CN212354345U

CN212354345U - 一种装配式uhpc管-箱体组合漂浮结构

Info

Publication number: CN212354345U
Application number: CN202021757559.6U
Authority: CN
Inventors: 水中和
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2030-08-21

Abstract

本实用新型涉及一种装配式UHPC管‑箱体组合漂浮结构，包括UHPC管、UHPC箱体和UHPC套筒三种预制构件，通过插接、焊接、胶结而成，该组装过程可沿三维空间方向无限扩展，形成巨大的网架‑箱体组合漂浮结构体系，通过结构和构造设计，使该结构密封后的排水量远大于结构自重，故其在水中可处于漂浮状态。本实用新型预制UHPC管和UHPC箱体既是结构体，又是浮体，而UHPC套筒为前两者的纽带，三种构件相互增强，组成力学性能优异的空腔骨架结构；在该结构的基础上，可进一步建造得到海洋作业平台、海洋网箱、浅滩浮桥、水下观光平台和海洋休闲平台等。

Description

一种装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构

技术领域

本实用新型属于海洋工程设施技术领域，具体涉及一种预制装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构。

背景技术

建设海洋强国，对于我国今后相当长一个时期的经济发展、国防建设和民生改善具有十分重要的意义。经略海洋，开发海洋，需要海洋基础设施先行，而海洋漂浮平台是重要的海洋基础设施，具有强大而多方面的功能，是国内外在大力发展的一个方向。长期以来，各类海洋平台以钢铁等金属材料为结构主体，而用无机非金属材料(如水泥混凝土)建造的海洋平台十分少见。钢铁等金属材料建造的海洋平台有其比强度高、加工建造技术成熟等优势，但在海洋环境下容易锈蚀的问题也是十分突出的，为解决锈蚀问题，需要频繁地进行结构防腐蚀维护，所以运维成本非常高。

普通钢筋混凝土建造的漂浮平台，尽管可以提高抗海水侵蚀性能，但由于结构过于厚重，导致施工、运输、使用等环节都十分不便，难以得到推广应用。随着对超高性能混凝土(UHPC)材料研究和应用的不断深入，其作为海洋漂浮结构的优越性也逐渐凸显出来。UHPC材料具有高强高韧特性，力学性能指标是普通混凝土的数倍至数十倍；其抵御海洋侵蚀环境的能力也十分优异，可以大大延长结构维护的周期，降低运维成本。然而，目前用UHPC来建造漂浮结构，仍然沿用大型箱体的结构模式，其结构厚重的问题、抗风浪能力不足的问题依然没有解决，UHPC材料的巨大潜力并未得到有效的发挥。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，这种结构形式由若干个预制的中小型UHPC薄壁箱体、连接套筒和UHPC管组装而成，管-箱组合、结构稳定、形式多样、抗腐蚀性强，既可组成单层浅吃水漂浮平台，又可组成两层或多层半潜式骨架结构平台，具有广泛的再开发潜力和应用前景。

本实用新型为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，包括若干箱体单元和用于连接各箱体单元的UHPC管，每个箱体单元包括一个UHPC箱体以及固定安装于其侧面的多个UHPC套筒，所述箱体单元具有沿三维方向重复复制的特性，箱体单元之间通过UHPC管进行连接，可沿三维空间无限扩展，形成所述装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构；

所述UHPC箱体的中部开设一个贯通的竖直空腔，并在所述竖直空腔周边开设多个与所述UHPC管适配的竖直连接孔，竖直方向上箱体单元之间的连接利用所述UHPC管穿过所述UHPC箱体上的竖直连接孔而实现；

所述UHPC箱体相邻两侧面上的UHPC套筒位于不同的高度，所述UHPC套筒沿长度方向开设一个贯通的、与所述UHPC管适配的套筒内连接孔，水平方向上箱体单元之间的连接利用所述UHPC管穿过所述UHPC套筒上的套筒内连接孔而实现；

所述UHPC管、UHPC箱体和UHPC套筒均采用高强高韧水泥基复合材料制备得到，三种构件的尺寸设计满足整体结构密封后的排水量大于结构自重，以保证结构在水中处于漂浮状态。

上述方案中，所述UHPC管的尺寸设计满足以下关系：

R×ρ_w>2×d₁×ρ_uhpc (1)

