半潛式起重鋪管船建造場(chǎng)地荷載分析

王 闊

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

半潛式起重鋪管船(以下簡(jiǎn)稱鋪管船)為深水海洋工程系列必要船型之一[1]，其具備在惡劣深水環(huán)境條件下進(jìn)行海管鋪設(shè)、結(jié)構(gòu)物吊裝等多種海洋作業(yè)的能力，在海洋工程領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[2-4]。鋪管船因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，需采用特定的建造方式，對(duì)場(chǎng)地荷載能力提出了更高的要求。本文以青島場(chǎng)地為例，通過(guò)對(duì)比各類總裝合龍方式，確定最優(yōu)建造方案，并對(duì)該總體建造方案不同工況下的場(chǎng)地荷載能力進(jìn)行計(jì)算分析。

1 鋪管船總體建造方案

1.1 鋪管船結(jié)構(gòu)形式

鋪管船由下部船體、生活樓、輪機(jī)系統(tǒng)、吊機(jī)、鋪管系統(tǒng)等組成。其船長(zhǎng)為190 m，型寬為98 m，整體高度為76 m，下部船體質(zhì)量約45 000 t，上部模塊結(jié)構(gòu)除生活樓及碼頭安裝設(shè)備外，質(zhì)量約為34 000 t，鋪管船示意圖如圖1所示。

圖1 鋪管船示意圖

1.2 鋪管船總體建造合龍方案對(duì)比分析

目前，主要的合龍方式有以下幾種：頂升滑移合龍、巨型總段吊裝合龍、提升滑移合龍、分段吊裝合龍等，各種合龍方式在工程中均有應(yīng)用[5]。

根據(jù)該鋪管船的尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合青島公司場(chǎng)地情況，因船塢寬度為110 m，而船體長(zhǎng)度為190 m，所以該船體結(jié)構(gòu)及上部模塊結(jié)構(gòu)只能在塢內(nèi)縱向建造。

1)提升滑移合龍。提升滑移合龍是目前浮式平臺(tái)建造常見(jiàn)的總裝合龍方案之一。鋪管船的型寬為98 m，建造中船體中心線與塢底中心線重合，兩邊各余6 m的寬度。針對(duì)此方案，必須在上部模塊的兩側(cè)設(shè)置提升塔架。同時(shí)，提升方式舉升能力比頂升方式弱，目前沒(méi)有提升質(zhì)量達(dá)到近4萬(wàn)t的成功工程案例。更重要的是，提升塔架本身具有一定的寬度，對(duì)于塔架的固定裝置來(lái)說(shuō)，6 m的距離偏小，所以提升滑移合龍方案不適合該項(xiàng)目。

2)巨型總段吊裝合龍。即使不考慮起重機(jī)、J型架、生活樓、大型絞車等可以后期在舾裝碼頭組裝的設(shè)備質(zhì)量，該船的上部模塊質(zhì)量也遠(yuǎn)超3萬(wàn)t，超過(guò)已有資源能力，所以不能采用巨型總段吊裝合龍的方式建造。

3)合龍方案選取。通過(guò)以上分析，可以采用的合龍方式主要有2種，即分段吊裝合龍和頂升滑移合龍。從建造總成本與建造周期2個(gè)方面考慮，頂升滑移合龍的建造方案均優(yōu)于分段吊裝合龍的建造方案。本文將以頂升滑移合龍方案為基礎(chǔ)進(jìn)行荷載分析。

1.3 鋪管船頂升滑移方案

1)總段建造。利用龍門(mén)吊，將塢外預(yù)制總段在塢內(nèi)合龍為3個(gè)巨型總段，即左右舷2個(gè)船體巨型總段和上部模塊巨型總段。其中船體巨型總段包括底部船體與立柱，即一個(gè)船體巨型總段包括1個(gè)單船體和4個(gè)立柱。上部模塊巨型總段在靠近塢門(mén)一側(cè)合龍，船體總段在內(nèi)側(cè)合龍。3個(gè)巨型總段同時(shí)建造。

