海工鋼結(jié)構(gòu)立片纜風(fēng)繩設(shè)計

郭 寧，楊風(fēng)艷，單吉華，牛建華，李國偉

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

在海洋工程建造過程中，時常會遇到周圍無側(cè)向支撐的立片結(jié)構(gòu)。例如，立式建造的導(dǎo)管架，在立起第1個分片時，周圍沒有任何結(jié)構(gòu)物來支撐該立片，吊機摘鉤后，為了能使第1個立片保持安全的矗立狀態(tài)，需要在立片周圍布置1組纜風(fēng)繩。該組纜風(fēng)繩必須有足夠的強度來抵抗各個方向的風(fēng)荷載的作用，保證分片頂部不會產(chǎn)生過大的撓度變形。導(dǎo)管架立片的纜風(fēng)繩也可以用來調(diào)整立片傾斜角度，以保證建造精度。纜風(fēng)繩的可靠性直接決定了立片結(jié)構(gòu)的安全性，合理設(shè)計纜風(fēng)繩的布設(shè)方案是項目順利施工的重要保證。

1 纜風(fēng)繩設(shè)計一般要求

布置纜風(fēng)繩首先應(yīng)確定纜風(fēng)繩的數(shù)量和位置。一般1個立片用4根纜風(fēng)繩固定，如圖1所示。如果條件不允許，也可以設(shè)置3根，應(yīng)確保所有的受風(fēng)方向都有足夠的抗風(fēng)強度。纜風(fēng)繩與地面的夾角30°為宜，最大不宜超過45°。纜風(fēng)繩的位置應(yīng)該充分考慮場地使用現(xiàn)狀，盡可能的減少場地占用，不影響后續(xù)的總裝施工工作，不影響吊機站位及行走，并且不影響項目對未來場地的需求。

圖1 某四腿導(dǎo)管架立片纜風(fēng)繩布設(shè)示意圖

2 纜風(fēng)繩的結(jié)構(gòu)形式

在海洋工程建造領(lǐng)域，1套完善的纜風(fēng)繩系統(tǒng)一般應(yīng)由4部分組成：結(jié)構(gòu)物端錨固點、地面錨固點、長度調(diào)整裝置和鋼絲繩索，圖2為海工導(dǎo)管架立片纜風(fēng)繩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 海工導(dǎo)管架立片纜風(fēng)繩結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)物端錨固點為纜風(fēng)繩在結(jié)構(gòu)立片的生根點，該位置處會受到纜風(fēng)繩的作用荷載。如果是導(dǎo)管架立片，纜風(fēng)繩可以兜拉在導(dǎo)管架的導(dǎo)管腿上，并且在下部焊接擋繩柱以防止纜風(fēng)繩滑移。為避免高空掛纜風(fēng)繩的困難，導(dǎo)管架立片在被立起之前，可以提前將纜風(fēng)繩掛到結(jié)構(gòu)物端錨固點上(擋繩柱)。如果空間限制，可以考慮兜拉管式吊點或者管徑較大的拉筋。如果是組合梁結(jié)構(gòu)，可以焊接板式吊點來固定纜風(fēng)繩。但要注意對連接點局部強度核算，既要保證連接的可靠性，又要保證不會損壞主結(jié)構(gòu)。

在地面沒有預(yù)埋錨點的情況下，纜風(fēng)繩地面端錨固點宜采用壓放水泥塊(鋼制滑道塊或者廢舊滑靴)的方法。該方法靈活性強，使用較為方便，不受場地空間限制，可以根據(jù)需要隨意進行布置。如果壓放的水泥塊數(shù)量較多時，需要核算場地承載能力。

纜風(fēng)繩長度調(diào)整裝置，用來預(yù)緊和松弛纜風(fēng)繩，可以輕微調(diào)整立片的角度，以保證建造的安全性和精度。一般受力較小時可以用倒鏈，受力較大時需要用卷揚機、滑輪組組合的形式。