其中，R为UHPC管半径，d₁为管壁厚度，ρ_w为水的密度，ρ_uhpc为UHPC的密度。

上述方案中，所述UHPC箱体的外形为六面体，其内部的竖直空腔为多面体，UHPC箱体的四个角分别开设一个竖直连接孔；UHPC箱体最薄处壁厚为5-50mm。

上述方案中，所述UHPC箱体横截面为正四边形，其内部的竖直空腔横截面为正八边形，竖直连接孔横截面为圆形，则UHPC箱体的尺寸设计满足以下关系：

其中，a为八边形空腔的边长，r为竖直连接孔的半径，d₂为箱体壁厚，ρ_w为水的密度，ρ_uhpc为UHPC的密度。

上述方案中，所述UHPC箱体与UHPC套筒相连接的位置对应预埋有钢筋和钢板条，箱体与套筒之间通过预埋件焊接牢固，并通过胶结材料对接缝处进行密封，完全覆盖钢制预埋件及焊缝。

上述方案中，所述UHPC套筒根据安装位置的不同分为中间位水平连接套筒和上下位水平连接套筒，其中，中间位水平连接套筒固定于箱体两侧面的中间位置，上下位水平连接套筒固定于另外两侧面的顶部和底部位置。

上述方案中，所述UHPC管与UHPC套筒拼装后，两者之间采用灌浆或注胶的方式固结在一起。

上述方案中，组装后的漂浮结构整体进行密封处理，其中，上层箱体的顶部和下层箱体的底部，均采用UHPC盖板予以覆盖和密封，凡与内部空腔相通的孔洞和缝隙均予以封闭。

上述方案中，所述UHPC管与UHPC箱体竖直空腔内填充轻质泡沫材料。

上述装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构的建造方法，包括以下步骤：

步骤1、采用相应的模具单独预制UHPC管、UHPC箱体和UHPC套筒；

步骤2、将预制UHPC套筒安装于UHPC箱体侧面：先将中间位水平连接套筒固定于箱体两侧面的中间位置，再将上下位水平连接套筒固定于另外两侧面的顶部和底部位置，因此避免相互垂直的UHPC管穿过套筒后在空间发生交汇；

步骤3、水平方向上箱体单元的连接：(1)X方向，将预制UHPC管穿过上下位水平连接套筒，并伸展至另一箱体上对应位置的套筒孔中，以灌浆或注胶等方式将套筒和薄壁管固结在一起，即建立箱体与箱体之间的连接；(2)Y方向，将预制UHPC管穿过中间位水平连接套筒，并伸展至另一箱体上对应位置的套筒孔中，以灌浆或注胶等方式将套筒和薄壁管固结在一起，即建立箱体与箱体之间的连接；

步骤4、竖直方向上箱体单元的连接：连接时，上下两层箱体的竖直连接孔相互对齐，UHPC管插进两箱体对应的连接孔，调整到预定的位置后即进行固结和密封处理；多层箱体进行连接时，UHPC管将贯穿处于中间位置的箱体，其间不排除在连接孔内进行管与管之间的对接；

步骤5、整体密封处理：漂浮结构组装完成后，进行整体密封处理，其中，上层箱体的顶部和下层箱体的底部，均采用UHPC盖板予以覆盖和密封，凡与内部空腔相通的孔洞和缝隙均予以封闭。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型利用UHPC高强高韧薄壁管、UHPC箱体和UHPC套筒优异的力学性能，充分发挥了这些构件具备的结构体和浮力体的双重特性，构建了海洋漂浮结构新体系，其既可用于浅滩、浅礁快速架设单层平台和浮桥，也可用于深海、远海建造半潜式大型漂浮平台、网箱渔场等。

2.本结构以漂浮箱体为基点，以高强高韧UHPC管为纽带，形成可无限扩展的海洋骨架结构，其迎浪面积小，抗风浪能力强，且随着节点增多，结构的稳定性和可靠性进一步增强。

3.本结构所用的UHPC材料，具有优异的抗侵蚀性能和一定的抗生物附着能力，可以大大延长海洋结构的维护周期，因而大大降低海洋结构的维护成本。

4.本实用新型的UHPC管、UHPC箱体和UHPC套筒采用相应的模具单独预制而成，制造工艺简单，效率高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构的立体图；

