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鋼接頭結構優化

發布日期:2018-01-28   閱讀量: 174 次

1 概述
港珠澳大橋海底隧道由33 節沉管管節和一個最終接頭組成,最終接頭與沉管管節的連接是在水下進行。利用浮吊將最終接頭吊裝就位,其內嵌液壓千斤頂系統啟動,頂推小梁結構向遠離最終接頭本體的方向移動,帶動M 止水帶張拉,移動到一定距離后,頂推小梁端部的Gina 止水帶抵達相鄰管節的鋼帽,Gina 止水帶壓緊后,即實現管節內外部的隔離,最后對管節內部排水,形成可施焊的空間,鋼接頭的焊接就在該空間內進行,相關結構關系參照圖1。鋼接頭由內圈連接鋼板、外圈連接鋼板、小加勁、隔板體系組成,在隧道橫截面上,隔板是每隔一段距離布置一檔。連接鋼板均是工廠內分塊制作,發運至隧道安裝現場。鋼接頭焊接完成后,形成了永久的封閉內部,灌注高流動性混凝土,完成隧道的連接并實現最后的貫通。連接鋼板的焊接存在大量仰焊作業,且作業空間受到限制,國內外沒有可借鑒的經驗,存在如下難點:
(1)施工環境惡劣,焊接空間受限。鋼接頭的焊接是在Gina 臨時止水的狀態下進行,并且結合腔內部環境潮濕,無自然通風條件,最終接頭與鋼帽間的作業空間凈距僅1米。
(2)鋼接頭焊縫工作量大,焊接質量要求高,對接焊縫必須全熔透焊接,100%通過UT/MT 探傷檢測。
(3)鋼接頭焊接施工的周期必須盡量短。由于鋼接頭焊接完成之前,結合腔內僅依靠油缸頂推GINA 止水帶隔絕海水,風險太高。所以盡早完成結合腔內鋼接頭連接鋼板的焊接工作是沉管工程能夠安全貫通的有效保障。
(4) 往結合腔內運輸構件的工作量很大,勞動強度大且安全風險也高。我們從以下幾個方面對鋼接頭連接鋼板做出調整, 有效降低鋼接頭連接鋼板現場焊接的難度。
(1)優化鋼接頭連接鋼板的劃分,減少現場焊接長度,切實地降低現場焊接工作的難度。
(2) 將部分鋼接頭的連接鋼板懸掛到最終接頭的結構上(在工廠內),以減少施工現場連接鋼板的搬運量,大大降低勞動強度,減少安全風險。
(3)對鋼接頭結構進行做局部改進,以增強鋼接頭連接鋼板焊接過程中整個結構的穩定性、安全性。

圖1 最終接頭與相鄰管節的連接
2 鋼接頭連接鋼板分塊方案的優化
鋼接頭的初步設計中內外圈面板分塊較多,以鋼接頭頂墻某段區域為例,在2.2 米的長度上(兩隔板凈距),內外圈連接鋼板分塊如圖2 上部分示圖。鋼接頭外圈有6 塊鋼板,它們之間通過T 肋現場焊接連接;在隧道的縱向上,它們與相鄰管節的鋼帽以及最終接頭的鋼結構焊接。鋼接頭的內圈也有6 塊鋼板,通過L肋現場連接;在隧道的長度方向上,它們與相鄰管節的鋼帽以及最終接頭的鋼結構焊接。經統計在2.2 米長的范圍內,焊縫長度就達到了約25 米長,整個鋼接頭的的焊縫長度通過測算共計達4200 米。
經過初步評估,我們在保證鋼結構整個結構受力性能不下降的前提下,采取以下方法對鋼接頭連接鋼板的分塊進行重新劃分,以降低現場焊接工作量,同時保證焊接質量更可控。
(1)鋼接頭的連接鋼板,隔板關鍵幾何定位尺寸,板厚材質等保持不變;
(2)鋼接頭在隧道橫截面包括連接鋼板,隔板等上關鍵幾何定位尺寸保持不變;
(3)減少鋼接頭內圈,外圈連接鋼板分塊,并且T 肋,L肋均用扁鋼代替。
鋼接頭連接鋼板分塊經過調整后,同樣以前述鋼接頭某段2.2 米長范圍內的連接鋼板為例,其分塊情況如圖2下部分示圖所示。
鋼接頭外圈有2 塊鋼板,它們通過對接焊接連接;在隧道的縱向上,它們與相鄰管節的鋼帽以及最終接頭的鋼結構焊接。
鋼接頭內圈僅有1 塊鋼板,它與相鄰連接的鋼板直接對接焊接;在隧道的縱向上,它與相鄰管節的鋼帽以及最終接頭的鋼結構焊接。經測算,在2.2 米長的范圍內,其焊縫長度約為12 米長(同樣未考慮隔板的焊接),與連接鋼板分塊調整前相比,焊縫長度減少50%以上,整個項目的焊縫長度減少到2000 米。

圖2 鋼接頭連接鋼板分塊優化前后對照圖
3 鋼接頭連接鋼板懸掛
在工廠內將部分連接鋼板組件懸掛到最終接頭結構上,以此來減少現場鋼接頭連接鋼板搬運,安裝的工作量。
在最終接頭鋼結構的傾斜面上焊接耳板,連接鋼板組件上同樣焊接相配套的耳板組合件,并利用銷軸連接耳板和耳板組合件。鋼接頭內圈連接鋼板與外圈連接鋼板同樣處理, 其區別僅是吊耳焊接位置不同。通過該方法處理了頂墻以及側墻部分連接鋼板組件,最終懸掛到最終接頭上的連接鋼板約占
連接鋼板總量的25%, 這也就大大減少了相應連接鋼板現場的搬運及安裝。
4 鋼接頭部分隔板改造
在對鋼接頭連接鋼板施焊前,頂推小梁的臨時支撐管是要拆除的。拆除臨時支撐的同時,頂推小梁所受外力將會發生變化,這就可能導致頂推小梁發生不可控的位移,止水橡膠就可能受到破壞,其帶來的后果就是結合腔內止水失效,這對整個沉管隧道來說,是災難性的。為了確保這一情況不會發生,我們在頂推小梁鋼管拆除前,對結構先行加固。在狹小的空間內,如新增結構加固,將會增加焊接難度,使焊接質量變得更難以控制,最可靠的方案就是對已有結構進行改造。
鋼接頭結構是由連接鋼板與隔板組成,對部分隔板結構進行改造,將隔板改成純“工”字型結構(去除原先的小加勁板),其上翼緣板為外圈連接鋼板,腹板為隔板,下翼緣板為內圈連接鋼板,并在上翼緣頂部增設墊板。
對于整圈鋼接頭來說,我們改造的隔板涉及到頂墻區域四處,側墻區域兩處,底墻區域七處,改造的隔板結構在臨時撐管拆除(或部分拆除)前先行焊接,加固頂推小梁,從而避免結合腔止水失效的情況發。
5 結束語
通過鋼接頭連接鋼板分塊的優化,連接鋼板的懸掛以及隔板結構的改造,降低了現場焊接的工作量和施工難度,提高現場結構的安全性,為隧道后續混凝土澆注和最終隧道的全線貫通鋪平道路。
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