鋼絲繩索宜采用吊裝用鋼絲繩吊索具，鋼絲繩吊索具安全系數(shù)較高，兩端帶有繩扣，可以通過卸扣串接多根吊索具，靈活調(diào)整長度。

3 纜風(fēng)繩的受力分析

確定纜風(fēng)繩在工作過程中受到的最大拉力，即纜風(fēng)繩系統(tǒng)的額定工作荷載，是作為選取鋼絲繩索、卸扣、滑輪組及卷揚機等的依據(jù)。

單支纜風(fēng)繩受到的最大拉力F(kN)即纜風(fēng)繩系統(tǒng)的額定工作荷載：

F=Fg+Fc,

(1)

式中：Fg為纜風(fēng)繩受到的最大工作拉力，kN，即結(jié)構(gòu)物承受的風(fēng)荷載從零變到最大設(shè)計值時，抗風(fēng)方向纜風(fēng)繩內(nèi)張緊力的增量；Fc為纜風(fēng)繩初始拉力，kN，纜風(fēng)繩的初始拉力是纜風(fēng)繩預(yù)先拉緊的力，一般取工作拉力的15%～20%[1]。

結(jié)構(gòu)物的受力可以簡化為如圖3所示[2]。

圖3 受力分析示意圖

根據(jù)力矩平衡原理，纜風(fēng)繩受到的最大工作拉力Tg、立片受到的最大風(fēng)荷載Fw和結(jié)構(gòu)物的自重荷載G，三者存在如下關(guān)系：

Fwhw+Ghgsinα=nFghtcosθcosγ,

(2)

得到纜風(fēng)繩的工作拉力：

(3)

式中：Fw為最大風(fēng)荷載，kN，未知量；hw為整體風(fēng)力等效作用點高度，m，未知量；G為結(jié)構(gòu)物的自重，kN，已知量；hg為結(jié)構(gòu)物重心高度，m，已知量；ht為纜風(fēng)繩結(jié)構(gòu)物端錨固點高度，m，已知量；α為結(jié)構(gòu)物由于風(fēng)荷載可能發(fā)生的最大傾角， °，已知量，一般取5°；θ為纜風(fēng)繩與地面的夾角， °，已知量；γ為纜風(fēng)繩與來風(fēng)方向所在垂直平面的夾角， °，已知量；n為同一抗風(fēng)方向纜風(fēng)繩數(shù)量，條，已知量。

4 風(fēng)荷載及整體風(fēng)力等效作用點高度的計算

4.1 風(fēng)荷載Fw計算

風(fēng)荷載的計算參照GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)物設(shè)計規(guī)范》[3]和GB 50009—2012《建造結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]中的方法，垂直作用于結(jié)構(gòu)物表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按照式(4)進行計算：

ωk=βzμsμzω0,

(4)

式中：ωk為作用在結(jié)構(gòu)物z高度處單位投影面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,按風(fēng)向投影，kN/m2；ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2，其取值不得小于0.35 kN/m2；μz為z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；βz為z高度處的風(fēng)振系數(shù)。

由于μz、βz與受風(fēng)區(qū)域的高度有關(guān)，因此對于高聳結(jié)構(gòu)物，為了保證計算精度，需要將受風(fēng)區(qū)域按照高度劃分成不同的受風(fēng)區(qū)間，垂直作用于結(jié)構(gòu)物表面某特定受風(fēng)區(qū)間上的風(fēng)荷載Fi(kN)為：

Fi=ωkAi,

(5)

式中：Ai為高聳結(jié)構(gòu)物表面某受風(fēng)區(qū)間受風(fēng)面積，m2。

整個結(jié)構(gòu)物在某受風(fēng)方向受到的垂直作用總風(fēng)荷載Fw(kN)為：

Fw=∑Fi=∑(βzμsμzω0Ai),

(6)

式(6)中ω0、μz、μs、βz值可以參照GB 50009—2012《建造結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)物設(shè)計規(guī)范》中描述的方法計算確定或者查詢規(guī)范中的附表得到。

