CN108842721A - 一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施，包括钢管桩和钢趸船，钢管桩连接钢趸船限位行走机构，钢趸船通过该机构限位在两根钢管桩之间。钢趸船上部由机构框架、限位行走轴承及滚轮组成，其中框架基础为4根端柱及两根斜撑柱，并通过端柱上设置的联系梁与滚轮台车梁连接，趸船每侧限位行走机构设置8个滚轮；其中钢管桩由三角外形的竖向行走轨道踏面构成，该结构按照行走结构设置部位，布置在钢管桩外侧，采用连续焊接方式与钢管桩连接。本发明通过限位行走机构即可满足浮趸船在洪水及船舶桩基下的承载力要求，也实现了趸船上下浮动的竖向行走功能、水平限位功能、侧向限卡及防垃圾卡阻等功能。

Description

一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施

技术领域

本发明属于水运工程技术领域，具体涉及一种基于多向限位连接机构的深 水库区浮式导航设施。

背景技术

随着我国经济的高速发展，水运的运输量也高速增长，我国水路运输货运 量、货物周转量年均增长6.7％、6.6％。2005年，水路运输货运量和货物周转 量占各种运输方式总运量的比重分别达到11.8％和61.9％。为了满足货物运量 的增加，需要在提高原来通航设施通过能力的基础上，扩建新的通航建筑物。

在我国，限于当时的技术和经济水平，有相当一部分工程和枢纽没有留下 建设二线通航设施的位置(有些甚至就是碍航闸坝)，对于这一类工程和枢纽是不 能通过采用建设二线通航设施来提高其通过能力的，目前做的是对老船闸进行 扩建改造。

按照船闸布置要求，船闸要避开泄水建筑物泄水时对船闸引航道进出口水 流条件的干扰。当船闸与溢流坝、泄水闸、电站、水轮泵站等建筑物旁靠时， 其间必须有足够长度的导航隔流堤隔开，保证船舶能顺利地进出船闸引航道。 但早期建设的枢纽船闸，特别一些中高水头船闸，从当时的投资及枢纽综合效 益考虑，在船闸与大坝泄水孔之间的导航隔流设施过短甚至没有。考虑该类船 闸改造扩建后，库区内上、下行船舶将大大增加，为避免船舶在横流作用下偏 航误入船闸临近的溢洪道水域，威胁大坝及船舶安全，同时也可引导船舶能够 安全通畅地从水域宽阔的库区引航道进入相对较窄的船闸，在船闸扩建改造时 对于上游库区导航隔流设施进行同步改造扩建也是必要的，其中增设浮式导航 结构是最常见的做法，另外，在新建枢纽船闸中，从投资及防洪、发电等综合 水资源利用角度考虑，亦有在船闸与泄水建筑物之间设置浮式导航隔流结构的。

在枢纽船闸中，库区中建设的浮式导航结构一般均由墩体或桩基+浮趸船构 成，其中趸船与两侧桩、墩的连接结构对于设施正常运行起着至关重要的作用， 首先，在桩墩及趸船均按照结构承受荷载设计之后，其连接环节成为一个承载 的薄弱环节；其次，根据目前我国水库库区调查，其漂浮物及垃圾还是存在很 大比例，特别是汛期，两岸垃圾随着洪水汇集在大坝前沿，其中一部由泄洪孔 随着洪水泄到下游，但是在船闸前沿，因汛期多为关闸停运，漂浮物汇集较多， 很容易造成浮式结构在连接部位造成卡阻；另外，因在库区浮趸船尺度较大， 受到水流作用极易产生不平衡的浮动及摇摆，若连接机构设置不当，也容易造 成卡阻，甚至趸船沉没及损坏桩墩结构等事故。

经调查研究表明，目前常规连接方式及问题如下：①采用轨道槽与趸船上 的滑块或滚轮榫接，该方式会引起库区漂浮物等垃圾填塞轨道槽，经常卡死轨 道槽与趸船上的滑块或滚轮，出现趸船无法浮动，或单侧卡死现象；②采用锚 链与桩墩连接，该方式同样会引起库区漂浮物等垃圾卡阻浮动结构，出现趸船 无法浮动，还会出现在洪水下趸船漂移纵摇和横摇幅度大，影响结构安全；③采 用环形抱桩器与桩连接，该结构一般用于游艇码头浮桥设施的锚固，而对于受 大洪水及船舶冲击荷载较大，库区垃圾较多的导航结构，同样会出现卡阻现象。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航 设施，解决了在洪水及船舶撞击下连接结构的承载力要求，也实现了趸船上下 浮动的竖向行走功能、水平限位功能、侧向限卡及防垃圾卡阻等功能，大大增 加了结构的安全性和运行的平稳性，充分发挥了浮式导航设施的效果，降低了 运行期障碍清除成本。

