装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台的制作方法

文档序号:18603995发布日期:2019-09-03 23:10
装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台的制作方法

本发明涉及土木工程的结构工程技术领域,具体涉及一种装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台及其制作方法。



背景技术:

海洋平台作为海洋资源开发的基础设施,其中的导管式海洋平台是中浅海海洋平台的主要结构形式。它采用将桩穿过导管使预制的导管架固定在海上,导管架和桩是主要的承重部件,其它设备层及工作区则坐落在平台上。在风、浪、流、冰和地震等海洋环境动力荷载作用下,结构的振动反应十分剧烈。

在现有的可行技术方案中,针对导管式海洋平台结构的振动控制,一方面,主要是采用隔振措施或者采用各种阻尼器进行抗振,但隔振措施虽然能较好地控制导管架端帽位移和生活区加速度,却不适合海啸、飓风等荷载,容易倾覆。

另一方面就是改善结构形式。常规的结构形式已不满足结构设计要求,越来越多的组合结构形式应用到实际工程中,组合结构是继承了钢结构和钢筋混凝土结构各自的优点,也克服了两者的缺点而产生的一种新型的体系结构,可充分利用钢材和混凝土的特点,按照最佳几何尺寸,组成最优的组合构件。具有重量轻,构件延性好,减小截面积,同时缩短施工工期等优点。而在组合结构中,钢管混凝土是应用比较多的结构形式,因地制宜、科学的使用钢管混凝土,可满足有关工程结构像大跨、高耸、重载的需要,符合现代化施工技术的工业化要求,钢管混凝土结构因在受力和施工建造等方面的高性能而得到工程界的青睐。

虽然装配式建筑在我国得到了极大地推广,但对于海洋平台结构领域来说,从常规的设计及施工方式向装配式结构形式的过渡仍是亟需解决的问题。申请号为CN201510351272.0的中国发明专利提出了一种自复位导管架海洋平台,其导管结构包括外钢管、内钢管、波纹管及夹层混凝土,并且在波纹管内部和平台外侧加装预应力外置钢拉杆,实现海冰、地震等荷载作用下的自复位。但是施工过程中均要求有焊接过程,这对于钢管混凝土的厚壁来说,一方面给焊接过程带来了极大地难度,另一方面钢管的焊接均为单侧焊接,焊接连接强度达不到要求,从而带来安全隐患。但若不采用焊接的方式,由于梁柱节点也是结构体系中重要的受力和传力构件,因此大直径钢管混凝土的柱-柱连接节点的装配,以及钢管混凝土的柱-柱连接以及柱-横(斜)撑连接节点处的装配也是需要解决的问题。

还有学者提出了自升式海洋平台预制装配式桩腿,包括不锈钢外管和高强圆钢管,结构形式虽达到装配式结构的要求,但不可否认的是,单一的钢管柱显然不如双壁空心钢管混凝土组合柱的承载力高。

由此可见,钢管混凝土体系的装配仍缺少新的形式,设计一种既能满足“强节点、弱构件”的抗震性能要求又能实现海洋平台结构装配模块化的节点连接装置是结构工程领域亟需解决的问题。



技术实现要素:

针对现有技术的上述不足,本发明提供一种装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台,有效地避免了水下焊接的复杂过程,以及焊接强度不够所带来的安全隐患。同时装配式结构易于拆卸的优点使海洋平台的循环利用成为可能,实现了海洋平台结构装配模块化。

本发明的技术方案为:

