大水位差地區(qū)浮碼頭撐桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊玉勤

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

在水位差較大的長(zhǎng)江中游地區(qū)靠泊 5 000 DWT 及以上噸級(jí)化工品船，由于船舶靠泊時(shí)能量較大，造成躉船的位移也較大，對(duì)鋼引橋與躉船結(jié)合部的管道等工藝設(shè)施的正常使用有較大影響，同時(shí)也會(huì)加重躉船錨系的負(fù)擔(dān)，另外危險(xiǎn)品碼頭對(duì)液體泄漏要求很高，相應(yīng)的對(duì)躉船的變位要求也很高，因此為確保碼頭裝卸作業(yè)安全及躉船系留設(shè)施的安全可靠度，有必要采用輔助消能系統(tǒng)，由此選取合適的躉船系留消能方式以適應(yīng)工藝設(shè)計(jì)的特殊要求甚為關(guān)鍵。

本液體化工碼頭化工品裝卸采用管道輸送方式，鋼引橋與躉船結(jié)合部采用金屬軟管連接。當(dāng)船舶靠泊能量較大時(shí)，躉船產(chǎn)生較大的位移，會(huì)造成鋼引橋與躉船結(jié)合部處的金屬軟管過度變形甚至扭曲，一旦出現(xiàn)意外靠泊事故，可能會(huì)導(dǎo)致金屬軟管破裂或拉斷，引發(fā)管道中的化工品泄露，破壞環(huán)境、誘發(fā)火災(zāi)。因此，從工藝使用要求出發(fā)，船舶靠泊時(shí)以及水位漲落時(shí)躉船及碼頭結(jié)構(gòu)水平位移應(yīng)盡量小。

1 工程概況

湖北省武漢市充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)展空間，抓住國(guó)家中部崛起發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇，引資建設(shè)武漢80 萬(wàn)t/年乙烯工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目的興建，將極大地推動(dòng)武漢石油加工業(yè)向石油化工業(yè)轉(zhuǎn)變，使石油化工真正成為武漢的一大支柱產(chǎn)業(yè)，并帶動(dòng)整個(gè)湖北省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并由此可增強(qiáng)武漢城市綜合實(shí)力，提升武漢在全國(guó)中心城市的地位。

實(shí)例工程[1]位于長(zhǎng)江中游陽(yáng)邏水道與牧鵝洲水道交接處右岸一側(cè)的白滸山港區(qū)，新建9＃5 000 t級(jí)液體化工泊位1 個(gè)，碼頭吞吐量為54.8 萬(wàn)t/年液體化學(xué)品，泊位設(shè)計(jì)通過能力62.4 萬(wàn)t/年。碼頭結(jié)構(gòu)型式為浮碼頭，水工建筑物主要包括鋼質(zhì)躉船、消能設(shè)施、活動(dòng)鋼引橋、鋼筋砼承臺(tái)和固定引橋等。

2 基礎(chǔ)資料

1）設(shè)計(jì)代表船型

5 000 DWT 化工品船，其主尺度為：長(zhǎng)×寬×型深×滿載吃水=114×17.6×8.8×7.0 m。

2）設(shè)計(jì)水位（85 國(guó)家高程系）

設(shè)計(jì)高水位25.77 m（重現(xiàn)期50 年）,設(shè)計(jì)低水位8.77 m（當(dāng)?shù)睾叫谢鶞?zhǔn)面）。

3）水流流速

設(shè)計(jì)水流流速2.0 m/s。

4）地質(zhì)情況

碼頭區(qū)土層自上而下依次為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂及其夾層、卵石、泥質(zhì)砂巖等。

3 躉船系留方案的確定

通常情況下，浮碼頭躉船的系留主要有以下幾種方式：

1）錨鏈系統(tǒng)（主要適用于5 000 t 級(jí)以下碼頭）；

2）錨鏈+撐桿系統(tǒng)（靠泊船舶較大且工藝使用不允許躉船有較大位移）；

3）錨鏈+定位墩（樁）（靠泊船舶較大且工藝使用不允許躉船有較大位移）；

4）定位墩（水域界限或水底土質(zhì)等不允許拋錨）。

本碼頭靠泊5 000 t 級(jí)液體化工品船，貨種為乙二醇、丁二烯、低溫乙烯等?；罚に噷?duì)躉船位移要求高，同時(shí)根據(jù)規(guī)范，浮碼頭系靠5 000 t 以上船舶時(shí)，應(yīng)設(shè)置專門的消能設(shè)施[2]。由此，水工結(jié)構(gòu)針對(duì)性提出了樁式鋼浮箱和撐桿墩式兩種型式的系留消能設(shè)施方案進(jìn)行比較。

