UHPC-ECC-HDPE组合装配式漂浮平台及其建造方法

uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台及其建造方法
技术领域
1.本发明涉及海洋工程设施技术领域，具体涉及一种uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台及其建造方法。


背景技术：

2.海洋浮式平台是重要的海洋基础设施，在海洋资源开采、海洋能综合利用、海洋权益维护和未来海洋建筑等方面有广泛的应用前景。迄今为止，国内外已经开发和应用了大量的以金属材料结构为主体的海洋平台，且已经向超大型和极大型浮式多功能平台方向发展。近年来，国内外出现了以水泥基复合材料作为结构材料的浮式海洋平台，如钢筋混凝土钻井平台、海上风电浮式底座、游艇码头等。与钢铁等金属材料相比，水泥基材料海洋浮式结构具有耐腐蚀性强，建造成本和维护成本低的优势。
3.现有水泥基材料浮式结构大多采用箱体作为浮体，该类浮体虽然结构简单，但在与波浪作用时受冲击较大，会加剧浮体的摇晃和损伤。后又出现了以超高性能混凝土(uhpc)管状结构构件同时作为浮体的设计，如中国专利cn213057433u、cn212354345u、cn212697237u等，大大改善了浮式结构的水动力学特性。尽管这种uhpc结构有较强的韧性和抗冲击能力，但与坚硬物体碰撞(如靠泊混凝土码头)时还是容易发生破损，因此会大大影响其使用功能和寿命。所以，水泥基材料海洋浮式结构如何在达到高抗蚀、高耐久、低成本目标的同时，实现抗冲撞、抗破损和易维护等效果，是急需解决的一个关键问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有水泥基材料浮式海洋结构抵御冲击、碰撞能力不强，而容易破损的问题，提供一种uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台及其建造方法，采用uhpc(超高性能混凝土)、ecc(高延性纤维增强水泥基复合材料)和hdpe(高密度聚乙烯)三种不同刚度、柔韧性和延展性的材料有机组合，兼顾了结构的整体性、稳定性和功能性的平衡。
5.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
6.一种uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，包括水泥基材料主体结构，所述水泥基材料主体结构包括uhpc框架结构与ecc管筒；所述uhpc框架结构包括采用uhpc材料制成的上层框架、穿孔板、底部连接板和端头盲孔板，所述ecc管筒包括采用ecc材料制成的管筒外壳；所述穿孔板安装于上层框架的下方，穿孔板横向布置，并沿纵向阵列排布若干个；所述端头盲孔板有两块，分别安装于上层框架下方靠近两端的位置，并与穿孔板平行布置；所述穿孔板与端头盲孔板共同作为所述ecc管筒的安装载体，其中穿孔板上设有用于ecc管筒穿过的通孔，端头盲孔板上设有用于容纳ecc管筒端部的盲孔；所述ecc管筒沿纵向布置，并沿横向阵列排布若干个；所述底部连接板布置于水泥基材料主体结构的底端，在水平方向将各穿孔板与端头盲孔板连接起来；各水泥基材料构件拼装后即形成具有自漂浮能力的漂浮平台；所述漂浮平台还包括hdpe管，所述hdpe管利用所述上层框架伸出部分作为依托而环
绕在上层框架下方，hdpe管首尾两端头对接后焊接密封。
7.上述方案中，所述穿孔板包括相互适配的上穿孔板和下穿孔板；所述上穿孔板下端设置开口朝下的半圆开口，所述下穿孔板上端设置开口朝上的半圆开口；上穿孔板和下穿孔板之间通过咬合定位。
8.上述方案中，所述底部连接板上设有向上伸出的第一竖直钢筋，所述第一竖直钢筋依次贯穿所述穿孔板和上层框架，并在上层框架凹槽处弯折、灌浆密封。
9.上述方案中，所述第一竖直钢筋与ecc管筒错位分布、互不干扰。
10.上述方案中，所述端头盲孔板上部设有向上伸出的第二竖直钢筋，所述第二竖直钢筋贯穿所述上层框架，并在上层框架凹槽处弯折、灌浆密封。
11.上述方案中，所述上层框架下方靠近两端头处分别设有与其一体成型的肋板，所述肋板与穿孔板、端头盲孔板平行设置；两块端头盲孔板分别与两块肋板接触，且端头盲孔板位于对应肋板的外侧；所述肋板上预埋有第一水平钢筋，所述第一水平钢筋伸进端头盲孔板的孔洞中，并灌浆密封，从而实现肋板与端头盲孔板的连接。