装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台,由导管架和平台构成,平台安装在导管架上,所述导管架包括导管、平台横撑和平台斜撑,导管在竖直方向上设置,导管之间设有若干根平台横撑和平台斜撑,导管的顶端连接平台,导管的底端固定连接在海底;所述导管包括多个相连接的导管单元,所述导管单元包括外部约束铝管和内钢管,外部约束铝管采用铝材,充分利用了铝合金材质的耐腐蚀性,有效地避免了导管被海水腐蚀的问题;所述外部约束铝管与内钢管同轴套设,所述外部约束铝管与内钢管之间填充有夹层约束混凝土,所述内钢管的两端面高出外部约束铝管的两端面,且内钢管的两端沿外圆周分别设有圆环形的凸肢;所述导管单元之间、导管单元与平台横撑之间、导管单元与平台斜撑之间通过节点固定连接,所述节点包括两个对称连接的连接部,所述连接部包括卡接部和设置在卡接部两侧的耳板,所述卡接部为一面开口的盒体,包括上顶板、两个侧板、背板和下顶板,所述卡接部的内部,位于上顶板和下顶板之间,从上到下分别设有上隔板和下隔板,所述上顶板和下顶板上均设有凹槽,所述凸肢可通过凹槽卡进上顶板和上隔板、下隔板和下顶板之间的空隙中,所述耳板上设有高强螺栓孔,两个连接部通过耳板上的高强螺栓孔螺栓连接,所述卡接部的两个侧板和背板上分别设有用于固定连接平台横撑和平台斜撑的单边螺栓孔。平台横撑、平台斜撑通过单边螺栓紧固在节点的侧板和背板预留的螺栓孔上,组装过程操作高效快捷,且导管、平台横撑、平台斜撑的长度可根据设计的平台各层尺寸而定。节点由两个通过高强螺栓连接的连接部装配而成,且通过凹槽分别将上下两个导管单元的凸肢固定在节点的上顶板和上隔板、下隔板和下顶板之间,采用这种方式,节点和凸肢紧密结合,稳定性好,而采用高强螺栓连接,能够增加连接强度。所述导管的顶端通过法兰盘节点与平台连接,所述法兰盘节点包括法兰钢管,所述法兰钢管的一端沿外圆周设有圆环形的第一法兰板,另一端沿内圆周设有圆环形的第二法兰板,侧面设有悬臂腹板,所述第一法兰板与平台之间、所述第二法兰板与凸肢之间,以及悬臂腹板与平台横撑之间分别通过高强螺栓连接。

进一步地,所述节点的上隔板与凸肢的接触面上,以及下隔板与凸肢的接触面上分别黏贴有橡胶垫,便于缓冲节点上下两端的导管单元安装时的冲击。

进一步地,所述高强螺栓采用摩擦型高强螺栓,可使各连接部件之间无相对滑移,连接更紧固。

进一步地,所述节点采用铸铝节点或铸铁节点,导管、平台横撑及平台斜撑通过铸铝节点或铸铁节点连接组装,有利于装配式结构构件的加工、运输、吊装及现场安装。

进一步地,所述铸铝节点或铸铁节点,以及法兰盘节点整体浇筑而成。

进一步地,所述内钢管采用无缝钢管。

本发明还提供了一种装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台的制作方法,包括以下步骤:

(1)导管的制作:在外部约束铝管内插入内钢管,浇筑夹层约束混凝土,待浇筑夹层约束混凝土强度满足要求后,将多个导管单元通过铸铝节点或铸铁节点组装成4根导管;

(2)导管架的制作:将平台横撑和平台斜撑分别通过单边螺栓固定在导管的铸铝节点或铸铁节点上;

(3)平台组装:平台工厂预制完成后,通过驳运或者浮运到海上施工现场,就位后将钢桩及导管打入海底,随后通过法兰盘节点将平台连接在导管的顶端。

进一步地,所述内钢管的两端面高出外部约束铝管的两端面,且内钢管的两端沿外圆周分别设有圆环形的凸肢;所述铸铝节点或铸铁节点包括两个对称连接的连接部,所述连接部包括卡接部和设置在卡接部两侧的耳板,所述卡接部为一面开口的盒体,包括上顶板、两个侧板、背板和下顶板,所述卡接部的内部,位于上顶板和下顶板之间,从上到下分别设有上隔板和下隔板,所述上顶板和下顶板上均设有凹槽,所述凸肢可通过凹槽卡进上顶板和上隔板、下隔板和下顶板之间的空隙中,所述耳板上设有高强螺栓孔,两个连接部通过耳板上的高强螺栓孔螺栓连接,所述卡接部的两个侧板和背板上分别设有用于固定连接平台横撑和平台斜撑的单边螺栓孔。

进一步地,所述法兰盘节点包括法兰钢管,所述法兰钢管的一端沿外圆周设有圆环形的第一法兰板,另一端沿内圆周设有圆环形的第二法兰板,侧面设有悬臂腹板,所述第一法兰板与平台之间、所述第二法兰板与凸肢之间,以及悬臂腹板与平台横撑之间分别通过高强螺栓连接。