3.1 水工結(jié)構(gòu)

鋼撐桿消能設(shè)施由鋼撐桿、撐墩及消能橡膠護(hù)舷等構(gòu)成（如下圖1），其特點(diǎn)是：撐桿一端頂住躉船，另一端擱置在撐墩上，隨水位漲落，撐桿以撐墩端為中心，躉船端隨躉船同步上下擺動(dòng)。撐桿的兩端均設(shè)有橡膠護(hù)舷，以吸收船舶靠泊能量，同時(shí)有效的減少船舶靠泊時(shí)躉船的水平變位，有效控制船舶靠泊時(shí)躉船上活動(dòng)鋼引橋支座位移。此種方式鋼躉船的前沿線是可變的，根據(jù)本工程水位差以及鋼引橋、鋼撐桿等水工建筑物結(jié)構(gòu)初定尺寸，繪制了鋼引橋支座在躉船上橫向位移示意圖（詳見下圖2）。

圖1 撐桿系留及消能設(shè)施系統(tǒng)斷面圖

圖2 活動(dòng)鋼引橋活動(dòng)范圍示意圖（鋼撐桿）

從圖中看出，采用這種消能設(shè)施在高底水位時(shí)，鋼引橋滾輪支座在躉船上的最大位移量約為1.4 m。

樁式鋼浮箱消能設(shè)施由橡膠護(hù)舷、鋼浮箱及Φ1 600 mm 鋼管樁等構(gòu)成（如下圖3）。鋼浮箱在兩根鋼管樁的導(dǎo)向下，隨水位漲落與躉船同步上下浮動(dòng)，利用鋼管樁的彈性變形和橡膠護(hù)舷的壓縮變形來(lái)吸收船舶靠泊能量，同時(shí)也能減少船舶靠泊時(shí)的水平變位，有效控制船舶靠泊時(shí)躉船上活動(dòng)鋼引橋支座位移，此種方式躉船的前沿線位置是基本不變的。根據(jù)本工程水位差以及鋼引橋等水工建筑物結(jié)構(gòu)初定尺寸，繪制了鋼引橋在躉船上橫向位移示意圖（詳見下圖4）。

圖3 樁式鋼浮箱系留及消能設(shè)施斷面圖

圖4 活動(dòng)鋼引橋活動(dòng)范圍示意圖（定位樁）

從圖中看出，采用這種消能設(shè)施在高低水位時(shí)，鋼引橋滾輪支座在躉船上的最大位移量約為2.2 m。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

本碼頭為液體化工碼頭，化工品裝卸采用管道輸送方式，鋼引橋與躉船結(jié)合部采用金屬軟管連接，金屬軟管的最小彎曲半徑是有限制的（因管徑不同彎曲半徑也不同）。當(dāng)船舶靠泊能量較大時(shí)，躉船產(chǎn)生較大的位移，會(huì)造成鋼引橋與躉船結(jié)合部處的金屬軟管過度變形甚至扭曲，一旦出現(xiàn)意外靠泊事故，可能會(huì)導(dǎo)致金屬軟管破裂或拉斷，引發(fā)管道中的化工品泄露，破壞環(huán)境、誘發(fā)火災(zāi)。因此，從工藝使用要求出發(fā)，船舶靠泊時(shí)以及水位漲落時(shí)活動(dòng)鋼引橋支座在躉船上的位移應(yīng)盡量小。鋼撐桿消能設(shè)施和樁式浮箱效能設(shè)施均可有效控制船舶靠泊時(shí)活動(dòng)鋼引橋支座與躉船的相對(duì)位移。但本工程水位差較大，隨著水位的漲落，兩種消能方式活動(dòng)鋼引橋支座在躉船上均有相對(duì)位移，從上述兩圖顯示，位移幅度鋼撐桿消能設(shè)施比樁式鋼浮箱消能設(shè)施要小，反映出鋼撐桿消能設(shè)施鋼引橋與躉船結(jié)合部的金屬軟管使用中的彎曲變形程度要小一些。因此，從金屬軟管使用變形和作業(yè)安全看，鋼撐桿消能設(shè)施具有優(yōu)越性。