图2是图1所示组合漂浮结构的箱体单元的立体图；

图3是图1所示组合漂浮结构的UHPC管的立体图；

图4是UHPC箱体和UHPC套筒的连接关系示意图；

图5是四个UHPC箱体与UHPC管的水平连接示意图；

图6是UHPC箱体与UHPC管沿三个方向连接示意图。

图中：10、UHPC管；20、UHPC箱体；21、竖直连接孔；22、竖直空腔；30、UHPC套筒；31、中间位水平连接套筒；32、上下位水平连接套筒；33、套筒内连接孔；40、UHPC盖板。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1-6所示，本实用新型提供了一种装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，包括UHPC管10、UHPC箱体20和UHPC套筒30三种预制构件，三种预制构件均采用高强高韧水泥基复合材料制备得到，其中：

UHPC箱体20的外形为六面体，其中部开设一个贯通的竖直空腔22，竖直空腔22为多面体，UHPC箱体20的四个角分别开设一个竖直连接孔21，竖直连接孔21为圆柱体孔洞，其直径略大于UHPC管10的外径。UHPC箱体20最薄处壁厚d₂为5-50mm。

UHPC套筒30的外形为长方体，沿长度方向开设一个贯通的套筒内连接孔33，其直径略大于UHPC管10的外径，套筒内连接孔33的轴心偏向套筒与箱体连接的那个面，这意味着套筒的这个面的厚度可以减薄，可减轻套筒的重量但不影响其整体性能。UHPC套筒30安装于UHPC箱体20的侧面，根据安装位置的不同分为中间位水平连接套筒31和上下位水平连接套筒32，其中，中间位水平连接套筒31固定于箱体两侧面的中间位置，上下位水平连接套筒32固定于另外两侧面的顶部和底部位置。箱体相互垂直的两侧面上的套筒设于不同高度，以避免相互垂直的UHPC管10穿过套筒后在空间发生交汇。

UHPC箱体20和与之相连接的UHPC套筒30组成一个箱体单元，该箱体单元具有沿三维方向重复复制的特性，箱体单元之间通过UHPC管10的穿插、连接、固结和密封，可沿三维空间无限扩展，以致构成巨大的网架-箱体组合漂浮结构体系。箱体单元之间的连接方式如下：

水平方向(设定为X方向和Y方向)上箱体单元之间的连接通过UHPC套筒30实现：(1)X方向，将预制UHPC管10穿过上下位水平连接套筒32，并伸展至另一箱体上对应位置的套筒孔中，以灌浆或注胶等方式将套筒和薄壁管固结在一起，即建立箱体与箱体之间的连接；(2)Y方向，将预制UHPC管10穿过中间位水平连接套筒31，并伸展至另一箱体上对应位置的套筒孔中，以灌浆或注胶等方式将套筒和薄壁管固结在一起，即建立箱体与箱体之间的连接。

竖直方向(设定为Z方向)上箱体单元之间的连接利用UHPC管10穿过UHPC箱体20四角附近的竖直连接孔21实现。连接时，上下两层箱体的竖直连接孔21相互对齐，UHPC管10插进两箱体对应的连接孔，调整到预定的位置后即进行固结和密封处理，并用UHPC盖板将敞开的箱体顶面和底面予以封闭。多层箱体进行连接时，UHPC管10将贯穿处于中间位置的箱体，其间不排除在连接孔内进行管与管之间的对接。

进一步优化，组成该结构的三个主要构件UHPC管10、箱体20和套筒30，均事先采用相应的模具单独进行预制。在预制的UHPC箱体20与UHPC套筒30相连接的位置对应预埋有钢筋和钢板条，将套筒与箱体进行连接时，先将对应点的预埋件焊接牢固，再用环氧水泥等胶结材料对接缝处进行密封，完全覆盖钢制预埋件及焊缝。

漂浮结构按照上述方法组装完成后，需进行整体密封处理。其中，上层箱体的顶部和下层箱体的底部，均采用UHPC盖板40予以覆盖和密封，凡与内部空腔相通的孔洞和缝隙均予以封闭。为防止因UHPC管10和箱体壁面局部破裂而导致渗水，可事先在UHPC管10与UHPC箱体20竖直空腔22内填充轻质泡沫材料，如EPS发泡体。UHPC管10与UHPC套筒30拼装后，两者之间采用灌浆或注胶的方式固结在一起，灌浆料可通过套筒与管道之间的缝隙灌入，也可对套筒局部开孔进行灌浆。为防止漏浆，可采用密封胶泥等材料封堵住易漏浆的缝隙。

