本發(fā)明涉及沉管隧道，特別地是一種變截面沉管管節(jié)重、浮心位置的確定及糾偏方法。

背景技術(shù)：

1、沉管隧道要經(jīng)過大量復(fù)雜的水中作業(yè)，包括浮運(yùn)、沉放、對(duì)接等，各階段的作用荷載、組合效應(yīng)、施工工況與其它隧道工法相比有很大的差異。由于受到水流力和不同階段施工荷載的作用，其受力過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。

2、等截面直線和大半徑曲管段的起浮、浮運(yùn)和沉放等工序已有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，且施工難度相對(duì)較低、風(fēng)險(xiǎn)小，然而，對(duì)于變截面管節(jié)，其特性如下：

3、一、變截面管節(jié)的特殊性

4、截面變化：變截面管節(jié)的截面寬度不是恒定的，而是隨著長度方向逐漸變化。這種變化使得管節(jié)在浮運(yùn)過程中的受力情況變得復(fù)雜。

5、重心與浮心不對(duì)稱：由于截面寬度的變化，變截面管節(jié)的縱橫向重心和浮心往往不重合，這增加了管節(jié)在浮運(yùn)過程中的不穩(wěn)定性。

6、流體動(dòng)力特性復(fù)雜：變截面管節(jié)在浮運(yùn)過程中會(huì)受到水流、波浪等多種流體動(dòng)力的作用，這些力的作用點(diǎn)和大小都會(huì)隨著管節(jié)截面的變化而變化，進(jìn)一步增加了管節(jié)的傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

7、二、傾覆原因分析

8、流體動(dòng)力不平衡：當(dāng)變截面管節(jié)在浮運(yùn)過程中受到不均勻的流體動(dòng)力作用時(shí)，如一側(cè)受到較大的水流沖擊力或波浪力，而另一側(cè)受力較小或不受力，就會(huì)導(dǎo)致管節(jié)產(chǎn)生傾覆力矩。

9、重心偏移：由于管節(jié)重心與浮心的不重合，當(dāng)管節(jié)受到外力作用時(shí)(如水流、波浪、風(fēng)等)，重心容易發(fā)生偏移，進(jìn)而引發(fā)管節(jié)的傾覆。

10、操作不當(dāng)：在浮運(yùn)過程中，如果操作不當(dāng)(如拖航速度過快、轉(zhuǎn)向過急等)，也容易導(dǎo)致管節(jié)失去平衡并發(fā)生傾覆。

11、在物理學(xué)中，重心是物體各部分所受重力的合力的作用點(diǎn)，而浮心則是物體在流體中受到浮力時(shí)，浮力作用線的交點(diǎn)。對(duì)于變截面管節(jié)來說，由于其截面形狀和尺寸的變化，其重心和浮心的位置也會(huì)相應(yīng)變化。當(dāng)重浮心相差較大時(shí)，管節(jié)在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生傾斜或翻滾，從而影響其穩(wěn)定性和正常運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)和安裝變截面管節(jié)時(shí)，必須充分考慮其重浮心的差異，并進(jìn)行精確的計(jì)算和糾偏。具體來說，可以通過以下步驟進(jìn)行：

12、1、精確測量和計(jì)算：首先，需要對(duì)變截面管節(jié)的各個(gè)截面進(jìn)行精確測量，包括其尺寸、形狀、重量等參數(shù)。然后，利用物理學(xué)原理計(jì)算出管節(jié)的重心和浮心位置。這一步是后續(xù)計(jì)算和糾偏的基礎(chǔ)。

13、2、分析重浮心差異：在得到重心和浮心的位置后，需要分析它們之間的差異。如果差異較大，說明管節(jié)在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生傾斜或翻滾。此時(shí)，需要采取相應(yīng)的措施來減小這種差異。

14、3、制定糾偏方案：根據(jù)重浮心差異的分析結(jié)果，制定具體的糾偏方案。糾偏方案可以包括改變管節(jié)的形狀、尺寸、重量分布等參數(shù)，以調(diào)整其重心和浮心的位置。同時(shí)，也可以考慮在管節(jié)上安裝支撐結(jié)構(gòu)或調(diào)整其安裝方式，以增加其穩(wěn)定性。

15、4、實(shí)施糾偏措施：在制定好糾偏方案后，需要按照方案的要求進(jìn)行實(shí)施。實(shí)施過程中需要注意安全和質(zhì)量問題，確保糾偏措施的有效性和可靠性。

16、5、測試和驗(yàn)證：在糾偏措施實(shí)施完成后，需要進(jìn)行測試和驗(yàn)證工作。通過模擬實(shí)際工況下的受力情況，檢驗(yàn)管節(jié)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效果是否滿足要求。如果發(fā)現(xiàn)問題或不足之處，需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

17、綜上所述，變截面管節(jié)因?yàn)橹馗⌒南嗖畲蟾枰?jì)算和糾偏。通過精確測量和計(jì)算、分析重浮心差異、制定糾偏方案、實(shí)施糾偏措施以及測試和驗(yàn)證等步驟，可以確保變截面管節(jié)的穩(wěn)定性和正常運(yùn)行

