一种预制装配式UHPC管网漂浮结构及其建造方法与流程

本发明属于海洋工程设施技术领域。更具体地说，本发明涉及一种预制装配式uhpc管网漂浮结构及建造方法。

背景技术：

随着我国海洋强国战略的实施，对于海洋基础设施的需求呈快速上升之势。海洋基础设施中，海洋漂浮平台是十分重要的一类，漂浮平台在海上施工、资源勘探、海上养殖、游艇码头和军事设施等方面占有重要地位。长期以来，绝大多数各类海洋平台是用钢铁材料打造的，而用其它材料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固然有其优势，但存在的问题也是十分突出的，那就是结构容易锈蚀，需要频繁地进行防腐蚀维护，所以，维护成本非常高。

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。随着超高性能水泥基材料——uhpc研究的不断深入，其应用范围也在逐渐拓展，将其作为海洋漂浮结构主要材料的时机已经到来。uhpc材料因其抗压和抗拉强度均数倍于普通混凝土，因此，它可以使结构自重大大降低，抗冲击性能大大提升，且可使结构在海洋环境下服役寿命大大延长。

然而，当前采用的大型uhpc箱体结构，其结构组成包括底板、顶板、隔板、梁、柱、加强肋等，局部结构尺寸变化大。考虑到各种因素，在设计uhpc结构时往往采用相对保守的较为厚重的尺寸，这样，uhpc材料的潜在优势并不能得到充分的发挥。

技术实现要素：

为了实现以上目的，本发明提供一种预制装配式uhpc管网漂浮结构及其建造方法。

提供一种预制装配式uhpc管网漂浮结构,其为由uhpc管组装得到的uhpc管网骨架，包括uhpc管和用于uhpc管连接的附件，uhpc管用附件连接组装形成uhpc管网骨架结构；

uhpc管直径、管壁厚度、管实体部分密度和水密度之间满足以下关系：r×ρw>2×d×ρuhp，其中，r为uhpc管半径，d为管壁厚，ρw为水的密度，ρuhp为uhpc的密度，所述的预制装配式uhpc管网漂浮结构处于漂浮状态。

按上述方案，所述的预制装配式uhpc管网漂浮结构为固定式或可拆卸骨架结构。

按上述方案，所述的uhpc管壁厚5～50mm，抗压强度100～200mpa，抗折强度15～25mpa。

按上述方案，所述的附件为管道连接头，所述的管件连接头为两通连接头、或多通连接头，所述的两通连接头为直管连接头、直角连接头或弯管连接头，将uhpc管沿直线或弧线连接；所述的多通连接头的结构为由相应数量的多个短管汇聚于一个球体而成；如三通或四通连接头的结构为由三个或四个短管汇聚于一个球体而成；

按上述方案，管道连接头的连接端的直径略小于uhpc管的内径，或略大于uhpc管的外径，所述的uhpc管和管道连接头为内插式连接或外套式连接。

按上述方案,管道连接头伸出的2个或多个连接管段的管径不同，实现不同管径的uhpc管的连接；管道连接头伸出的连接管段直径可以是变化的，通过连接头连接管段管径的变化，使不同管径的uhpc管组装在一起形成管网状漂浮结构；

按上述方案，所述的uhpc管网骨架为立方体、长方体和多面体立体结构。

按上述方案，所述的管道连接头是uhpc材质，或金属材质或高分子材料。

优选的是，uhpc管的端头处内置钢丝笼予以加强。钢丝笼为若干个相互平行的圆环，与纵向直钢丝焊接连接而成，钢丝笼轴心与uhpc管轴心相重叠；钢丝笼在端头50～150mm范围沿管轴方向平行布置，钢丝环与环之间的距离5～10mm。

优选的是，uhpc管内部空间内填充有轻质泡沫材料，轻质泡沫材料在uhpc管内部整体填充或局部填充；或uhpc管内部空间两端端头附近用轻质防水材料封堵而形成封闭的空气柱；所述的轻质泡沫材料可选聚苯乙烯泡沫或聚氨酯等。这样，将其置于水中，该管件可以自由漂浮；所有管道连接头内部的空间均填充轻质泡沫材料，这样，当漂浮结构在水中拼装和服役时，可避免水灌入或渗入管网结构内部。

