用于大型浮式塢門的橡膠墊結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬勇，黃丹蘋，陳良志

用于大型浮式塢門的橡膠墊結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬勇，黃丹蘋，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州510230）

港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠項目中，首次提出將橡膠墊結(jié)構(gòu)用作大型浮式塢門的緩沖裝置。在設(shè)計過程中，借鑒橡膠支座的設(shè)計原理，采用有限元軟件ANSYS對橡膠墊與浮塢門之間的相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析橡膠墊的結(jié)構(gòu)受力和變形情況，確定了合理的結(jié)構(gòu)尺寸和布置方式。工程實踐中使用效果良好，充分驗證了該方案的可行性，相關(guān)設(shè)計方法可供其他類似工程參考。

大型浮式塢門；橡膠墊；數(shù)值模擬；港珠澳大橋

0 引言

橡膠墊是一種以橡膠為原料的墊片結(jié)構(gòu)，工程中多用作防撞緩沖結(jié)構(gòu)，避免剛性物體之間的碰撞破壞，其結(jié)構(gòu)特性類似于橋梁工程中廣泛使用的橡膠支座。在港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠項目中，橡膠墊結(jié)構(gòu)首次被用作大型浮式塢門的啟閉緩沖裝置。

桂山沉管預(yù)制廠作為港珠澳大橋項目的重要配套工程，在整個項目中起著極為重要的作用。為滿足工廠化流水線生產(chǎn)沉管的技術(shù)要求，設(shè)置了深塢和淺塢兩個功能區(qū)，其中深塢塢口是管節(jié)出塢的咽喉，為適應(yīng)塢內(nèi)蓄水和管節(jié)出塢的需求，深塢塢口處設(shè)置了具備反復(fù)啟閉功能的浮塢門結(jié)構(gòu)，其典型斷面圖見圖1。浮塢門為鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，長59 m、寬25.2 m、高29.1 m，總重量約為13 600 t。蓄水工作時，塢內(nèi)蓄水標(biāo)高為15.35 m，浮塢門內(nèi)外最大水頭差為15.87 m，其產(chǎn)生的水平荷載約為202 180 kN，此時浮塢門承受的豎向荷載約為322 250 kN，在如此巨大的水平荷載和豎向荷載作用下，塢門底部將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力；同時，由于塢門底板為大尺寸混凝土構(gòu)件（長59 m、寬25.2 m，其面積相當(dāng)于2個籃球場），其表面上的平整度偏差難以避免。若浮塢門與塢口底板直接接觸，兩剛性體之間的大面積接觸勢必存在接觸不均而導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，因而產(chǎn)生極大的壓應(yīng)力，可能導(dǎo)致塢門底板的破壞。為避免這一情況的發(fā)生，提出了橡膠墊的設(shè)計方案，即在塢口底板上鋪設(shè)一層橡膠墊作為緩沖設(shè)備[1]，實現(xiàn)浮塢門與塢口底板之間的“軟接觸”。本文將對這種橡膠墊結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進(jìn)行介紹，以期為其他同類項目提供參考。

圖1 深塢浮塢門典型斷面圖（蓄水工作狀態(tài)）Fig.1Typical section of deep floating gate(water storage working condition)

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

橡膠墊的結(jié)構(gòu)特性與橡膠支座類似，兩者都具備緩沖和擴(kuò)散應(yīng)力的作用，其主要區(qū)別在于橡膠支座由多層橡膠和加勁薄鋼板組成，豎向剛度較大[2]，而橡膠墊為單層橡膠結(jié)構(gòu)，豎向剛度較小，具備更好的彈性變形能力[3]。

本工程所需的緩沖設(shè)備應(yīng)具有足夠的壓縮變形能力，以便適應(yīng)塢門底板和塢口底板的不平整，結(jié)合這一功能需求，選用了剛度較小的橡膠墊結(jié)構(gòu)作為緩沖設(shè)備。

目前，關(guān)于橡膠支座的設(shè)計理論已非常成熟，由于橡膠墊和橡膠支座的結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計原理基本相同，本文將參照橡膠支座的技術(shù)要求對橡膠墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。

1.2 壓縮變形要求

為了適應(yīng)浮塢門底板和塢口底板的不平整度，消除兩者之間因接觸不均而導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，所需的橡膠墊結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的壓縮變形能力。根據(jù)現(xiàn)有的預(yù)制工藝條件，平整度偏差可控制在5 mm以內(nèi)，考慮到橡膠的抗壓強(qiáng)度約為10 MPa，因此要求橡膠墊的壓縮變形能力需滿足以下條件：在5 MPa的面壓作用下，橡膠墊壓縮變形在20 mm左右。

1.3 結(jié)構(gòu)尺寸確定

JT/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》中第4.2條，關(guān)于矩形橡膠支座抗壓彈性模量E給出了相關(guān)規(guī)定，要求支座抗壓彈性模量E和支座形狀系數(shù)S分別按照式（1）和式（2）計算[5]：

式中：E為抗壓彈性模量，MPa；G為抗剪彈性模量，取G=1.0 MPa；S為支座形狀系數(shù)；loa為加勁鋼板短邊尺寸，mm；lob為加勁鋼板長邊尺寸，mm；t為中間單層橡膠片厚度，mm。

同時，考慮到支座橡膠的穩(wěn)定性，規(guī)范規(guī)定支座中橡膠總厚度應(yīng)滿足以下條件[5]：為矩形支座短邊尺寸

根據(jù)以上關(guān)于橡膠支座的技術(shù)要求，結(jié)合壓縮變形能力要求，經(jīng)計算，確定橡膠墊的結(jié)構(gòu)尺寸為：0.5 m×0.5 m×0.09 m（中間橡膠塊厚度為70 mm，上下兩塊鋼板厚度為10 mm），具體結(jié)構(gòu)見圖2和圖3。