一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施，包括多根钢管桩， 相邻钢管桩之间通过钢趸船连接，所述钢趸船两端安装有限位行走机构，所述 钢管桩两侧焊接有轨道踏面结构，所述限位行走机构利用滚轮与轨道踏面结构 接触配合使得钢趸船随着水面的高低变化在竖直方向自由浮降且在相邻钢管桩 之间实现水平横向和纵向的限位及限制其绕水平轴的摇摆。

进一步地，所述限位行走机构采用上举式设计安装在钢趸船上表面，使得 滚轮离开水面一定距离，能够有效避免库区垃圾、漂浮物等对结构卡阻。

进一步地，所述限位行走机构包括钢结构支架以及安装在钢结构支架上的8 个滚轮组件，所述钢结构支架包括固定在钢趸船上的4根端柱和2根斜撑柱， 所述滚轮组件包括滚轮和台车梁，滚轮通过轴承安装在台车梁上；每根端柱的 上部和中部通过两层延伸梁分别与两个滚轮对应的台车梁连接，外侧的2根端 柱上部通过斜撑柱支撑，相邻端柱以及相邻延伸梁之间通过联系梁支撑；通过 在竖向布置两个滚轮，可以确保钢趸船浮动过程中不产生大的摇摆，避免了滚 轮卡死现象。

进一步地，所述轨道踏面结构采样截面为三角形的钢结构支撑块，其具有 两个相互垂直的踏面且内侧与钢管桩焊接，所述踏面供限位行走机构的滚轮在 其表面上下行走。

进一步地，所述钢结构支撑块内衬加劲板且与钢管桩焊接后内部灌填细石 混凝土，增强结构的承载力。

进一步地，所述限位行走机构中的滚轮采用半包围方式布置，即安装在外 侧端柱上的滚轮横向架设在轨道踏面结构的其中一个踏面上，安装在内侧端柱 上的滚轮纵向架设在轨道踏面结构的另一个踏面上；通过该踏面能将钢趸船在 两根钢管桩之间实现水平横向和纵向限位，同时也满足了滚轮的行走要求，能 够在竖向上随着船体浮降在踏面上自由上下行走。

进一步地，所述限位行走机构与钢趸船通过焊接或螺栓连接，其框架结构 及整体均可抵御较大横向冲击荷载。

进一步地，所述轨道踏面结构采取后期焊接即在钢趸船及限位行走机构布 置安装完成后再焊接，按照限位行走机构设置部位，布置在钢管桩外侧，可以 实现多个钢趸船体与钢管桩按照折线形布置。

本发明基于深水库区大直径钢管桩及浮趸船结构方案基础，有设置该浮式 导航设施的条件；本发明在深水库区大直径钢管桩及浮趸船结构方案成立的基 础上，采用半包围的连接浮趸船限位行走机构替代常规的桩基趸船连接方式。 由此，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明通过充分利用了行走结构上举式设计，有效避免库区垃圾、漂浮 物等对于结构卡阻，运行期障碍清除成本。

(2)本发明通过水平向及纵横轴向等多向限位，不会出现脱轨，纵横摇幅度 可控，确保了趸船可安全平稳的在桩间浮动。

(3)本发明通过加强型的框架结构及灌填水泥砂浆的行走踏面，确保了承载 力不超标，安全可靠。

综上所述，本发明具有施工方便，后期维护方便，有效解决了洪水及船舶 撞击承载力不足问题，解决了趸船上下浮动的竖向行走功能、多向限位功能、 侧向限卡及防垃圾卡阻等功能，大大增加了结构的安全性和运行的平稳性，充 分发挥了浮式导航设施的效果，降低了运行期障碍清除成本。

附图说明

图1为本发明深水库区浮式导航设施的整体结构示意图。

图2为本发明限位行走机构的立面图。

图3为本发明限位行走机构的俯视图。

图4为本发明竖向行走轨道踏面结构的布置图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技 术方案进行详细说明。