优选的是，管道连接头插接管段外管壁和uhpc管端头内壁用防水胶粘剂连接，由此形成固定式管网漂浮结构；或者，连接头插接管段外管壁和uhpc管内壁之间用遇水膨胀止水带填塞，由此形成可拆卸的管网漂浮结构。

一种预制装配式uhpc管网漂浮结构的建造方法,包括以下步骤:

提供uhpc管；

提供管道连接头，包括直管连接头和多通连接头；

将uhpc管用管道连接头组装为uhpc管网漂浮结构，其中:两uhpc管沿轴线连接时，用直管连接头以内插或外套的方式进行两uhpc管的连接；两uhpc管以一定角度连接时，用直角连接头或弯管连接头以内插或外套的方式进行两uhpc管的连接；多个uhpc管以一定的角度在空间交汇时，采用相应多通连接头将多根uhpc管连接在一起形成管网状漂浮结构，如三uhpc管以一定的角度在空间交汇时，采用三通连接头；四uhpc管以一定的角度在空间交汇时，采用四通连接头，以此类推。

按上述方案,管道连接头可以是uhpc材质，也可以是金属材质或高分子材料材质。

优选的是，在uhpc管的端头处内置钢丝笼予以加强,所述的钢丝笼为若干个相互平行的圆环，与纵向直钢丝焊接连接而成，钢丝笼轴心与uhpc管轴心相重叠；优选地,钢丝笼在端头50～150mm范围沿管轴方向平行布置，钢丝环与环之间的距离5～10mm。

优选的是，uhpc管内部空间采取整体填充或局部填充的方式用轻质泡沫材料(如聚苯乙烯泡沫)进行填充，或者其两端端头附近处用轻质防水材料封堵而形成封闭的空气柱，这样，将其置于水中，该管件可以自由漂浮；通过在所有管道连接头内部的空间均填充轻质泡沫材料，这样，当漂浮结构在水中拼装和服役时，可避免水灌入或渗入管网结构内部。

按上述方案，管件和连接头进行组装之前，连接头插接管段外管壁和uhpc管端头内壁涂刷防水胶粘剂再进行插接，由此形成固定式管网漂浮结构；或者，连接头插接管段外管壁和uhpc管内壁之间用遇水膨胀止水带填塞，由此形成可拆卸的管网漂浮结构。

优选地，在进行漂浮结构拼装之前，先对uhpc管进行处理，处理过程包括：脱模后uhpc管浸水养护14天以上，后置于阴凉环境至表面干燥；当连接头采用uhpc材质时，连接头成型后也浸水养护14天以上；连接头与uhpc管端头在连接之前对接部分管段的接触面处要进行精细打磨，且连接处的缝隙控制精度为+0.5mm。

优选地，在平整的地面或平台上进行官网结构的组装；结构为多层时，遵循自下而上的原则，逐层组装。

在实施本发明过程中，将各种型号的uhpc管、连接头组装成管网结构时，须在平整的地面或平台上进行。结构为多层时，应遵循自下而上的原则，逐层组装。组装固定式管网漂浮结构时，管与管之间的连接处涂胶及插接操作，应在粘结剂凝结硬化周期之内完成；对于管件多、结构复杂的管网结构，可分阶段进行；组装可拆卸式管网漂浮结构时，接插头处用遇水膨胀止水带填塞紧密。在管网结构搬动和起吊下水前，用防水嵌缝膏填平接头处的缝隙，再用强力胶带纸在接缝处进行多道缠绕，以保证在搬运过程中不致损坏连接头。