12.上述方案中，所述底部连接板的两端头设有向外伸出的第二水平钢筋，所述第二水平钢筋穿过所述端头盲孔板底部的预留孔，弯折后灌浆密封。
13.上述方案中，所述ecc管筒还包括填充于ecc管筒外壳内部的轻质材料。
14.上述方案中，所述ecc管筒的两个端头分别套有橡胶圈，然后与所述端头盲孔板的盲孔对接。
15.相应的，本发明还提出上述uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台的建造方法，所述上层框架、穿孔板、底部连接板、端头盲孔板、ecc管筒、hdpe管均采用预制方法分别制造，然后进行装配，装配过程包括以下步骤：
16.s1、铺设底部连接板；
17.s2、将穿孔板的下穿孔板置于底部连接板上方并与底部连接板向上伸出的第一竖直钢筋对接；
18.s3、将ecc管筒放置于下穿孔板上；
19.s4、将穿孔板的上穿孔板与下穿孔板相合，由底部伸出的第一竖直钢筋继续穿过上穿孔板；
20.s5、将上层框架搁在竖向穿孔板上方，其上的预留孔与下部伸出的第一竖直钢筋相对接，第一竖直钢筋在上层框架处弯折、灌浆密封；
21.s6、安装两边的端头盲孔板，将端头盲孔板水平移动接近ecc管筒，并与上层框架下方的肋板相接触，直至ecc管筒端头伸进端头盲孔板的盲孔中；同时，肋板端头伸出的第一水平钢筋以及底部连接板端头伸出的第二水平钢筋均伸进端头盲孔板的盲孔中，并通过灌浆密封；最后在上层框架和端头盲孔板垂直方向对应的预留孔中，插入第二竖直钢筋进行连接，并通过灌浆密封；
22.s7、安装hdpe管，利用上层框架伸出部分作为依托将hdpe管环绕安装于上层框架下方，并将hdpe管首尾两端头对接后焊接密封。
23.本发明的有益效果在于：
24.1、漂浮平台采用三种不同性质的材料进行组合，发挥各自优势：组成浮式框架结构的上层框架、上穿孔板、下穿孔板、端头盲孔板和底部连接板均采用采用强度、刚性和韧
性很高的水泥基材料(uhpc)；管筒状浮体采用高延性水泥基复合材料(ecc)制造，较uhpc材料具有更好的柔韧性和抗裂抗冲击性；将uhpc和ecc两种材料应用于主体结构，uhpc材料构建的框架坚固、强韧，而ecc制备的管筒状浮体拉应变大、柔中带刚、抗裂性好，两者配合起来，协调有序。漂浮平台经常跟坚硬物体接触的边沿部分采用坚韧绵柔的高密度聚乙烯(hdpe)塑料管，使结构具备较强的缓冲能力，大大降低由于碰撞坚硬物体而引起的破损风险；大大降低结构整体重心，使结构的漂浮稳定性大大提高；增加漂浮结构的浮力，使结构的承载能力显著提升。因此，本发明在材料上采用uhpc、ecc和hdpe三种不同刚度、柔韧性和延展性的材料有机组合，兼顾了结构的整体性、稳定性和功能性的平衡，具有更长久的服役寿命。
25.2、在结构布局上，将结构中最为重要且相对柔弱的ecc管筒浮体布置在中心位置，处于上层框架、两端头盲孔板和底部连接板的四面包裹下，在水平方向上再采用hdpe管在上层框架下方缠绕一圈，形成一个“腰箍”，既可以提升浮式结构的承载能力，又使整个浮式结构在吃水线附近形成一个软接触带，从而大大降低结构碰撞破损的风险。结构上通过多向包围和软硬结合，有效保护了ecc管筒浮体核心构件，利用竖向肋板和盲孔板的支撑和夹持作用，在有效稳固管筒浮体的同时提高了结构的整体刚度，这是漂浮平台能够获得长服役寿命的重要保障。
26.3、将上层框架进行整体预制，其余构件以此为依托通过纵横向的连接形成整体，且通过灌浆密封等方式将所有连接钢筋的端头均埋藏于水泥基材料结构内部，实现无金属材料暴露，达到对连接钢筋严密保护的效果。施工上以端头盲孔板水平推移方式进行组装，通过纵横双向钢筋穿插连接，在水泥基材料主体结构装配完成后再施以hdpe“腰箍”围护，进一步降低了结构重心并增加了浮力，从而大大增强了结构的整体稳定性和抵抗冲击的能力，且hdpe管的更换也十分方便。
附图说明
27.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
28.图1是本发明组合装配式漂浮平台的整体结构示意图；
29.图2是本发明组合装配式漂浮平台的水泥基材料主体结构的立体结构图；
30.图3是本发明组合装配式漂浮平台的水泥基材料主体结构的侧面剖视图；
31.图4是本发明实施例中上层框架的结构图(图中尺寸单位：mm)；
