氣囊出運沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)計算

永泰長榮

通過Ansys 軟件仿真模擬驗算氣囊搬運管節(jié)過程中的管節(jié)應(yīng)力，計算結(jié)果表明這一工藝安全可靠切實可行。

關(guān)鍵詞：氣囊；出運： ANSYS

Segment structural calculation for airbag transported sinking pipes

Abstract:    In recent years,aihags that transport heavy units are used in marine projects more and more. In  this   article,through  the  modeling   exercise  by   sofware“ANSYS”,the  pressure   and  stress  distribution  of segments is caleulated,according to which it is proved that the methodology is safe,reliable and feasible.

Key      words:airbag;transportation  ; ANSYS

沉管隧道就是在修建隧道的江河、海灣或海 峽的水下預(yù)先開挖好基槽，然后將預(yù)制好的沉管 (鋼殼式或鋼筋混凝土式)從制作場地浮運到江  河、海灣或海峽的施工現(xiàn)場，依次沉放在基槽中 并加以連接，從而建成隧道的施工方法。

1810年 Charles Wyatt 就首次在倫敦進行了沉 管隧道施工試驗，但直到19世紀(jì)末期，這種工法 才被加以完善并付諸實施。1910年在美國底特律 河用此工法建成第一座用于交通運輸?shù)乃滤淼溃?這也是世界上第一條沉管法建造的鐵路隧道。之 后美國修建了許多沉管隧道。1937—1942年荷蘭 在鹿特丹修建的馬斯河隧道標(biāo)志著歐洲開始使用 沉管隧道。按國際隧道協(xié)會統(tǒng)計，從19世紀(jì)末至 今世界各國修建的沉管隧道已有122座。

沉管隧道在我國引進時間不長，已建沉管隧 道11條。近年來沉管隧道的施工技術(shù)已日趨完善 成熟，隨著經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展，沉管隧道的應(yīng)用

必將越來越多。

氣囊搬運技術(shù)最初主要應(yīng)用于中、小型船舶 上下水，20世紀(jì)90 年代中開始在水運工程中采 用。氣囊搬運重物的原理與滾筒搬運重物原理基 本相同，不同的是：滾筒是剛性的，與地基是線 接觸，工作時為圓周運動：而氣囊是柔性的，工 作時呈扁圓形。氣囊搬運重物時氣囊為扁圓形， 氣囊與地面為面接觸，受力面積大，單位面積受 力小，對場地適應(yīng)性強。在采用氣囊法出運和轉(zhuǎn) 運重物時具有投資少、操作簡便、靈活、對場地 要求不高、安全可靠等優(yōu)點。

氣囊搬運技術(shù)在沉管隧道施工中還未有采用， 但從氣囊搬運法在水工工程中的成功應(yīng)用可發(fā)現(xiàn)， 氣囊搬運技術(shù)也完全適用于沉管隧道的預(yù)制管節(jié) 搬運。本文就一沉管隧道項目采用氣囊搬運沉管 管節(jié)工藝，根據(jù)搬運過程中的不同情況選取3種 不同荷載組合進行計算，分析管節(jié)應(yīng)力狀況，計算結(jié)果表明管節(jié)應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)的抗裂要求，整 個工作過程處于安全狀態(tài)。這一工藝可以滿足工 程建設(shè)的要求，是可行的。

1 氣囊選用設(shè)計

0.30 MPa, 安全閥限壓值取0.35 MPa?？紤]沉管 的尺寸，選用長度為7.5 m 和14 m 兩種，施工 過程頂升高度取430 mm,  工作高度取300 mm。

氣囊工作的相關(guān)數(shù)據(jù)按如下公式計算： 單個氣囊承壓面寬度H-9:

根據(jù)構(gòu)件尺寸及重量，考慮場地實際情況， 初選氣囊直徑及承載時可能的擺放情況進行壓力 計算，最后根據(jù)計算結(jié)果選定氣囊壓力等級、直 徑和長度。計算公式田為：

B=π(D-H)/2

氣囊承壓面積：

S=nBL=nπL(D-H)/2

氣囊氣壓：

③

(4

Q=pSx10                                   

式中： Q 為氣囊總承載力 (kN) :  P 為氣囊內(nèi)充氣

壓力 (MPa):S   為氣囊與其承載的構(gòu)件之間的接 觸面積m2,S=nBL,n     為承載氣囊數(shù)量；B 為氣囊 與構(gòu)件的接觸寬度(m);L    為氣囊與構(gòu)件的接觸長 度 (m); 氣囊與構(gòu)件的接觸寬度與氣囊直徑D 及 工作高度H有關(guān)：

B=π(D-H)/2                                 ②

通過計算，考慮如下原則選用氣囊：1)氣囊  額定工作壓力為計算額定壓力值的1.2倍以上； 2)氣囊之間的間隔應(yīng)足夠，同時應(yīng)考慮構(gòu)件的支  墊、構(gòu)件強度及地基承載力；3 工作高度一般  不低于0.2D;4       工作時氣囊總數(shù)量N一般應(yīng)增  加2~4根接續(xù)氣囊，即： N=n+(2~4)。

2 相關(guān)參數(shù)計算確定

選用直徑φ1000mm 超高壓氣囊，出廠檢驗 承壓能力為0.39 MPa,   正常使用許用壓力為

p=Q1S=2Q/[nπL(D-H)]                      ⑤  式中：D 為氣囊直徑： H 為氣囊工作高度；L 為氣 囊有效承壓長度； N 為氣囊個數(shù)； Q 為構(gòu)件重量。 通過試算，選取氣囊根數(shù)。試算如表1所示。

表1 沉管出運氣囊試算表

氣囊根數(shù)	頂升工況		移運工況
	S/m2	PYMPa
			SAm2	YMPa
6	75.2097	0.2882	92.3628	0.2347
7	87.7447	0.2471	107.7566	0.2012
8	100.2796	0.2162	123.1504	0.1760
9	112.8146	0.1922	138.5442	0.1565
10	125.3495	0.1729	153.9380	0.1408

取安全系數(shù)1.5,氣囊壓力≤0.2 MPa,  故選 取9根氣囊頂升搬運沉管。氣囊凈距a 取0.40 m。單個氣囊占據(jù)的寬度為a+H+B,   取1.8 m。

采用9條14.0 m長氣囊進行搬運，氣囊垂 直沉管縱軸線布置。根據(jù)上述計算公式，并根 據(jù)沉管尺寸，計算施工過程中氣囊的工作參數(shù) 如表2。

表2 沉管出運氣囊工作參數(shù)

氣囊根數(shù)/件    沉管質(zhì)量A		頂升/脫模板			拖運過程
		工作高度 H/mm	氣囊總承壓面積 S/mm	氣囊氣壓 PMPa	工作高度 H/mm	氣囊總承壓面積 S/mm2	氣囊氣壓 PYMPa
42	2212	430	112814600	0.1922	300	138544200	0.1565