物理学知识表明，当表面封闭的物体的排水量大于其自重时，物体就不会沉没，此时：r²·π·l·ρw>2π·r·l·d·ρuhp，其中，r为uhpc管半径，l为管的长度，d为管壁厚，ρw为水的密度，ρuhp为uhpc的密度。将上述关系式简化，可得到r·ρw>2d·ρuhp，即当管半径和管厚度这两个变量满足上述关系时，uhpc管道的封闭空间就可以提供额外的浮力。本发明基于uhpc管提供的预制装配式uhpc管网漂浮结构，uhpc管围成的封闭空间的排水量大于uhpc管的自重；uhpc管网骨架结构的排水量大于骨架结构各部分的总重量。由此，uhpc管道的封闭空间不但可以提供浮力，uhpc管本身又是性能极佳的结构构件，可以省去梁、柱、肋等厚重的结构部分；由此经过适当的组装形成低自重管网状海洋漂浮结构，并由此可衍生系列新型海洋漂浮结构。

本发明至少包含以下有益效果：

1.本发明利用uhpc管进行组合，可以提供灵活多样且经久耐用的海洋漂浮结构，在提供多种海洋开发相关用途的同时，降低漂浮结构的维护费用，提高经济效益。

2.本发明提供的管网组合结构充分利用了纤维增强水泥管、杆优异的力学性能，实现了浮力体和结构体的有机统一，大大降低了结构自重，使漂浮结构的有效荷载得到提高。

3.本发明提供的管网漂浮结构建造方法，有利于保证结构质量和服役过程中的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明预制装配式uhpc管网漂浮结构的整体结构示意图；

图2为本发明中主要构件uhpc预制薄壁管内部空间构造示意图；

图3为本发明中管件的内插式连接头连接示意图；

图4为本发明中管件的外套式连接头连接示意图；

其中：11—uhpc薄壁管；12—直管连接头(两通连接头)；13—三通连接头；14—四通连接头；12a—内插式直管接头；13a—内插式三通接头；14a—内插式四通接头；12b—外套式直管接头；12c—外套式弯管接头；13b—外套式直角两通接头；15—薄壁管内空腔轻质填充体；16—薄壁管端头轻质填充体；17—薄壁管内腔；18—薄壁管端头加固钢丝笼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域的技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述材料和配件，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种预制装配式uhpc管网漂浮结构及其建造方法，包括：

uhpc薄壁管11，uhpc管围成的封闭空间的排水量应大于uhpc管及附件的重量，uhpc薄壁管用附件管道连接头连接组装形成如图1所示的uhpc管网骨架结构；uhpc管直径、管壁厚度、管实体部分密度和水密度之间满足以下关系：r×ρw>2×d×ρuhp，其中，r为uhpc管半径，d为管壁厚，ρw为水的密度，ρuhp为uhpc的密度，所述的预制装配式uhpc管网漂浮结构处于漂浮状态。

uhpc薄壁管可由水泥、砂子、钢纤维和高效减水剂等原材料，通过离心成型，或悬辊成型，或自密实成型，经必要的自然养护或蒸汽养护后而得到的高强、高韧水泥管。

建造方法,包括以下步骤:

提供uhpc管；

提供管道连接头，包括直管连接头和多通连接头；

将uhpc管用管道连接头组装为uhpc管网漂浮结构，其中:两uhpc管沿轴线连接时，用直管连接头以内插或外套的方式进行两uhpc管的连接；两uhpc管以一定角度连接时，用弯管连接头或直角连接头以内插或外套的方式进行两uhpc管的连接；多个uhpc管以一定的角度在空间交汇时，采用相应多通连接头将多根uhpc管连接在一起形成管网状漂浮结构，如三uhpc管以一定的角度在空间交汇时，采用三通连接头；四uhpc管以一定的角度在空间交汇时，采用四通连接头，以此类推。

如图2所示，本发明提供的uhpc管网漂浮结构进行实际应用时，该结构将长期在水中服役，且其中部分结构的拼装可能在水中进行，为避免水渗入管网结构内部，以保证漂浮结构在服役过程中更加安全可靠，特采用轻质发泡材料(如聚苯乙烯、聚氨酯等发泡体)填充于uhpc管内空间，根据需要可酌情采取整体填充方式填充由轻质发泡材料组成的薄壁管内空腔轻质填充体15或局部填充的方式在uhpc管的端部填充薄壁管端头轻质填充体。同理，采用相同或类似的轻质发泡材料填充于连接头内部空间。填充的轻质发泡材料不应影响管与管之间的连接操作。

