气囊出运沉管管节结构计算
通过Ansys 软件仿真模拟验算气囊搬运管节过程中的管节应力，计算结果表明这一工艺安全可靠切实可行。关键词：气囊；出运： ANSYSSegment structural calculation for airbag transported sinking pipes
Abstract: In recent years,aihags that transport heavy units are used in marine projects more and more. Inthis article,throughthemodeling exerciseby sofware“ANSYS”,thepressure andstressdistributionof 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、海湾或海 峡的水下预先开挖好基槽，然后将预制好的沉管 (钢壳式或钢筋混凝土式)从制作场地浮运到江河、海湾或海峡的施工现场，依次沉放在基槽中 并加以连接，从而建成隧道的施工方法。1810年 Charles Wyatt 就首次在伦敦进行了沉 管隧道施工试验，但直到19世纪末期，这种工法 才被加以完善并付诸实施。1910年在美国底特律 河用此工法建成第一座用于交通运输的水下隧道， 这也是世界上第一条沉管法建造的铁路隧道。之 后美国修建了许多沉管隧道。1937—1942年荷兰 在鹿特丹修建的马斯河隧道标志着欧洲开始使用 沉管隧道。按国际隧道协会统计，从19世纪末至 今世界各国修建的沉管隧道已有122座。沉管隧道在我国引进时间不长，已建沉管隧 道11条。近年来沉管隧道的施工技术已日趋完善 成熟，随着经济建设快速发展，沉管隧道的应用
必将越来越多。气囊搬运技术最初主要应用于中、小型船舶 上下水，20世纪90 年代中开始在水运工程中采 用。气囊搬运重物的原理与滚筒搬运重物原理基 本相同，不同的是：滚筒是刚性的，与地基是线 接触，工作时为圆周运动：而气囊是柔性的，工 作时呈扁圆形。气囊搬运重物时气囊为扁圆形， 气囊与地面为面接触，受力面积大，单位面积受 力小，对场地适应性强。在采用气囊法出运和转 运重物时具有投资少、操作简便、灵活、对场地 要求不高、安全可靠等优点。气囊搬运技术在沉管隧道施工中还未有采用， 但从气囊搬运法在水工工程中的成功应用可发现， 气囊搬运技术也完全适用于沉管隧道的预制管节 搬运。本文就一沉管隧道项目采用气囊搬运沉管 管节工艺，根据搬运过程中的不同情况选取3种 不同荷载组合进行计算，分析管节应力状况，计算结果表明管节应力均满足结构的抗裂要求，整 个工作过程处于安全状态。这一工艺可以满足工 程建设的要求，是可行的。
1 气囊选用设计0.30 MPa, 安全阀限压值取0.35 MPa。考虑沉管 的尺寸，选用长度为7.5 m 和14 m 两种，施工 过程顶升高度取430 mm,工作高度取300 mm。气囊工作的相关数据按如下公式计算： 单个气囊承压面宽度H-9:
根据构件尺寸及重量，考虑场地实际情况， 初选气囊直径及承载时可能的摆放情况进行压力 计算，最后根据计算结果选定气囊压力等级、直 径和长度。计算公式田为：B=π(D-H)/2气囊承压面积：S=nBL=nπL(D-H)/2气囊气压：③
(4
Q=pSx10 式中： Q 为气囊总承载力 (kN) :P 为气囊内充气压力 (MPa):S 为气囊与其承载的构件之间的接 触面积m²,S=nBL,n 为承载气囊数量；B 为气囊 与构件的接触宽度(m);L 为气囊与构件的接触长 度 (m); 气囊与构件的接触宽度与气囊直径D 及 工作高度H有关：B=π(D-H)/2 ②通过计算，考虑如下原则选用气囊：1)气囊额定工作压力为计算额定压力值的1.2倍以上； 2)气囊之间的间隔应足够，同时应考虑构件的支垫、构件强度及地基承载力；3 工作高度一般不低于0.2D;4 工作时气囊总数量N一般应增加2~4根接续气囊，即： N=n+(2~4)。
2 相关参数计算确定选用直径φ1000mm 超高压气囊，出厂检验 承压能力为0.39 MPa, 正常使用许用压力为p=Q1S=2Q/ ⑤式中：D 为气囊直径： H 为气囊工作高度；L 为气 囊有效承压长度； N 为气囊个数； Q 为构件重量。 通过试算，选取气囊根数。试算如表1所示。表1 沉管出运气囊试算表
气囊根数顶升工况移运工况
S/m²PYMPa
SAm²YMPa
675.20970.288292.36280.2347
787.74470.2471107.75660.2012
8100.27960.2162123.15040.1760
9112.81460.1922138.54420.1565
10125.34950.1729153.93800.1408