2)合龍流程。3個(gè)巨型總段建造完成之后，通過(guò)頂升設(shè)備，將上部模塊頂升至略高于最大型深的高度。通過(guò)滑移設(shè)備，將2個(gè)船體總段滑移至指定位置后，船體總段合龍并坐墩，將滑靴和滑道塊依次撤出，按照船體結(jié)構(gòu)與上部模塊合龍工況進(jìn)行墊墩布置，布墩完成后，利用滑靴上的液壓裝置將船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量轉(zhuǎn)移至總裝合龍墩上，然后利用頂升裝備，降低上部模塊高度，進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移，完成船體結(jié)構(gòu)與上部模塊集成作業(yè)，頂升滑移合龍如圖2所示。

圖2 頂升滑移合龍示意圖

2 鋪管船建造船塢荷載分析

2.1 船塢荷載及塢墩樣式

船塢塢底荷載是根據(jù)不同產(chǎn)品類型，不同工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體實(shí)際位置進(jìn)行核實(shí)。為簡(jiǎn)化計(jì)算流程，按照船塢塢底最小面荷載40 t /m2，最小線荷載220 t /m進(jìn)行核算。塢墩具體尺寸如圖3所示。

圖3 塢墩尺寸圖

2.2 地基荷載分析

由于船塢荷載限制，建造階段塢墩采用雙墩布置，合并后雙墩長(zhǎng)3.0 m，寬1.4 m。同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，上部模塊布置278個(gè)雙墩，船體結(jié)構(gòu)布置300個(gè)雙墩，如圖4所示,圖4中黑色小方塊為塢墩。

考慮到1.05倍荷載不均勻分布系數(shù)，上部模塊結(jié)構(gòu)和船體結(jié)構(gòu)對(duì)船塢塢底的荷載為：

PTopside=mTopside/ATopside×1.05=34 000/

(3×1.4×278)×1.05≈30.6 t /m2，

(1)

PHull=mHull/AHull×1.05=45 000/

(3×1.4×300)×1.05≈37.5 t /m2，

(2)

圖4 塢墩布置圖

式中，PTopside為上部模塊結(jié)構(gòu)面荷載，t /m2;PHull為船體結(jié)構(gòu)的面荷載，t /m2；mTopside為上部模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量，t;mHull為船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，t；ATopside為上部模塊塢墩受力面積，m2;AHull為船體塢墩受力面積，m2。

船塢塢底最小面荷載為40 t /m2，建造階段塢墩布置滿足荷載要求。

2.3 頂升階段地基荷載分析

1)頂升時(shí)地基受力。頂升階段地基受力是合龍階段的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在頂升上部模塊時(shí)，上部模塊的全部質(zhì)量都由頂升設(shè)備傳遞到塢底或滑道的地基上，加上頂升設(shè)備自身的質(zhì)量，會(huì)造成地基局部受力較大的問(wèn)題。使用有限元軟件計(jì)算獲取每個(gè)設(shè)備傳遞給地基的力，結(jié)合地基的許用荷載，可以得出需要何種尺寸及形式的頂升基座，以確保地基在頂升過(guò)程中不被破壞。

2)頂升設(shè)備支撐點(diǎn)布置問(wèn)題。頂升設(shè)備支撐點(diǎn)的布置要考慮頂升設(shè)備和下部沉箱的干涉問(wèn)題，同時(shí)設(shè)備支撐點(diǎn)布置在不同的位置，會(huì)影響頂升設(shè)備和上部模塊結(jié)構(gòu)的受力，進(jìn)而上部模塊需要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)也會(huì)不同。

根據(jù)上部模塊質(zhì)量，設(shè)計(jì)了頂升塔架底座12個(gè)。底座長(zhǎng)10.5 m，沿船塢長(zhǎng)度方向；寬8 m，沿船塢寬度方向。頂升塔架底座布置示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 頂升塔架底座布置示意圖