本实施例展示了一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施，如 图1所示，包括钢管桩和钢趸船，钢趸船通过限位行走机构限位在两根钢管桩 之间；钢趸船上部由机构框架、限位行走轴承及滚轮组成，其中框架基础为4 根端柱及两根斜撑柱，并通过端柱上设置的联系梁与滚轮台车梁连接，趸船每 侧限位行走机构设置8个滚轮。该设施具有导航和隔流作用，保证船舶能顺利 地进出船闸引航道，避免船舶在横流作用下偏航误入船闸临近的溢洪道水域， 威胁大坝及船舶安全，同时也可引导船舶能够安全通畅地从水域宽阔的库区引 航道进入相对较窄的船闸。

本实施方式通过钢管桩由三角外形的竖向行走轨道踏面和钢趸船通过限位 行走机构，实现钢趸船限位和浮动行走，其中三角外形的竖向行走轨道踏面按 照行走结构设置部位，布置在钢管桩外侧，采用连续焊接方式与钢管桩连接， 如图4所示。

如图2和图3所示，本实例限位行走机构主要由框架和滚轮机构29两部分 组成，框架由直立柱1、斜撑柱2、联系梁3～8组成，均采用H型钢。滚轮机构 29由滚轮、滚轮轴、自润滑轴套、端轴套、摩擦片拼装等组成，该限位行走机 构具备如下优点：

(1)承载能力强。框架采用H型钢，并设置横向、纵向、斜向联接系，强度、 刚度大，能满足钢趸船受到60t水平撞击力(标准值)或千年一遇洪水水流冲击的 工况；承受外部荷载时，部分荷载可以转化为滚轮的转动动能，可减小轨道踏 面的荷载，即便受到偶然荷载导致损坏，更换维护也比较方便。

(2)机构可随水位变化竖向活动，适应性强。本机构采用8套滚轮系统(正 面两层设4组滚轮，左右两侧每侧设2组滚轮)，滚轮采用自润滑轴套，转动灵 活，可随水位、趸船同步升降，且最低位置的滚轮始终高于水面500mm以上， 基本可以避免水浸对机构的影响，同时也避免了水面漂浮物的积塞。

(3)双层双向约束，限位可靠。每套结构采用双层滚轮布置，每层滚轮采用 “[”布置(见图3)，实现平面内2个平动自由度的约束；同时，机构采用双层滚 轮结构，两层之间间距约500mm，可以限制趸船的过大的纵倾、横倾；滚轮与 桩侧轨道踏面之间留有约30-50mm的间隙，既可补偿安装误差及温度效应，又 可防止因趸船纵倾、横倾过大导致滚轮卡死甚至趸船倾翻。

在具体施工过程中，本实施方式导航设施由2.5m大直径钢管、浮趸船(长 35m，宽3.5m)串联而成，浮趸船通过多向限位连接机构与2.5m大直径钢管相接， 进而实现首尾相连，依据航道走向呈折线形布置；趸船可以随水位升降而起落， 在水位变化较大的库区，较固定式导航墙更加灵活并节省投资。

一、趸船导向限位装置：

趸船两端各设一套限位导向装置。每套限位导向装置主要由钢支架、滚轮 总成等组成。钢支架为型钢组合焊接成型，便于现场安装，主要构件采用H型 钢，具体型号如表1所示：

表1

编号	名称	规格型号	材质	备注
					1	直立柱	HM400*300	Q345B	见图2
2	斜撑柱	HW250*250	Q345B	见图2
					3	联系梁	HM400*300	Q345B	见图2和图3
4	柱间联系梁	HW250*250	Q345B	见图3
					5	柱间联系梁	HW250*250	Q345B	见图3
6	联系梁	HM400*300	Q345B	见图3
					7	联系梁	HM250*250	Q345B	见图3
8	联系梁	HM400*300	Q345B	见图3
						滚轮安装梁	组合件

本实施方式通过Autodesk Robot StructuralAnalysis软件对钢支架进行了 整体建模和结构分析，根据趸船承受船舶撞击、洪水水流冲击等各工况分析， 支架的强度、刚度、整体稳定性满足规范要求。钢支架与钢趸船支架采用焊接 连接，趸船订货设计时考虑相关预埋件布置及荷载要求。滚轮总成由滚轮体、 滚轮轴、端轴套、中间轴套、摩擦片、止动板等组成，其中：