取安全系数1.5,气囊压力≤0.2 MPa,故选 取9根气囊顶升搬运沉管。气囊净距a 取0.40 m。单个气囊占据的宽度为a+H+B, 取1.8 m。采用9条14.0 m长气囊进行搬运，气囊垂 直沉管纵轴线布置。根据上述计算公式，并根 据沉管尺寸，计算施工过程中气囊的工作参数 如表2。
表2 沉管出运气囊工作参数
气囊根数/件 沉管质量A顶升/脱模板拖运过程
工作高度 H/mm气囊总承压面积 S/mm气囊气压PMPa工作高度 H/mm气囊总承压面积 S/mm²气囊气压PYMPa
4222124301128146000.19223001385442000.1565
3 算例某工程沉管单段长度为80m, 宽为23m, 高为8.55 m, 共需预制沉管4节。每延米管节重188.76t(混凝土密度按2600 kg/m³ 计，截面积72.6 m², 单段管节重量为15100 t。沉管断面见图1。则其相关取值如表3。跨间距为： l=1.8m均布荷载为：q=1849.85kN/m
表3 管节出运气囊试算
气囊排数顶升工程(H=40cm)移运工况(H=35cm)移运工况(H=30cm
S/m² p/MPaS/m²p/MPaS/m²p/NP
43810.12000,182877.63000.1686945.14000.1566
44828.96000.1785898.04000.1648967.12000.1530
45847.80000.1745918.450.00.1611989.10000.1496
46866.64000.1708938.86000.15761011.08000.1464
表4 管节出运气囊工作参数
顶升/脱模板搬运过程
气囊排数沉箱重量/kN工作高度气囊总承压面积气囊气压工作高度气囊总承压面积气囊气压
HmS/mm²p/MPaH/mmS/mm²p/MPa
44151004008289600000.1785350898040000.1648
弯矩 M=aPP跨中最大弯矩： M…中=468.093 kN·m支座最大弯矩：M =629.319 kN·m3.1 Ansys分析考虑出运过程中可能出现的不利因素，选取 以下几种工况进行气囊及管节仿真计算：D 工况3(气囊充气支撑沉管，型钢抽出： 场地条件是由预制底座至上驳通长设置1%的坡 度，自重作用。2 工况5(沉管搬运阶段):场地条件是由预 制底座至上驳通长设置1%的坡度，在该场地条件 下通道某处10m 左右范围以内地面出现-5 cm 的 凹点，考虑凹点出现在结构中间部位时的情况。3工况6(沉管上驳阶段：场地条件是由 预制底座至上驳通长设置1%的坡度，在该场地 条件下最不利的情况。该最不利情况是：牵引上 船时，结构一半在船上、 一半在船下，结构上船 段甲板及基床产生10 cm 的总沉降，过渡段气囊 产 生 2cm 的压缩，陆上段地面存在-5 cm的凹 点。以上各种工况中沉管结构采用梁单元模拟气 囊对沉管结构的作用采用弹簧单元来模拟。3.2 计算结果计算结果见表5~10。3.3结果分析ANSYS 能根据计算结果进行多种分析(应力 应变分析)国，这里仅对其进行是否符合安全要求 的分析，由计算结果不难看出，采用气囊出运管节各工况下均未超过气囊的允许应力及混凝土的 抗拉应力，整个过程可保证处于安全可靠的状态。 该工艺可满足工程建设的要求，具备可行性。
4 结语气囊出运管节工艺具有良好的可操作性和较 高的安全可靠性，完全可以满足大多数钢筋混凝 土沉管隧道的施工建设，有较高的推广应用价值。表5 工况3气囊应力计算结果 Pa
气囊编号应力气囊编号应力
1-164610.023-164350.0
2-164600.024-164040.0
3-164590.025-164320.0
4-164280.026-164310.0
5-164570.027-164300.0
6-164550.028-164280.0
7-164540.029-163960.0
8-164630.030-164250.0
9-164210.031-164240.
10-164500.032-164220.0
11-164500.033-164220.0
12-164480.034-163900.0
13-164470.035-164190.0
14-164160.036-164180.
15-164450.037-164160.0
16-164440.038-164150.0
17-164420.039-163820.0
18-164410.040-164110.0
19-164090.041-164100.0
20-164380.042-164080.0
21-164370.043-164070.0
22-164360.044-163760.0
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