本发明的有益效果在于:

1.本发明的装配式海洋平台结构形式,有效地避免了水下焊接的复杂过程,以及焊接强度不够所带来的安全隐患。同时装配式结构易于拆卸的优点使海洋平台的循环利用成为可能,实现了海洋平台结构装配模块化。

2。本发明通过铸铝节点或铸铁节点及法兰盘节点解决了大直径钢管混凝土的柱-柱连接节点的装配,以及钢管混凝土的柱-柱连接以及柱-横(斜)撑连接节点处的装配性问题,满足了“强节点、弱构件”的抗震性能要求。

3。本发明中,导管的结构承载力高、延性好,其中内钢管起承受沿管壁的轴压荷载的作用,外部约束铝管长度小于内部钢管,其两端距节点有一定间隙,不承受沿管壁的轴向荷载,只承受沿径向的混凝土挤压荷载。当混凝土多向受压时,由于外部约束铝管对侧向压力的约束,限制了混凝土内部微裂缝的发展,能极大地提高混凝土的抗压强度,使得导管的承载能力较传统外壁贯通双壁空心混凝土导管增大,其同时也增强了导管的抗震耗能性能。

4.本发明还可与其他类型的抗震手段结合使用,如其他类型的消能减震阻尼器,例如转角阻尼器等,以达到更好的抗震效果。本发明的装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台不仅仅限制于海洋平台结构体系中使用,在土木工程领域的装配式建筑中依然可以安装应用。比如可应用于板材式建筑,盒式建筑,骨架板材式建筑,升层式建筑,以及钢结构和型钢混凝土结构等常见建筑结构;同时,可作为全部承重结构柱,和部分称重式结构柱及临时加固柱。其中,装配的节点形式、材质、节点个数、导管的尺寸及材质,以及具体的布置方案等,完全可以取决于业主的需求,应用领域广泛。

5.整体浇筑的铸铝节点或铸铁节点以及法兰盘节点,只需制作一个模具,工艺性好、易于制造、结构整体更加稳定牢靠、适应性好,且力学性能优异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A截面图。

图3是导管单元的结构示意图。

图4是图3的主视图。

图5是两个导管单元通过节点连接的连接示意图。

图6是图5的主视图。

图7是图5的内部结构示意图。

图8是连接部的内部结构示意图。

图9是图8的后视图。

图10是图8的俯视图。

图11是法兰盘节点的结构示意图。

图12是图11的主视图。

图13是图11的仰视图。

图14是导管和平台通过法兰盘节点连接的连接示意图。

图15是图14的侧视图。

图16是导管、平台和平台横撑通过法兰盘节点连接的连接示意图。

图中,1-导管、2-平台、3-导管单元、301-外部约束铝管、302-内钢管、303-夹层约束混凝土、4-平台横撑、5-平台斜撑、6-节点、61-卡接部、62-上隔板、63-单边螺栓孔、64-高强螺栓孔、65-下隔板、66-高强螺栓、67-橡胶垫、68-凹槽、69-耳板、610-上顶板、611-下顶板、612-侧板、613-背板、7-法兰盘节点、71-法兰钢管、72-第一法兰板、73-悬臂腹板、74-第二法兰板、8-凸肢。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。

如图1-16所示,本发明提供了一种装配式铝管-约束混凝土-钢管组合导管架海洋平台,由导管架和平台2构成,平台2安装在导管架上,所述导管架包括导管1、平台横撑4和平台斜撑5,导管1在竖直方向上设置,导管1之间设有若干根平台横撑4和平台斜撑5,导管1的顶端连接平台2,导管1的底端固定连接在海底,所述导管1为铝管-约束混凝土-钢管双壁空心构件,包括多个相连接的导管单元3;所述导管单元3包括外部约束铝管301和无缝钢管制成的内钢管302;所述外部约束铝管301与内钢管302同轴套设;所述外部约束铝管301与内钢管302之间填充有夹层约束混凝土303;所述内钢管302的两端面高出外部约束铝管301的两端面,且内钢管302的两端沿外圆周分别设有圆环形的凸肢8;所述导管单元3之间、导管单元3与平台横撑4之间、导管单元3与平台斜撑5之间通过铸铝节点6或铸铁节点6固定连接;导管1的顶端通过法兰盘节点7与平台2连接;所述铸铝节点6或铸铁节点6,以及法兰盘节点7整体浇筑而成。