如图2所示，考虑到uhpc管端头处受力状态的特殊性，故在uhpc管生产过程中在端头处内置钢丝笼18予以加强。钢丝笼18为若干个相互平行的圆环，与纵向直钢丝焊接连接而成，钢丝笼轴心与uhpc管轴心相重叠；钢丝笼在端头50～150mm范围沿管轴方向平行布置，钢丝环与环之间的距离5～10mm。

如图3所示，本发明涉及的管件内插式连接头。两uhpc管沿轴线连接时，用直管连接头12a，其管径略小于uhpc管的内径；三uhpc管以一定的角度在空间交汇时，可采用三通连接头13a；四uhpc管以一定的角度在空间交汇时，可采用四通连接头14a，以此类推；三通或四通连接头由三个或四个短管汇聚于一个圆球体而成，短管的直径略小于uhpc管的内径。

如图4所示，本发明涉及的管件外套式连接头。两uhpc管沿直线或弧线连接时，可分别用外套式直管连接头12b和弯管连接头12c连接；对于两根uhpc管在空中交汇，也可采用外套式直角两通连接头连接，对于三根uhpc管在空中交汇，也可采用外套式三通连接头连接，以此类推。

伸出的两个或多个连接管段的管径可以是变化的，这意味着通过连接头连接管段管径的变化，可使不同管径的uhpc管组装在一起形成管网状漂浮结构；连接头可以是uhpc材质，也可以是金属材质和高分子材料；连接头内部空间用轻质发泡材料(15和16)填充。

管网漂浮结构，由上述uhpc管1与各种连接头(12a，12b，12c，13a，13b,14a)进行连接，可形成各种预先设计的固定式或可拆卸骨架结构，该骨架结构的排水量大于结构各部分的总质量，因此可以漂浮于水中。

本发明如图3和图4所示，为保证连接头处的紧密结合，在进行漂浮结构拼装之前，先要对uhpc薄壁管进行加工，过程包括：脱模后uhpc管置于水池浸水养护14天以上，后置于阴凉环境至表面干燥；当连接头采用uhpc材质时，连接头成型后也应浸水养护14天以上；连接头与uhpc管端头在连接之前对接部分管段的接触面处要进行精细打磨，且连接处的缝隙控制精度为+0.5mm。

本发明如图3和图4所示，当纵向和横向uhpc管通过连接头(12a，12b，12c，13a，13b,14a)连接之前，必须事先对两者的接触面涂刷粘结剂进行粘结或用遇水止水带进行填塞，以增强结构的密封性和稳固性。连接头伸进uhpc管的外表面和uhpc管内壁面之间通过防水胶粘剂加以粘结，由此形成固定式(或永久式)管网漂浮结构；或者，连接头伸进uhpc管的外表面和uhpc管内壁面之间用遇水膨胀止水带填塞，由此形成可拆卸的管网漂浮结构。

如图1所示，为本发明预制装配式uhpc管网漂浮结构的一个具体实施例：

本例中采用的uhpc管长度为5m，管内径300mm，管壁厚15mm。本例的管网结构(参考图1)从左到右公称尺寸为10m，从上到下为5m，从前到后为5m，因此，共计使用5m长的uhpc管16根；共计使用直管连接头4个，三通连接头8个，连接头也采用uhpc材质。按照uhpc密度2600kg/m³，聚苯泡沫填充一半uhpc内部空间约140kg，连接头等附件共计320kg，uhpc管、连接头及泡沫材料等组成的结构总重量大约2500kg，而获得的浮力大约为3150kg。

具体建造方法：

两个5m长uhpc管用两通连接头两两对接，作为长边，另两根5m长uhpc管相对摆放作为短边，这样，6根uhpc管可连接成为管网结构的上层平面；同理可用6根uhpc管组成下层平面。两层平面的拐角处均采用三通连接头，这样，上下两层平面通过4根5m长垂直方向的uhpc管和8个三通连接头而组装成为长方体的网架结构。在各个管件组装之前，已采用轻质多孔材料封堵了uhpc管端头附近的空间，可保证此管网结构内部的水密性，故结构可在水中处于漂浮状态。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施案例中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

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