圖2 橡膠墊結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2Plan of rubber buffer structure

圖3 橡膠墊結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.3Section of rubber buffer structure

1.4 布置方式確定

通過分析橡膠墊與浮塢門之間的受力特點，主要從以下幾個方面考慮橡膠墊的布置：

1）盡量縮小橡膠墊的布置面積，增大作用在橡膠墊上的壓應(yīng)力，充分發(fā)揮橡膠墊的承壓能力，從而節(jié)省工程造價；

2）將橡膠墊集中布置在對應(yīng)塢門豎向壁板處，這樣既符合受力特點，同時可避免橡膠墊的支座反力使塢門底板產(chǎn)生較大的彎矩；

3）在靠海側(cè)布置較多數(shù)量的橡膠墊，在靠深塢側(cè)布置少量的橡膠墊。

根據(jù)以上分析思路，確定了如圖4所示的布置方案。

圖4 橡膠墊布置圖Fig.4General arrangement of rubber buffer

2 數(shù)值模擬

采用通用有限元軟件ANSYS對橡膠墊與浮塢門之間的相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬[6]，通過分析橡膠墊的結(jié)構(gòu)受力和變形情況，驗證了橡膠墊布置方式的合理性。

2.1 模型單元選取

浮塢門為鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，選用常用的Shell43單元模擬；橡膠墊與浮塢門為接觸關(guān)系，兩者之間僅能產(chǎn)生壓應(yīng)力，因此選用非線性彈簧單元Combin39模擬橡膠墊[6-7]，其等效彈簧的剛度按照式（3）計算：

式中：K為模擬橡膠墊的等效彈簧剛度，kN/m；E為橡膠墊的抗壓彈性模量，kPa；由前述計算得E=17.22 MPa；t為橡膠墊厚度，m，本工程中t=0.07 m；A為模型中塢門底板網(wǎng)格單元面積，m2。

2.2 數(shù)值分析

1）有限元模型

建立的數(shù)值分析模型見圖5和圖6。

圖5 數(shù)值分析整體模型Fig.5Finite element model for numerical analysis

圖6 橡膠墊等效彈簧布置圖Fig.6Arrangement of equivalent spring for rubber buffer

模型中，塢門底板網(wǎng)格單元面積為A=0.5× 0.5=0.25 m2；橡膠墊等效彈簧剛度為

2）數(shù)值分析結(jié)果

數(shù)值分析的計算結(jié)果詳見表1。

表1 數(shù)值分析結(jié)果匯總表Table 1The results of numerical analysis

根據(jù)數(shù)值分析計算結(jié)果，進(jìn)行以下幾個方面的核算：

①考慮浮塢門底板存在5 mm的平整度偏差，作用在橡膠墊上的最大面壓為σ=σ1+σ2=3.78 MPa；橡膠墊平均壓應(yīng)力限值σc=10 MPa＞σ= 3.78 MPa，滿足設(shè)計要求；C40混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc=19.5 MPa＞σ=3.78 MPa，滿足設(shè)計要求。

②根據(jù)JTS 151—2011《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]中相關(guān)規(guī)定，復(fù)核浮塢門底板的受彎和受剪承載力，計算結(jié)果見表2。

表2 浮塢門底板強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果Table 2The results of strength verification of bottom slab of floating gate

③根據(jù)浮塢門底板的豎向位移可以看出，在浮塢門蓄水工作狀態(tài)下，橡膠墊均處在壓縮狀態(tài)，這說明浮塢門與橡膠墊之間未發(fā)生脫開現(xiàn)象，有效地保證了浮塢門與位于塢口底板上的橡膠止水帶之間的良好接觸，起到了止水效果，滿足了使用要求。

根據(jù)上述復(fù)核計算結(jié)果可以看出，擬定的橡膠墊布置方案是可行的；浮塢門底板所承受的彎矩和剪力均已接近承載能力限值，說明此時橡膠墊布置個數(shù)已接近最優(yōu)狀態(tài)。

3 結(jié)語

桂山沉管預(yù)制廠項目為國內(nèi)首次將橡膠墊應(yīng)用于大型浮式塢門結(jié)構(gòu)，本項目自交工投產(chǎn)以來，使用狀況良好，運行高效，有力地保證了港珠澳大橋島隧工程的實施。至今塢內(nèi)蓄水、浮塢門啟閉共計20多次，浮塢門的使用一切正常，已成功出運了31節(jié)沉管（本項目共計33節(jié)沉管），實踐的檢驗充分驗證了橡膠墊方案的合理性和可行性，這對大型浮動式塢門的發(fā)展有著重大意義，應(yīng)用前景廣闊。

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Structural design of rubber buffer for large-scale floating gate

MA Yong,HUANG Dan-ping,CHEN Liang-zhi
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

In the project of casting yard for tunnel elements in Guishan of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,rubber buffer is proposed for the first time to be used as buffer unit for large-scale floating gate.In the design process,the design principle of rubber bearing is adopted and the interaction between rubber buffer and floating gate is simulated by finite element software ANSYS.Through the analysis of stress and deformation of rubber buffer,we determined a reasonable option for structure size and arrangement.Good application result fully verified the feasibility of this design method,which will contribute reference for other engineering.

large-scale floating gate;rubber buffer;numerical simulation;Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

U655.5

A

2095-7874（2017）08-0060-04

10.7640/zggwjs201708014

2017-01-18

2017-03-07

馬勇（1985—），男，河北滄州人，碩士，工程師，主要從事港口結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作。E-mail：may@fhdigz.com