考慮到1.05倍的荷載不均勻分布系數(shù)，頂升塔架質(zhì)量為12 000 t，頂升階段，頂升塔架底座對(duì)船塢塢底的荷載為：

PJack=mJack/AJack×1.05=(34 000+12 000)/

(10.5×8×12)×1.05=47.9 t /m2，

(3)

式中,PJack為頂升塔架底座的面荷載，t /m2；mJack為頂升階段總結(jié)構(gòu)質(zhì)量，t；AJack為頂升塔架底座面積，m2。

船塢塢底最小面荷載為40 t /m2，塔架底座對(duì)地基最大荷載大于船塢塢底最小面荷載。因船塢塢底部分區(qū)域面荷載為60 t /m2，如頂升設(shè)備塔架位于40 t /m2區(qū)域，就需要對(duì)船塢塢底進(jìn)行局部改造，以滿足頂升階段工況要求。

2.4 滑移階段地基荷載分析

船體結(jié)構(gòu)滑移方案中，2個(gè)船體分段分別設(shè)置40個(gè)液壓滑靴，提供的縱向有效支撐總長(zhǎng)度為220 m(橫向8行)，考慮到1.05倍的荷載不均勻分布系數(shù)，認(rèn)為左右兩側(cè)的液壓滑靴分擔(dān)的質(zhì)量相同,液壓滑靴對(duì)塢底的線荷載為：

QSkid=mHull/LSkid×1.05=45 000/220×1.05≈214.8 t /m，

(4)

式中，QSkid為液壓滑靴對(duì)塢底線荷載，t /m；mHull為船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，t；LSkid為滑靴縱向有效支撐長(zhǎng)度，m。

船塢塢底最小線荷載220 t /m2，滑移階段船塢塢底荷載滿足要求。

2.5 合龍階段地基荷載分析

頂升作業(yè)開(kāi)始時(shí)，撤上部模塊的建造塢墩，結(jié)合合龍后的質(zhì)量，布置660個(gè)雙墩，合龍階段塢墩布置示意圖如圖6所示，圖6中黑色小方塊為塢墩。

圖6 合龍階段塢墩布置示意圖

考慮到1.05倍的荷載不均勻分布系數(shù)，合龍后的塢墩對(duì)塢底的荷載為：

PTotal=mTotal/ATotal×1.05=79 000/(3×1.4×660)×1.05≈29.9 t /m2，

(5)

式中,PTotal為合龍后塢墩的面荷載，t /m2；mTotal為合龍后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，t；ATotal為合龍后塢墩的受力面積，m2。

船塢塢底最小面荷載為40 t /m2，合龍階段塢墩布置滿足荷載要求。

3 其他注意事項(xiàng)

1)頂升。頂升點(diǎn)處結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，頂升過(guò)程必然對(duì)上部模塊結(jié)構(gòu)造成一定影響，為了縮短工期，上部模塊設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮頂升過(guò)程的影響。對(duì)上部模塊進(jìn)行有限元分析，如需要應(yīng)對(duì)上部模塊進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。頂升設(shè)備基座主要由砂箱和箱型梁構(gòu)成，首先布置砂箱，然后在砂箱上布置箱型梁，再設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)時(shí)，需充分考慮地基荷載及頂升操作空間等因素。頂升方案需要按照頂升高度進(jìn)行合理性論證，如頂升塔架需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行有限元分析，選取最優(yōu)布置方案；頂升操作時(shí)，需有防風(fēng)措施，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)塢墩。由于船體質(zhì)量分布、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及墊墩布置的不均勻性，部分單墩的壓力要大于均值。為保證塢墩壓力小于許用值，在初步進(jìn)行墊墩布置后，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量等實(shí)際情況，進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析確保塢底強(qiáng)度滿足要求。