状态和位移是不是达到要求，预防使用阶段出现平台倾斜角度太大还有强度不足等情况。3计算结果及讨论浮式平台处在工况一条件下时，在X=9和X=0位置，平台在吃水深度上存在差别，还会出现一定的倾斜坡度，这和拼装浮式平台浮箱重量不完全对称之间存在联系。利用ANSYS进行运算获得的平均吃水深度是241.88毫米，这和理论运算的平均吃水深度（246.71毫米）进行对比，差值是4.83毫米，误差是1.96%，出现误差重点因素是：其一浮式平台是依照理论运算的吃水深度，把拼装浮式平台浮箱假定是完全刚性，没有考虑浮箱在工况一条件下出现的变形；其二因为浮式平台接头间的连接也不是完全式的刚接，也就是具备一定间隙的连接形式，理论运算的平台吃水深度，把浮箱和浮箱之间的连接假定是完全刚性的，ANSYS运算的结果是把平台间的连接当作不考虑接头间隙的半刚接方式。图2.1是半边平台在工况一条件下，浮箱之间依次通过半刚接、铰接和刚接时的位移（也就是吃水深度）。在工况一条件下依次通过浮箱间半刚接和刚接时，平台在z方向上的位移基本相同，然而通过铰接时却出现了一定差别。图2.1工况一条件下半边平台在x=0位置z方向的位移图2.2到图2.3是浮式平台在工况二条件下，依次通过浮箱之间的半刚接、铰接和刚接时，平台的吃水深度和平台在接头位置的应力值。图2.2工况二条件下丙丁钩接头位置的方向位移图2.3工况二条件下丙丁钩接头x=8等位置的效应力由图2.2和图2.3能够发现，浮式平台在工况二条件下，依次通过浮箱之间的半刚接、铰接和刚接的时候，平台在z方向的位移（即吃水深度）基本相同，然而在接头位置的应力值存在很大不同。相应的表现是：浮箱之间通过刚接连接时，平台在接头位置存在最大应力，通过铰接连接时，相应的应力最小，另外通过半刚接连接时，应力居中；第二，接头之间两浮箱间的应力有很大不同，通过刚接连接时，接头间两浮箱的应力基本相同，通过铰接连接时，接头间两浮箱的应力差异最大，另外通过半刚接连接时，应力居中。平台在工况二条件下通过3种连接形式时，z方向的位移差异偏小，重点是因为上层施工平台的纵梁把浮式平台连接成一个整体，继而让浮式平台获得了很大的整体刚度。图2.4到图2.9是浮式平台在工况三到工况五条件下的位移（即吃水深度），还有平台在接头位置的应力值。平台在工况二到工况五条件下的倾斜坡度依次是0.33%、2.81%、-3.23%与-2.44%，例图2.10:图2.10工况三到工况五条件下丙丁钩接头x=8位置z方向的位移只有在工况二条件下，平台的倾斜坡度处在1.5%以下，工况三到工况五条件下平台的倾斜坡度都不符合要求。在该处能够利用下述几个办法来削减浮式平台在多种工况条件下的倾斜坡度，其一把平台横梁放在平台跨中对称布置（也就是削减平台在工况二条件下的倾斜坡度）；其二是增添系缆桩以对平台z方向进行约束。下文对浮式平台的应力分布进行分析，由图2.4到图2.9能够发现，浮式平台在工况三到工况五条件下，实肋板、侧龙骨与主龙骨等构件的受力都不大，端板、侧板和甲板的受力也不大，而在系缆桩位置产生最大应力，主要是因为系缆桩被当作一节点，因此产生了应力集中。在忽略系缆桩位置的应力时，会在接头位置产生最大应力，同时各个位置的接头应力存在很大不同。在工况三条件下下，浮式平台接头位置的最大应力产生在8#和6#接头位置，依次是37.5MPa与38.4MPa；在工况四条件下，接头位置的最大应力产生在7#和5#接头位置，分别是30.8MPa与34.6MPa；在工况五条件，接头位置的最大应力产生在8#和6#，分别是38.4MPa和31.4MPa，例图2.11。图2.11工况三到工况五条件下丙丁钩接头x=8位置的等效应力利用更为深入的解析，还能够发现，在不同接头位置最大应力产生在x=8（也就是接近浮式平台中的丙丁钩接头）接头位置。这就表明，假如接头均是牢固的，那在平台接头达到自身最大承载能力时，先损坏的会是下层的丙丁钩接头。因为浮式平台在不同工况条件下，在系缆桩之外存在较大应力，主要是因为是把系缆桩当作一节点，在浮箱桁架、强肋骨、主龙骨、强横梁等地方，相应的应力都不大，在单双耳接头和丙丁钩位置的最大应力是38.4MPa，和Q235材料屈服强度235MPa相比要小的多，说明浮式平台在多种工况条件下，自身的承载安全系数很高，浮式平台总体性能较好。总结本文是基于有限元理论，以创建浮箱三维梁板模型，利用比较解析，提出一个接头半刚接的简化解析措施；同时基于压力分布法里面的“零吃水假定”，利用了“水弹簧”概念。以单箱在偏载和自重条件通过理论运算、均布和不均布水弹簧