本实用新型中，为保证组合结构既具有足够的力学性能、抗腐蚀性能，又能提供浮力，需要对组合结构中的UHPC管10、UHPC箱体20和UHPC套筒30的构造尺寸关系提出一定的要求。三种结构的尺寸设计尽量提高各结构内部空腔体积和总体积的比例，使该结构密封后的排水量远大于结构自重，以保证其在水中可处于漂浮状态。具体的：

对于UHPC管10：R²·π·L·ρ_w>2π·R·L·d₁·ρ_uhpc，其中，R为管的半径，L为管的长度，d₁为管壁厚度，ρ_w为水的密度，ρ_uhpc为UHPC的密度。将上述关系式简化，可得到：

R×ρ_w>2×d₁×ρ_uhpc (1)

其中，R为UHPC管10半径，d₁为管壁厚度，ρ_w为水的密度，ρ_uhpc为UHPC的密度。即当管半径和管厚度这两个变量满足上述关系时，UHPC管10的封闭空间就可以提供额外的浮力。

对于UHPC箱体20，因其形状多样化使尺寸关系难以确定，本实施例仅取箱体横截面为正四边形，其内部空腔为正八边形的特殊情形加以分析。如前所述，箱体中有一个大空腔和四个圆柱体孔，均为竖直方向贯通，则内部空腔及竖孔的体积为：

其中a为八边形空腔的边长，r为圆孔的半径，H为箱体的高度。设箱体最薄处壁厚为d₂，则箱体的正截面长或宽为：

箱体的体积为

设水的密度为ρ_w,UHPC的密度为ρ_uhpc，则可推导出以下关系：

其中，a为八边形空腔的边长，r为竖直连接孔21的半径，d₂为箱体最薄处壁厚，ρ_w为水的密度，ρ_uhpc为UHPC的密度。即当箱体的结构尺寸满足上述不等式即可保证箱体处于漂浮状态。

根据上述尺寸关系，并考虑足够的载荷能力，从而精确设计各构件(UHPC管10、UHPC箱体20和UHPC套筒30)，以保证该组合结构的力学性能和浮力均满足功能要求。

步骤1、采用相应的模具单独预制UHPC管10、UHPC箱体20和UHPC套筒30。

步骤2、将预制UHPC套筒30安装于UHPC箱体20侧面：先将中间位水平连接套筒31固定于箱体两侧面的中间位置，再将上下位水平连接套筒32固定于另外两侧面的顶部和底部位置，因此避免相互垂直的UHPC管10穿过套筒后在空间发生交汇。套筒与箱体的连接方式为：在预制的UHPC箱体20与UHPC套筒30相连接的位置对应预埋有钢筋和钢板条，将套筒与箱体进行连接时，先将对应点的预埋件焊接牢固，再用环氧水泥等胶结材料对接缝处进行密封，完全覆盖钢制预埋件及焊缝。

步骤3、水平方向上箱体单元的连接：(1)X方向，将预制UHPC管10穿过上下位水平连接套筒32，并伸展至另一箱体上对应位置的套筒孔中，并将套筒和薄壁管固结在一起，即建立箱体与箱体之间的连接；(2)Y方向，将预制UHPC管10穿过中间位水平连接套筒31，并伸展至另一箱体上对应位置的套筒孔中，并将套筒和薄壁管固结在一起，即建立箱体与箱体之间的连接。具体的，UHPC管10与UHPC套筒30拼装后，两者之间采用灌浆或注胶的方式固结在一起，灌浆料可通过套筒与管道之间的缝隙灌入，也可对套筒局部开孔进行灌浆。为防止漏浆，可采用密封胶泥等材料封堵住易漏浆的缝隙。

步骤4、竖直方向上箱体单元的连接：连接时，上下两层箱体的竖直连接孔21相互对齐，UHPC管10插进两箱体对应的连接孔，调整到预定的位置后即进行固结和密封处理。多层箱体进行连接时，UHPC管10将贯穿处于中间位置的箱体，其间不排除在连接孔内进行管与管之间的对接。

步骤5、整体密封处理：漂浮结构组装完成后，进行整体密封处理，其中，上层箱体的顶部和下层箱体的底部，均采用UHPC盖板40予以覆盖和密封，凡与内部空腔相通的孔洞和缝隙均予以封闭。