32.图5是本发明实施例中穿孔板的结构图(图中尺寸单位：mm)；
33.图6是本发明实施例中底部连接板的结构图(图中尺寸单位：mm)；
34.图7是本发明实施例中端头盲孔板的结构图(图中尺寸单位：mm)；
35.图8是本发明实施例中ecc管筒的结构图(图中尺寸单位：mm)。
36.图中：10、uhpc框架结构；11、上层框架；111、肋板；112、凹槽；12、穿孔板；121、上穿孔板；122、下穿孔板；13、底部连接板；14、端头盲孔板；
37.20、ecc管筒；
38.30、hdpe管；
39.40、第一竖直钢筋。
具体实施方式
40.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
41.如图1-2所示，本发明提供一种uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，包括水泥基材料主体结构，水泥基材料主体结构包括uhpc框架结构10与ecc管筒20。uhpc框架结构10包括采用uhpc材料制成的上层框架11、穿孔板12、底部连接板13和端头盲孔板14；ecc管筒20包括采用ecc材料制成的管筒外壳和填充于ecc管筒20外壳内部的轻质材料(如聚苯泡沫等)。穿孔板12安装于上层框架11的下方，穿孔板12横向布置，并沿纵向阵列排布若干个，每一穿孔板12包括相互适配的上穿孔板121和下穿孔板122；上穿孔板121下端设置开口朝下的半圆开口，下穿孔板122上端设置开口朝上的半圆开口；上穿孔板121和下穿孔板122之间通过咬合定位。端头盲孔板14有两块，分别安装于上层框架11下方靠近两端的位置，并与穿孔板12平行布置。穿孔板12与端头盲孔板14共同作为ecc管筒20的安装载体，其中穿孔板12上设有用于ecc管筒20穿过的通孔，端头盲孔板14上设有用于容纳ecc管筒20端部的盲孔。ecc管筒20沿纵向布置，并沿横向阵列排布若干个，ecc管筒20中段由上下两半穿孔板12咬合固定，其两端头由端头盲孔板14相向对接并夹持。底部连接板13布置于水泥基材料主体结构的底端，在水平方向将各穿孔板12与端头盲孔板14连接起来。
42.上述各水泥基材料构件拼装后即形成具有自漂浮能力的漂浮平台。连接方法如下：底部连接板13上设有向上伸出的第一竖直钢筋40，第一竖直钢筋40依次贯穿穿孔板12和上层框架11，并在上层框架11凹槽122处弯折、灌浆密封；第一竖直钢筋40与ecc管筒20错位分布、互不干扰。端头盲孔板14上部设有向上伸出的第二竖直钢筋，第二竖直钢筋贯穿上层框架11，并在上层框架11凹槽122处弯折、灌浆密封。上层框架11下方靠近两端头处分别设有与其一体成型的肋板111，肋板111与穿孔板12、端头盲孔板14平行设置；两块端头盲孔板14水平移动至分别与两块肋板111接触，且端头盲孔板14位于对应肋板111的外侧；肋板111上预埋有第一水平钢筋，第一水平钢筋伸进端头盲孔板14的孔洞中，并灌浆密封，从而实现肋板111与端头盲孔板14的连接。底部连接板13的两端头设有向外伸出的第二水平钢筋，第二水平钢筋穿过端头盲孔板14底部的预留孔，弯折后灌浆密封。ecc管筒20的两个端头分别套有橡胶圈，然后与端头盲孔板14的盲孔对接，橡胶圈起到耐磨、防滑、密封和缓冲的作用。所有的钢筋连接后都用灌浆方式予以密封。
43.漂浮平台还包括hdpe管30，hdpe管30利用上层框架11伸出部分作为依托而环绕在上层框架11下方，hdpe管30首尾两端头对接后焊接密封。这样，hdpe管30进一步增强了结构在水中的稳定性和承载力。
44.本发明的上层框架11、上穿孔板121、下穿孔板122、端头盲孔板14和底部连接板13均采用高强高韧水泥基材料(uhpc)，以形成刚度大、整体性强、耐久性高的uhpc框架结构10；作为浮体的管筒20是浮式结构的核心，该部分采用高延性水泥基材料(ecc)，其极限应变远大于uhpc，具有更强的柔韧性和抗裂性；高密度聚乙烯(hdpe)块体在海洋工程中常用于船舶靠岸时的缓冲工具，在本发明中采用hdpe管30形成一个“腰箍”，既可以增加结构整体的稳定性和浮力，又可以在停泊靠岸以及与坚硬物体碰撞时起到缓冲作用。
45.相应的，本发明还提出上述uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台的建造方法，其中，上层框架11、穿孔板12、底部连接板13、端头盲孔板14、ecc管筒20、hdpe管30均采用预制