①滚轮体：采用铸件，材质为ZG310-570，外直径400mm，滚轮踏面要求 表面淬火达到HRC400。

②轴端止动板：采用钢板，材质为Q235B，用于滚轮轴的轴向限位。

③滚轮轴：采用机加工成型，材质为40Cr，直径100mm，要求调质处理并 达到HB250以上。

④摩擦片：采用材料为尼龙6，用作端轴套与滚轮安装架之间空隙的填充材 料。

⑤端轴套：采用自润滑材料。

⑥中间轴套：采用自润滑材料。

滚轮体与轴套之间为过渡配合，轴套与滚轮轴之间为间隙配合，滚轮总成 装配完毕后，要求转动灵活，无卡涩现象。滚轮总成与支座之间拆装方便，便 于后期的维护更换。

二、导向轨道：

导向轨道由钢板组焊成型，并焊接于钢管桩桩壁上；直径2.5m的钢管桩顶 部标高满足千年一遇水位条件下，导向装置不会从上部脱出；轨道内部间隙采 用砼填充，可以保证轨道踏面在承受导向装置冲击荷载的情况下不会凹陷变形。

三、施工、安装要求：

钢结构施工质量满足《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)的要求， 并满足如下防腐要求：本结构位于浪溅区，采用金属热喷涂防腐，防腐设计使 用年限25年。除锈等级为Sa3.0级，先热喷涂铝，厚度不小于160μm；封孔剂 采用环氧磷酸锌，干膜厚度不小于20μm；面层涂料采用环氧树脂涂料，厚度不 小于100μm。

由于钢管桩现场施工会存在一定的误差，为保证导向装置功能的正常发挥， 必须按严格的施工次序来确定最后的安装精度。现场钢管桩施工完成后，将钢 趸船临时固定在实际位置，并将导向装置临时固定在钢趸船上，确保滚轮踏面 与轨道面的间隙(30～50mm左右)。若该间隙过大，则可能因趸船纵倾、横倾过 大导致滚轮卡死甚至趸船倾翻；相反，如果该间隙过小，则可能长期运营后因 相关构件沉降变形导致滚轮卡死。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本 发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并 把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做 出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施，包括多根钢管桩，相邻钢管桩之间通过钢趸船连接，其特征在于：所述钢趸船两端安装有限位行走机构，所述钢管桩两侧焊接有轨道踏面结构，所述限位行走机构利用滚轮与轨道踏面结构接触配合使得钢趸船随着水面的高低变化在竖直方向自由浮降且在相邻钢管桩之间实现水平横向和纵向的限位及限制其绕水平轴的摇摆。

2.根据权利要求1所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述限位行走机构采用上举式设计安装在钢趸船上表面，使得滚轮离开水面一定距离，能够有效避免库区垃圾、漂浮物对结构卡阻。

3.根据权利要求1所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述限位行走机构包括钢结构支架以及安装在钢结构支架上的8个滚轮组件，所述钢结构支架包括固定在钢趸船上的4根端柱和2根斜撑柱，所述滚轮组件包括滚轮和台车梁，滚轮通过轴承安装在台车梁上；每根端柱的上部和中部通过两层延伸梁分别与两个滚轮对应的台车梁连接，外侧的2根端柱上部通过斜撑柱支撑，相邻端柱以及相邻延伸梁之间通过联系梁支撑；通过在竖向布置两个滚轮，可以确保钢趸船浮动过程中不产生大的摇摆，避免了滚轮卡死现象。

4.根据权利要求1所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述轨道踏面结构采样截面为三角形的钢结构支撑块，其具有两个相互垂直的踏面且内侧与钢管桩焊接，所述踏面供限位行走机构的滚轮在其表面上下行走。

5.根据权利要求4所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述钢结构支撑块内衬加劲板且与钢管桩焊接后内部灌填细石混凝土，增强结构的承载力。

6.根据权利要求3所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述限位行走机构中的滚轮采用半包围方式布置，即安装在外侧端柱上的滚轮横向架设在轨道踏面结构的其中一个踏面上，安装在内侧端柱上的滚轮纵向架设在轨道踏面结构的另一个踏面上；通过该踏面能将钢趸船在两根钢管桩之间实现水平横向和纵向限位，同时也满足了滚轮的行走要求，能够在竖向上随着船体浮降在踏面上自由上下行走。

7.根据权利要求1所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述限位行走机构与钢趸船通过焊接或螺栓连接，其框架结构及整体均可抵御较大横向冲击荷载。

8.根据权利要求1所述的深水库区浮式导航设施，其特征在于：所述轨道踏面结构采取后期焊接即在钢趸船及限位行走机构布置安装完成后再焊接，按照限位行走机构设置部位，布置在钢管桩外侧，可以实现多个钢趸船体与钢管桩按照折线形布置。