上述方法中，为防止因UHPC管10和箱体壁面局部破裂而导致渗水，可事先在UHPC管10与UHPC箱体20竖直空腔22内填充轻质泡沫材料，如EPS发泡体。

如图1-6所示，为本实用新型提供一种装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构的具体实施例。本实施例由8个UHPC箱体与UHPC套筒和UHPC管相互连接而成，图1中仅给出该结构的一半，而移除了另外一半，以方便检视结构单元之间的连接关系。图中上层两个箱体从左到右分别命名为“浮箱1”和“浮箱2”，下层两个箱体从左到右分别命名为“浮箱5”和“浮箱6”。被移去的上层两个箱体为“浮箱3”和“浮箱4”，下层两个箱体为“浮箱7”和“浮箱8”。

本例中采用UHPC箱体的外形尺寸为1000×1000×800mm，侧壁厚度d₂为15mm，箱体内八边形空腔边长(计算值)a为402mm。各方向连接用UHPC管外环半径R为100mm，厚度d₁为10mm。箱体和套筒预留连接孔直径均为204mm。水平连接用UHPC管长度2000mm，垂直连接用UHPC管长度2600mm。设水的密度ρ_w为1000kg/m³,UHPC的密度ρ_uhpc为2600kg/m³,根据关系式(2)分别计算左边和右边的数值，得到左边的结果为0.910，右边的结果为0.6154，说明上述尺寸符合箱体达到漂浮状态对相关尺寸和浮力关系的要求。根据关系式(1)对UHPC管的尺寸进行核算，结果也符合UHPC管达到漂浮状态所应具备的尺寸和浮力关系要求。

利用图1-6所示的构件连接关系，本组合漂浮结构共采用UHPC箱体8个，水平连接套筒48个，水平连接用UHPC管长2000mm)24根，垂直连接用UHPC管(长2600mm)16根。考虑填充UHPC管和箱体空腔用EPS泡沫材料20公斤，灌浆料和胶结材料等按30公斤计。具体参数表详见表1。

表1预制UHPC构件参数表(尺寸单位：mm；重量单位：kg)

结合图1，容易计算该实施例所述结构外围轮廓体积为9.9576m³，可得到其排水量最大为9957.6公斤，则该结构可提供的净浮力为9957.6-4637.86＝5319.74公斤。可见，该结构很容易得到净浮力大于结构自重的结果，能够保证其在水中可处于漂浮状态。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，包括若干箱体单元和用于连接各箱体单元的UHPC管，每个箱体单元包括一个UHPC箱体以及固定安装于其侧面的多个UHPC套筒，所述箱体单元具有沿三维方向重复复制的特性，箱体单元之间通过UHPC管进行连接，可沿三维空间无限扩展，形成所述装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构；

2.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC管的尺寸设计满足以下关系：

R×ρ_w>2×d₁×ρ_uhpc (1)

3.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC箱体的外形为六面体，其内部的竖直空腔为多面体，UHPC箱体的四个角分别开设一个竖直连接孔；UHPC箱体最薄处壁厚为5-50mm。

4.根据权利要求3所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC箱体横截面为正四边形，其内部的竖直空腔横截面为正八边形，竖直连接孔横截面为圆形，则UHPC箱体的尺寸设计满足以下关系：

5.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC箱体与UHPC套筒相连接的位置对应预埋有钢筋和钢板条，箱体与套筒之间通过预埋件焊接牢固，并通过胶结材料对接缝处进行密封，完全覆盖钢制预埋件及焊缝。

6.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC套筒根据安装位置的不同分为中间位水平连接套筒和上下位水平连接套筒，其中，中间位水平连接套筒固定于箱体两侧面的中间位置，上下位水平连接套筒固定于另外两侧面的顶部和底部位置。

7.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC管与UHPC套筒拼装后，两者之间采用灌浆或注胶的方式固结在一起。

8.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，组装后的漂浮结构整体进行密封处理，其中，上层箱体的顶部和下层箱体的底部，均采用UHPC盖板予以覆盖和密封，凡与内部空腔相通的孔洞和缝隙均予以封闭。

9.根据权利要求1所述的装配式UHPC管-箱体组合漂浮结构，其特征在于，所述UHPC管与UHPC箱体竖直空腔内填充轻质泡沫材料。