所述节点6包括两个对称连接的连接部;所述连接部包括卡接部61和设置在卡接部61两侧的耳板69;所述卡接部61为一面开口的盒体,包括上顶板610、两个侧板612、背板613和下顶板611;所述卡接部61的内部,位于上顶板610和下顶板611之间,从上到下分别设有上隔板62和下隔板65;所述上顶板610和下顶板611上均设有凹槽68,所述凸肢8可通过凹槽68卡进上顶板610和上隔板62、下隔板65和下顶板611之间的空隙中,其中凹槽68优选为半圆形,其大小与内钢管302的外径相匹配;所述耳板69上设有高强螺栓孔64,两个连接部通过耳板69上的高强螺栓孔64螺栓连接;所述卡接部61的两个侧板612和背板613上分别设有用于固定连接平台横撑4和平台斜撑5的单边螺栓孔63。

所述法兰盘节点7包括法兰钢管71;所述法兰钢管71的一端沿外圆周设有圆环形的第一法兰板72,另一端沿内圆周设有圆环形的第二法兰板74,侧面设有悬臂腹板73;所述第一法兰板72与平台2之间、所述第二法兰板74与凸肢8之间,以及悬臂腹板73与平台横撑4之间分别通过高强螺栓66连接。

制作方法:

(1)导管1的制作:在外部约束铝管301内插入内钢管302,浇筑夹层约束混凝土303,待浇筑夹层约束混凝土303强度满足要求后,将相邻导管单元3的内钢管302上的凸肢8分别插入铸铝节点6或铸铁节点6其中一个连接部的上顶板610和上隔板62之间、下隔板65和下顶板611之间的空隙中,然后通过高强螺栓66将该连接部与另一个连接部的耳板69固定连接,从而将相邻两个导管单元3的凸肢8固定在铸铝节点6或铸铁节点6内,依照上述方法连接多个导管单元3后组装成4根导管1;

(2)导管架的制作:将平台横撑4和平台斜撑5的两端分别通过单边螺栓固定在组装好的导管1的铸铝节点6或铸铁节点6的侧板和背板预留的单边螺栓孔63上,导管1、平台横撑4、平台斜撑5的长度可根据设计的平台2各层尺寸而定;

(3)平台2组装:平台2工厂预制完成后,通过驳运或者浮运到海上施工现场,就位后将钢桩及导管1打入海底,通过高强螺栓66将平台2固定在第一法兰板72上,导管1顶端的凸肢8通过高强螺栓66固定在第二法兰板74上,相邻的法兰盘节点7之间的悬臂腹板73通过高强螺栓66连接有平台横撑4。这样,就将4根导管1通过高强螺栓66固定在平台2的下方,从而实现平台2与导管1的连接。

通过以上方法从下到上逐层拼装,相邻的两个导管单元3由铸铝节点6或铸铁节点6装配成一体,组装成4根导管1,再紧固平台横撑4、平台斜撑5,组装成导管架,随后通过法兰盘节点7将导管1和平台2连接起来。需要拆除时,顺序与安装顺序相反即可,易于安装及拆卸,大大加快了施工速度,施工质量高,直接运输至现场安装,免去现场加工的程序,可广泛应用于浅海区装配式海洋平台的搭建。

本发明中,内钢管302起承受沿管壁的轴压荷载的作用,外部约束铝管301长度小于内钢管302,其两端距节点6有一定间隙,不承受沿管壁的轴向荷载,只承受沿径向的混凝土挤压荷载。当混凝土多向受压时,由于外部约束铝管301对侧向压力的约束,限制了混凝土内部微裂缝的发展,能极大地提高混凝土的抗压强度,使得导管1的承载能力较传统外壁贯通双壁空心混凝土导管增大,其同时也增强了导管1的抗震耗能性能。

优选地,本发明的高强螺栓66采用摩擦型高强螺栓66,可使各连接部件之间无相对滑移,连接更紧固。

进一步地,本发明中,铸铝节点6或铸铁节点6的上隔板62与凸肢8的接触面上,以及下隔板65与凸肢8的接触面上分别黏贴有橡胶垫67,便于缓冲节点6上下两端的导管单元3安装时的冲击。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述,但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下,本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换,而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

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