4 結(jié)構(gòu)方案

從上述比選可知，采用鋼撐桿消能設(shè)施，船舶靠泊時(shí)鋼引橋支座在躉船上的位移能得到更有效的控制；水位漲落時(shí)，鋼引橋支座與躉船之間的相對(duì)位移較小，鋼引橋與躉船結(jié)合部的金屬軟管彎曲變形較小，使用安全性好；雖日常管理和維護(hù)工作多一些，但難度不大。綜上所述，相比樁式鋼浮箱消能設(shè)施，鋼撐桿消能設(shè)施具有工藝金屬軟管使用安全性好、工程費(fèi)用略省等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)推薦武漢80萬(wàn)t 乙烯項(xiàng)目9#液體化工泊位躉船消能設(shè)施采用鋼撐桿消能設(shè)施。

4.1 撐桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足規(guī)范規(guī)定的高低水位時(shí)鋼撐桿斜度的要求，使鋼撐桿始終處于合理的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)高水位時(shí)鋼撐桿斜度不陡于1:6 及設(shè)計(jì)低水位時(shí)不陡于1:4.5，鋼撐桿在水位變化時(shí)繞岸端旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，按照水位與旋轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的關(guān)系（如圖5），鋼撐桿長(zhǎng)度L 可近似按下式計(jì)算：

圖5 鋼撐桿長(zhǎng)度計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：

L— 鋼撐桿長(zhǎng)度(m)

Δ— 高低水位差 (m)

由上述公式可看出，在水位差高達(dá)30 m 左右的長(zhǎng)江三峽大壩以上的上游地區(qū)，由于水位差超大，鋼撐桿的長(zhǎng)度至少需80 m 左右，撐桿長(zhǎng)且自重大，給其制作、運(yùn)輸安裝等均帶來(lái)一定困難，且過長(zhǎng)的鋼撐桿也難與活動(dòng)鋼引橋的長(zhǎng)度相匹配適應(yīng)，此時(shí)采用鋼撐桿方案并非最佳，而具體到本工程，工程所在地水位差為17 m，按滿足L≥17/(1/6+1/4.5)計(jì)算,取鋼撐桿長(zhǎng)度45 m，安裝本工程60 m 跨活動(dòng)鋼引橋的起重船即可滿足撐桿的吊裝要求。

通常鋼撐桿可采用箱型、圓管型或格構(gòu)式截面，本碼頭高水位時(shí)鋼撐桿大部分受淹，工程所在地水流流速較大，達(dá)2 m/s，加之鋼撐桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)，考慮到水流力及阻水因素，設(shè)計(jì)采用透空的方形格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，四角采用角鋼，通過雙斜交叉綴條連接。鋼撐桿主要受自重及船舶撞擊力或擠靠力、撐桿在撐墩及躉船上移動(dòng)時(shí)摩擦力等作用，按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，鋼撐桿需滿足長(zhǎng)細(xì)比、強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性等要求，對(duì)于格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)滿足單肢穩(wěn)定性，通過試算結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程鋼撐桿斷面尺寸為1.5x1.5 m。為了鋼撐桿的正常使用，需對(duì)其進(jìn)行變形計(jì)算，由此建立空間有限元模型（見圖6），根據(jù)撓度計(jì)算結(jié)果，鋼撐桿設(shè)置了8 cm 向上預(yù)拱度。

圖6 鋼撐桿有限元計(jì)算模型

撐桿一端擱置于躉船牛腿上，另一端擱置于撐桿墩臺(tái)上。撐桿墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，按空間墩臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，其主要承受船舶荷載、水流力等水平荷載，豎向荷載小，每個(gè)墩臺(tái)布置4 根Φ800 鋼管樁4:1 斜樁，撐桿墩平面尺寸5x5 m，撐桿墩頂面高程可按下式[3]確定：