方法分别制造，然后进行装配，尺寸较小的浮式结构可在工厂装配完毕后整体转运至海边，尺寸较大的浮式结构则在海边干坞中进行装配。装配过程包括以下步骤：
46.s1、铺设底部连接板13；
47.s2、将穿孔板12的下穿孔板122置于底部连接板13上方并与底部连接板13向上伸出的第一竖直钢筋对接；此时用特制钢架将各竖向穿孔板12固定；
48.s3、将ecc管筒20放置于下穿孔板122上；之前在ecc管筒20与穿孔板12接触处套上橡胶环；
49.s4、将穿孔板12的上穿孔板121与下穿孔板122相合，由底部伸出的第一竖直钢筋继续穿过上穿孔板121；
50.s5、将上层框架11搁在竖向穿孔板12上方，其上的预留孔与下部伸出的第一竖直钢筋相对接，第一竖直钢筋在上层框架11处弯折、灌浆密封；
51.s6、安装两边的端头盲孔板14，先用橡胶圈套住ecc管筒20的端头，将端头盲孔板14水平移动接近ecc管筒20，并与上层框架11下方的肋板111相接触，直至ecc管筒20端头伸进端头盲孔板14的盲孔中；同时，肋板111端头伸出的第一水平钢筋以及底部连接板13端头伸出的第二水平钢筋均伸进端头盲孔板14的盲孔中，并通过灌浆密封；最后在上层框架11和端头盲孔板14垂直方向对应的预留孔中，插入第二竖直钢筋进行连接，并通过灌浆密封；
52.s7、安装hdpe管30，利用上层框架11伸出部分作为依托将hdpe管30环绕安装于上层框架11下方，并将hdpe管30首尾两端头对接后焊接密封。
53.上述所有利用预留孔和钢筋(钢丝)进行连接的地方，均进行灌浆和密封处理。为了使上层框架11成为可以载人工作的平台，可以采用木质板或塑料板通过钻孔、绑扎、镶嵌等方式固定在框架的镂空空间内。
54.如图3-7所示，现提供一个上层框架11为4.4m
×
3.4m的组合装配式漂浮平台的实例。组成平台的各构件及其尺寸、重量、产生的浮力等参数计算如下。
55.表1各构件参数计算结果(单位：重量-kg，尺寸-m，浮力-kg，密度-kg/m3)
[0056][0057]
上述计算结果表明，当采用水泥基材料组装完成水泥基材料主体结构时，该结构具有自行漂浮的能力，但承载力富余量不大，而且，结构的重心略有偏高，从而影响其在海上的稳定性；沿水泥基材料主体结构缠绕一圈hdpe管30浮体之后，结构的重心下降，浮力显著增大，承载能力也相应提高。
[0058]
上述案例中也考虑了在ecc管筒20中填充聚苯泡沫等轻质材料，这样，即使在ecc
管筒20发生破损时，整个结构的浮力不会下降，可以保证结构的安全并为维修争取时间。
[0059]
上述案例中，将穿孔板12中不受力、不影响功能的边角处切削掉，或将底部连接板13不受力部分进行镂空处理，可以进一步减轻结构重量，降低波浪冲击，减少原材料消耗。
[0060]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明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发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，包括水泥基材料主体结构，所述水泥基材料主体结构包括uhpc框架结构与ecc管筒；所述uhpc框架结构包括采用uhpc材料制成的上层框架、穿孔板、底部连接板和端头盲孔板，所述ecc管筒包括采用ecc材料制成的管筒外壳；所述穿孔板安装于上层框架的下方，穿孔板横向布置，并沿纵向阵列排布若干个；所述端头盲孔板有两块，分别安装于上层框架下方靠近两端的位置，并与穿孔板平行布置；所述穿孔板与端头盲孔板共同作为所述ecc管筒的安装载体，其中穿孔板上设有用于ecc管筒穿过的通孔，端头盲孔板上设有用于容纳ecc管筒端部的盲孔；所述ecc管筒沿纵向布置，并沿横向阵列排布若干个；所述底部连接板布置于水泥基材料主体结构的底端，在水平方向将各穿孔板与端头盲孔板连接起来；各水泥基材料构件拼装后即形成具有自漂浮能力的漂浮平台；所述漂浮平台还包括hdpe管，所述hdpe管利用所述上层框架伸出部分作为依托而环绕在上层框架下方，hdpe管首尾两端头对接后焊接密封。2.根据权利要求1所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述穿孔板包括相互适配的上穿孔板和下穿孔板；所述上穿孔板下端设置开口朝下的半圆开口，所述下穿孔板上端设置开口朝上的半圆开口；上穿孔板和下穿孔板之间通过咬合定位。