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：

1、沉管隧道要經過大量復雜的水中作業(yè)，包括浮運、沉放、對接等，各階段的作用荷載、組合效應、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，其受力過程是一個動態(tài)的變化過程。

2、等截面直線和大半徑曲管段的起浮、浮運和沉放等工序已有較為成熟的經驗可供借鑒，且施工難度相對較低、風險小，然而，對于變截面管節(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)在浮運過程中的受力情況變得復雜。

5、重心與浮心不對稱：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)在浮運過程中的不穩(wěn)定性。

6、流體動力特性復雜：變截面管節(jié)在浮運過程中會受到水流、波浪等多種流體動力的作用，這些力的作用點和大小都會隨著管節(jié)截面的變化而變化，進一步增加了管節(jié)的傾覆風險。

7、二、傾覆原因分析

8、流體動力不平衡：當變截面管節(jié)在浮運過程中受到不均勻的流體動力作用時，如一側受到較大的水流沖擊力或波浪力，而另一側受力較小或不受力，就會導致管節(jié)產生傾覆力矩。

9、重心偏移：由于管節(jié)重心與浮心的不重合，當管節(jié)受到外力作用時(如水流、波浪、風等)，重心容易發(fā)生偏移，進而引發(fā)管節(jié)的傾覆。

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

11、在物理學中，重心是物體各部分所受重力的合力的作用點，而浮心則是物體在流體中受到浮力時，浮力作用線的交點。對于變截面管節(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相應變化。當重浮心相差較大時，管節(jié)在受到外力作用時容易發(fā)生傾斜或翻滾，從而影響其穩(wěn)定性和正常運行。因此，在設計和安裝變截面管節(jié)時，必須充分考慮其重浮心的差異，并進行精確的計算和糾偏。具體來說，可以通過以下步驟進行：

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

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)在受到外力作用時容易發(fā)生傾斜或翻滾。此時，需要采取相應的措施來減小這種差異。

14、3、制定糾偏方案：根據重浮心差異的分析結果，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，以調整其重心和浮心的位置。同時，也可以考慮在管節(jié)上安裝支撐結構或調整其安裝方式，以增加其穩(wěn)定性。

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

16、5、測試和驗證：在糾偏措施實施完成后，需要進行測試和驗證工作。通過模擬實際工況下的受力情況，檢驗管節(jié)的穩(wěn)定性和運行效果是否滿足要求。如果發(fā)現問題或不足之處，需要及時進行調整和改進。

17、綜上所述，變截面管節(jié)因為重浮心相差大更需要計算和糾偏。通過精確測量和計算、分析重浮心差異、制定糾偏方案、實施糾偏措施以及測試和驗證等步驟，可以確保變截面管節(jié)的穩(wěn)定性和正常運行

18、然而對于變截面管節(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，并出現負值定傾高度，若繼續(xù)傾斜超過一定角度后，難以保障管節(jié)穩(wěn)性，需要對管節(jié)的浮心和重心進行糾偏。由于管節(jié)浮心由其水平投影中心確定，重心依據管節(jié)上的荷載分布計算，則變截面管節(jié)兩側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，增加設計難度的同時也給施工質量和風險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。

技術實現思路

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)明通過以下技術方案實現的：

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：采用理論公式計算考慮兩側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：根據重、浮心間距及變截面沉管管節(jié)結構形式，確定調控重心位置的方案，計算得到調控重、浮心位置一致的所需的力矩時所需調控重心位置的荷載布置方式。

8、進一步作為本發(fā)明技術方案的改進，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、進一步作為本發(fā)明技術方案的改進，所述步驟2中不同截面形式重浮心位置為：

10、形式一：

11、浮心計算公式：

12、構件軸對稱的情況下yg＝0，重心計算公式：

13、構件軸對稱的情況下yg＝0，

14、

15、式中：h為管段結構高度(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、縱坐標與垂直底面以上高度；

16、形式二：

17、浮心計算公式：

18、構件軸對稱的情況下yg＝0，

19、

20、重心計算公式：

21、構件軸對稱的情況下yg＝0，

22、

23、式中：h為管段結構高度(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、縱坐標與垂直底面以上高度；

24、形式三：

25、浮心計算公式：

26、構件軸對稱的情況下yg＝0，

27、

28、重心計算公式：

29、構件軸對稱的情況下yg＝0，

30、

31、式中：h為管段結構高度(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、縱坐標與垂直底面以上高度。

32、進一步作為本發(fā)明技術方案的改進，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、進一步作為本發(fā)明技術方案的改進，所述步驟4中所需平衡力矩考慮為不對變截面沉管管節(jié)增加額外體積的情形。

34、進一步作為本發(fā)明技術方案的改進，糾偏方式考慮為對內部均勻增重或加壓模式下，考慮浮心另一側全長均勻重量情況下的q分布為2g總δxg/l2，l為浮心至另一側封墻全長，此時重浮心位置一致；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)明針對特殊的變截面沉管管節(jié)結構，可以規(guī)范計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、浮運中的受力的問題，有效降低了設計難度，降低了施工控制風險。