式中：

H—撐桿墩頂面高程（m）

Hmax— 設(shè)計(jì)高低水位（m）

Hmin— 設(shè)計(jì)低水位（m）

為方便墩臺(tái)的施工，同時(shí)減少撐桿墩臺(tái)的淹沒天數(shù)，實(shí)際取值比上述公式略高，本工程取20.5 m。撐桿墩江側(cè)設(shè)置擱斗，以滿足高低水位時(shí)鋼撐桿擱置及消能設(shè)施安放要求，同時(shí)與躉船端一樣，均設(shè)置錨鏈拉環(huán)，以防鋼撐桿意外脫落。

4.2 消能設(shè)施設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程5 000 t 液體化工品滿載排水量及靠船法向速度V=0.17 m/s 進(jìn)行橡膠護(hù)舷的選型和布置。實(shí)際靠泊過程中，與靠泊船舶直接接觸的躉船吸收了相當(dāng)一部分的船舶撞擊能量，此部分無(wú)法計(jì)算量化，故設(shè)計(jì)在護(hù)舷選型時(shí)未考慮躉船吸能的有利因素，而將此部分作為結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，由此根據(jù)船舶撞擊能量的計(jì)算選定DA-A500H 標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，護(hù)舷分別置于撐墩端與躉船端，其與躉船牛腿及撐桿墩的連接分別詳見圖7、圖8。當(dāng)船舶靠泊碼頭時(shí)，船舶荷載通過躉船傳給躉船牛腿上的DA-A500H 護(hù)舷，該護(hù)舷即發(fā)生壓縮變形，為了增大鋼撐桿與護(hù)舷的接觸面，減小壓縮面壓，在護(hù)舷壓縮面前端設(shè)置了防沖鋼板（圖中件A），件A 沿螺栓隨護(hù)舷壓縮方向而移動(dòng)，從而達(dá)到護(hù)舷壓縮吸收能量的目的，當(dāng)變形達(dá)到最大55 %時(shí)，護(hù)舷以最大壓縮變形時(shí)的反力通過鋼撐桿傳遞給撐桿另一側(cè)的護(hù)舷，由此兩個(gè)護(hù)舷壓縮共同吸收的能量來(lái)平衡船舶的有效撞擊能量。

圖7 躉船端消能設(shè)施安裝平面示意圖

圖8 撐桿墩端消能設(shè)施安裝平面示意圖

4.3 撐桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

在躉船的岸側(cè)距躉船上下游端10 m 處各布設(shè)一套撐桿式消能設(shè)施，兩套撐桿系統(tǒng)相互平行且對(duì)稱于躉船中心線。消能設(shè)施由鋼撐桿、高樁墩式鋼筋砼撐桿墩等構(gòu)成。鋼撐桿總長(zhǎng)45 m，江岸側(cè)各設(shè)置2.25 m 長(zhǎng)過渡封閉端，采用格構(gòu)空腹式方形截面，截面尺寸1.5x1.5 m，兩端設(shè)置錨鏈分別與躉船和撐桿墩系連。撐桿墩基礎(chǔ)采用φ800 鋼管樁，每座撐桿墩設(shè)4 根4:1 斜樁，上部為現(xiàn)澆鋼筋砼實(shí)體墩臺(tái)。鋼撐桿一端擱置在撐桿墩上，另一端隨水位漲落與躉船同步上下擺動(dòng)，利用布置在撐桿兩端的DA-A500HL1000 標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷的壓縮變形來(lái)吸收船舶靠泊能量，同時(shí)也能減少船舶靠泊時(shí)的水平變位，以滿足安全靠泊和正常使用要求。本碼頭已投入運(yùn)營(yíng)使用多年，運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

1）同定位樁+鋼浮箱方案相比，撐桿方案具有水平變位更小、造價(jià)更省的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于對(duì)變位要求較高的?；反a頭，更為安全經(jīng)濟(jì)。

2）根據(jù)碼頭所在地水位差即可確定鋼撐桿長(zhǎng)度，格構(gòu)式鋼撐桿結(jié)構(gòu)重量輕、阻水影響小，且在構(gòu)造處理上充分考慮了使用要求，工程投入使用后效果良好。

3）當(dāng)船舶靠泊躉船時(shí)，通過躉船內(nèi)舷由鋼撐桿、橡膠護(hù)舷、高樁撐桿墩臺(tái)等組成的撐桿消能系統(tǒng)發(fā)揮作用，使得躉船與鋼引橋間的相對(duì)位移很小，從而保證了工藝管線的正常使用及碼頭的安全靠泊要求。