3.根据权利要求1或2所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述底部连接板上设有向上伸出的第一竖直钢筋，所述第一竖直钢筋依次贯穿所述穿孔板和上层框架，并在上层框架凹槽处弯折、灌浆密封。4.根据权利要求3所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述第一竖直钢筋与ecc管筒错位分布、互不干扰。5.根据权利要求3所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述端头盲孔板上部设有向上伸出的第二竖直钢筋，所述第二竖直钢筋贯穿所述上层框架，并在上层框架凹槽处弯折、灌浆密封。6.根据权利要求5所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述上层框架下方靠近两端头处分别设有与其一体成型的肋板，所述肋板与穿孔板、端头盲孔板平行设置；两块端头盲孔板分别与两块肋板接触，且端头盲孔板位于对应肋板的外侧；所述肋板上预埋有第一水平钢筋，所述第一水平钢筋伸进端头盲孔板的孔洞中，并灌浆密封，从而实现肋板与端头盲孔板的连接。7.根据权利要求5所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述底部连接板的两端头设有向外伸出的第二水平钢筋，所述第二水平钢筋穿过所述端头盲孔板底部的预留孔，弯折后灌浆密封。8.根据权利要求1所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述ecc管筒还包括填充于ecc管筒外壳内部的轻质材料。9.根据权利要求1所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台，其特征在于，所述ecc管筒的两个端头分别套有橡胶圈，然后与所述端头盲孔板的盲孔对接。10.根据权利要求1所述的uhpc-ecc-hdpe组合装配式漂浮平台的建造方法，其特征在于，所述上层框架、穿孔板、底部连接板、端头盲孔板、ecc管筒、hdpe管均采用预制方法分别制造，然后进行装配，装配过程包括以下步骤：s1、铺设底部连接板；
s2、将穿孔板的下穿孔板置于底部连接板上方并与底部连接板向上伸出的第一竖直钢筋对接；s3、将ecc管筒放置于下穿孔板上；s4、将穿孔板的上穿孔板与下穿孔板相合，由底部伸出的第一竖直钢筋继续穿过上穿孔板；s5、将上层框架搁在竖向穿孔板上方，其上的预留孔与下部伸出的第一竖直钢筋相对接，第一竖直钢筋在上层框架处弯折、灌浆密封；s6、安装两边的端头盲孔板，将端头盲孔板水平移动接近ecc管筒，并与上层框架下方的肋板相接触，直至ecc管筒端头伸进端头盲孔板的盲孔中；同时，肋板端头伸出的第一水平钢筋以及底部连接板端头伸出的第二水平钢筋均伸进端头盲孔板的盲孔中，并通过灌浆密封；最后在上层框架和端头盲孔板垂直方向对应的预留孔中，插入第二竖直钢筋进行连接，并通过灌浆密封；s7、安装hdpe管，利用上层框架伸出部分作为依托将hdpe管环绕安装于上层框架下方，并将hdpe管首尾两端头对接后焊接密封。

技术总结
本发明涉及一种UHPC-ECC-HDPE组合装配式漂浮平台，包括UHPC框架结构、ECC管筒和HDPE管；UHPC框架结构包括上层框架、穿孔板、底部连接板和端头盲孔板；穿孔板安装于上层框架的下方，横向布置；端头盲孔板安装于上层框架下方靠近两端的位置，与穿孔板平行布置；穿孔板与端头盲孔板共同作为ECC管筒的安装载体；ECC管筒沿纵向布置；底部连接板布置于水泥基材料主体结构的底端，将各穿孔板与端头盲孔板连接起来；各水泥基材料构件拼装后即形成具有自漂浮能力的漂浮平台，HDPE管利用上层框架伸出部分作为依托而环绕在上层框架下方，其首尾两端头对接后焊接密封。本发明采用UHPC、ECC和HDPE三种不同刚度、柔韧性和延展性的材料有机组合，兼顾了结构的整体性、稳定性和功能性的平衡。稳定性和功能性的平衡。稳定性和功能性的平衡。


技术研发人员：水中和 王小平
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/4/17