以海工青島場地建造的某導(dǎo)管架立片為例：

1)基本風(fēng)壓ω0。通過查GB 50009—2012《建造結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中E.5附表，得青島地區(qū)50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓ω0為0.6 kN/m2。

2)風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz。根據(jù)GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)物設(shè)計規(guī)范》海岸風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取值如表1所示。

表1 海岸風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz

由表1可知，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz會隨標(biāo)高變化發(fā)生變化。

3)風(fēng)荷載體型系數(shù)μs。該導(dǎo)管架立片可以劃為圓截面構(gòu)筑物，根據(jù)GB 50009—2012《建造結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1中的規(guī)定，用表1的中間值按線性插值法計算風(fēng)荷載整體系數(shù)μs為0.56。

4)z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz。βz為跟高度有關(guān)的變量，根據(jù)規(guī)范GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)物設(shè)計規(guī)范》描述的方法計算不同受風(fēng)高度區(qū)間的值，如表2所示。

表2 z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz

5)受風(fēng)高度區(qū)間的受風(fēng)面積Ai。按照所劃分的受風(fēng)區(qū)域，計算出每個區(qū)域?qū)?yīng)的受風(fēng)面積Ai，為該受風(fēng)區(qū)間內(nèi)結(jié)構(gòu)物在受風(fēng)方向上的投影面積。

分別將ω0、μz、μs、βz、Ai的值匯總到表3中，計算出該導(dǎo)管架立片每個受風(fēng)區(qū)間受到風(fēng)荷載Fi。

表3 風(fēng)力計算表

4.2 整體風(fēng)力等效作用點高度hw計算

該導(dǎo)管架立片每個受風(fēng)區(qū)間的風(fēng)力作用點距地面的距離分別為h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8；結(jié)構(gòu)物整體風(fēng)荷載Fw等效作用點距地面的距離為hw。結(jié)構(gòu)物整體風(fēng)荷載Fw對地面產(chǎn)生的力矩等于每個受風(fēng)區(qū)域受到的風(fēng)力對地面產(chǎn)生的力矩之和，即：

Fwhw=∑Fihi,

(7)

得到：

(8)

將式(7)或式(8)代入式(3)即可求得每支纜風(fēng)繩的工作拉力Fg，再將Fg代入式(1)，得到單支纜風(fēng)繩受到的最大拉力F。F可被視為每支纜風(fēng)繩系統(tǒng)的額定工作荷載，以額定工作荷載F作為地面錨固點及結(jié)構(gòu)物端錨固點強度校核的輸入值；同時，纜風(fēng)繩繩索粗細(xì)、卸扣規(guī)格、滑輪組規(guī)格及其他工機具的規(guī)格均需要根據(jù)額定工作荷載F的值確定。

5 結(jié)束語

綜上所述，海工鋼結(jié)構(gòu)立片纜風(fēng)繩設(shè)計需要經(jīng)過如下流程。

1)根據(jù)施工場地及項目的實際情況充分考慮施工空間的限制及后期使用，來確定纜風(fēng)繩的數(shù)量和布設(shè)位置。

2)設(shè)計纜風(fēng)繩的結(jié)構(gòu)形式，包括：結(jié)構(gòu)物端錨固點的形式、地面錨固點的錨固方式、長度調(diào)整裝置的形式和鋼絲繩索4個部分。

3)通過計算最大風(fēng)荷載，來確定單支纜風(fēng)繩最大拉力F，即纜風(fēng)繩系統(tǒng)的額定工作荷載。

4)根據(jù)纜風(fēng)繩系統(tǒng)的額定工作荷載來確定組成纜風(fēng)繩系統(tǒng)的各類工機具規(guī)格。

5)根據(jù)纜風(fēng)繩系統(tǒng)的額定工作荷載校核結(jié)構(gòu)物端錨固點、地面錨固點的錨固強度。