18、然而對(duì)于變截面管節(jié)，截面特性沿縱向變化，浮心和重心位置難以確定和控制，易引起管節(jié)在水中橫向傾斜，并出現(xiàn)負(fù)值定傾高度，若繼續(xù)傾斜超過一定角度后，難以保障管節(jié)穩(wěn)性，需要對(duì)管節(jié)的浮心和重心進(jìn)行糾偏。由于管節(jié)浮心由其水平投影中心確定，重心依據(jù)管節(jié)上的荷載分布計(jì)算，則變截面管節(jié)兩側(cè)端部截面面積相差越大，其浮心與重心偏離愈大，管節(jié)傾斜問題就愈顯著，增加設(shè)計(jì)難度的同時(shí)也給施工質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)控制提出了更高的要求。為了克服變截面沉管管節(jié)在起浮、浮運(yùn)及沉放中的受力及糾偏問題，提出一種變截面沉管管節(jié)重、浮心位置的確定及糾偏方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種變截面沉管管節(jié)重、浮心位置的確定及糾偏方法，可以規(guī)范計(jì)算變截面的沉管隧道重浮心位置，合理地確定管節(jié)定傾高度，確保管節(jié)在各種情況下都能保持穩(wěn)定。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種變截面沉管管節(jié)重、浮心位置的確定及糾偏方法，其中，包括以下步驟：

4、步驟1：建立不同變截面沉管管節(jié)的平面形式；

5、步驟2：采用理論公式計(jì)算考慮兩側(cè)封墻下不同平面形式下變截面沉管管節(jié)的重心及浮心位置；

6、步驟3：采用理論公式計(jì)算變截面沉管管節(jié)的重、浮心間距與不平衡力矩；

7、步驟4：根據(jù)重、浮心間距及變截面沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)形式，確定調(diào)控重心位置的方案，計(jì)算得到調(diào)控重、浮心位置一致的所需的力矩時(shí)所需調(diào)控重心位置的荷載布置方式。

8、進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述步驟1中不同變截面沉管管節(jié)的平面形式分別有等截面-變截面形式、等截面-變截面-等截面形式以及變截面-等截面形式。

9、進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述步驟2中不同截面形式重浮心位置為：

10、形式一：

11、浮心計(jì)算公式：

12、構(gòu)件軸對(duì)稱的情況下yg＝0，重心計(jì)算公式：

13、構(gòu)件軸對(duì)稱的情況下yg＝0，

14、

15、式中：h為管段結(jié)構(gòu)高度(m)；h為干舷值(m)；b1、b2分別為變截面沉管管節(jié)的兩端直徑；l1、l2分別為變截面沉管管節(jié)不同截面的軸向長度，l3、l4分別為變截面沉管管節(jié)兩端的封底寬度，g1為一端封底截面重力、g2為空心等截面重力、g3為空心變截面重力、g4～g5為另一端封底截面重力，yg，zg，xg為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)與垂直底面以上高度；

16、形式二：

17、浮心計(jì)算公式：

18、構(gòu)件軸對(duì)稱的情況下yg＝0，

19、

20、重心計(jì)算公式：

21、構(gòu)件軸對(duì)稱的情況下yg＝0，

22、

23、式中：h為管段結(jié)構(gòu)高度(m)；h為干舷值(m)；b1、b2分別為變截面沉管管節(jié)的兩端直徑；l1、l2、l3分別為變截面沉管管節(jié)不同截面的軸向長度，l4、l5分別為變截面沉管管節(jié)兩端的封底寬度，g1為一端封底截面重力、g2為空心等截面重力、g3為空心變截面重力、g4為另一端封底截面重力，yg，zg，xg為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)與垂直底面以上高度；

24、形式三：

25、浮心計(jì)算公式：

26、構(gòu)件軸對(duì)稱的情況下yg＝0，

27、

28、重心計(jì)算公式：

29、構(gòu)件軸對(duì)稱的情況下yg＝0，

30、

31、式中：h為管段結(jié)構(gòu)高度(m)；h為干舷值(m)；b1、b2分別為變截面沉管管節(jié)的兩端直徑；l1、l2分別為變截面沉管管節(jié)不同截面的軸向長度，l3、l4分別為變截面沉管管節(jié)兩端的封底寬度，g1～g5為一端封底截面重力、g2為空心等截面重力、g3為空心等截面重力、g4為另一端封底截面重力，yg，zg，xg為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)與垂直底面以上高度。

32、進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述步驟3中不同截面形式重、浮心間距不平衡力矩分別為δxg與g總δxg。

33、進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述步驟4中所需平衡力矩考慮為不對(duì)變截面沉管管節(jié)增加額外體積的情形。

34、進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，糾偏方式考慮為對(duì)內(nèi)部均勻增重或加壓模式下，考慮浮心另一側(cè)全長均勻重量情況下的q分布為2g總δxg/l2，l為浮心至另一側(cè)封墻全長，此時(shí)重浮心位置一致；糾偏方式考慮為集中荷載條件下f為g總δxg/集中荷載與浮心位置間距。

35、本發(fā)明具有以下有益效果：

36、本發(fā)明針對(duì)特殊的變截面沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)，可以規(guī)范計(jì)算變截面的沉管隧道重浮心位置，通過確定重浮心位置從而合理地確定管節(jié)定傾高度，掌控管節(jié)在各種工況下的穩(wěn)定性，保證變截面沉管管節(jié)水中浮運(yùn)的安全性和穩(wěn)定性。本發(fā)明解決了變截面沉管管節(jié)在起浮、浮運(yùn)中的受力的問題，有效降低了設(shè)計(jì)難度，降低了施工控制風(fēng)險(xiǎn)。