一種高瘦沉箱半潛駁拖航加固方法

白 俊，江岳松

1.中國港灣西部非洲區(qū)域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524000

1 工程概況

加納特碼LNG項目位于非洲西部，加納南部沿海，瀕臨幾內(nèi)亞灣的北側(cè)，特碼港西防波堤外側(cè)。2017年6—8月，每月最大有效波高在1.5m以上的天數(shù)可達10d以上，波高在2m以上的天數(shù)累計不小于5d，而全天波高在1.1m以下的天數(shù)月均不到一周，波浪周期在7～19s變化，季風(fēng)期的海況條件較為惡劣。項目碼頭結(jié)構(gòu)采用離岸重力式獨立墩沉箱結(jié)構(gòu)，共有靠船墩沉箱2件，系纜墩沉箱5件。沉箱出運碼頭至安裝現(xiàn)場直線距離為4.6km，實際半潛駁拖航路徑長約7km，其中經(jīng)過無掩護海域約5km。

因離岸重力式碼頭沉箱的設(shè)計一般高寬比較大，在使用半潛駁拖航沉箱經(jīng)過近岸無掩護海域時，其寬度方向的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性較差。根據(jù)力和力矩的平衡原理，需要對沉箱橫縱方向的受力和抗滑抗傾穩(wěn)定性進行核算。當(dāng)其抗滑抗傾穩(wěn)定性不滿足要求時，必須對沉箱進行拖航加固，并限定拖航的作業(yè)條件，以保證整個拖航作業(yè)的安全?；诩蛹{特碼LNG碼頭工程項目的高瘦沉箱在長周期波且無掩護海域拖航的成功經(jīng)驗，文章介紹了沉箱拖航穩(wěn)定計算和簡易的加固方法，以為類似施工提供參考。

2 沉箱拖航穩(wěn)定性計算

2.1 沉箱對甲板的作用力計算

兩種沉箱的主體尺寸不同，以高寬比較大的靠船墩沉箱為例，該沉箱重約1991t，長為19.41m，底寬為12.62m，實寬為9.62m，高為18m，重心位置分別為Xc=5.85m、Yc=9.71m、Zc=7.09m；橫向風(fēng)作用面積為349.38m2，縱向風(fēng)作用面積為176.16m2。沉箱底部支墊0.4m厚的枕木，半潛駁裝載沉箱后吃水3.6m，甲板面到水線高為2m?？看粘料鋮?shù)如表1所示，沉箱上半潛駁后的位置如圖1所示。項目采用四航湛江號為拖航半潛駁，其船長為67.8m，型寬為37.2m，型深（至舉升甲板）為5.6m，設(shè)計吃水4.34m，載重量為4500t，塢墻寬為3.6m。

圖1 沉箱上半潛駁后的位置圖（單位：mm）

表1 靠船墩沉箱參數(shù) 單位：m

2.2 沉箱平衡計算

平衡計算應(yīng)分別校核橫向滑動、橫向翻轉(zhuǎn)和縱向滑動。因干木板與鋼板間的摩擦系數(shù)一般小于其與光滑混凝土面間的摩擦系數(shù)，故將沉箱與木方假定為一個整體計算[1]。

（1）橫向滑動。橫向滑動平衡應(yīng)滿足下式：

式中：Fy為拖航時沉箱作用于甲板的水平橫向力；Fz為拖航時沉箱垂直于甲板的豎向作用力；μ為鋼與干木板的摩擦系數(shù)，取0.3?？v向滑動與橫向滑動計算方式相似。

（2）橫向翻轉(zhuǎn)。橫向翻轉(zhuǎn)平衡應(yīng)滿足下式：

式中：a為橫向力Fy繞轉(zhuǎn)動重心翻轉(zhuǎn)的力臂，a=7.09m；b為垂向力Fz繞轉(zhuǎn)動重心翻轉(zhuǎn)的力臂，b=12.62÷2=6.31m。

根據(jù)沉箱拖航工況要求計算的結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2計算結(jié)果和結(jié)論，在拖航時，沉箱不會產(chǎn)生縱向滑動和翻轉(zhuǎn)，但因為其橫向力Fy=5012kN＞μFz=4068kN，所以必須在橫向采取加固限位措施，保證沉箱的拖航穩(wěn)定。

表2 根據(jù)沉箱拖航工況要求計算的結(jié)果

3 沉箱加固方式

3.1 三角架平、立面布置

在沉箱上半潛駁后，沿沉箱長度方向每邊各布置4個鋼支撐，鋼支撐由雙拼20a#槽鋼三角架和厚16mm的鋼板底座組合而成。底座與船體甲板焊接，三角架加貼沉箱的一側(cè)安裝1cm厚的膠皮，以便其可與沉箱保持緊密接觸[2]。

3.2 鋼支撐強度驗算

（1）底座驗算。鋼板分為底座和三角兩種，鋼板尺寸為1000mm×300mm×40mm，厚度為16mm，焊接在船體甲板上，其水平面和雙拼20#槽鋼三角架焊接。沉箱在上駁過程中，氣囊額定工作壓強為0.4MPa，遠小于鋼板受力215N/mm2，即215MPa，故鋼板強度滿足要求[3]。

（2）焊縫強度驗算。第一，焊腳尺寸計算，根據(jù)如下公式：

式中：tmax為鋼板厚度，tmin為槽鋼的厚度，分別為16mm、11mm；hf為焊縫焊腳尺寸，經(jīng)計算，此次hf取9mm。

第二，焊縫長度計算。鋼板長L=1000mm，則焊縫有效長度為

第三，角焊縫有效截面面積計算。角焊縫有效截面面積為

第四，應(yīng)力計算。經(jīng)計算，截面抵抗矩Ww為2025080.4mm3，拉力Nti為154kN，剪力Nu為236kN，彎矩M為118079.49kN·mm，拉力Nti所產(chǎn)生的應(yīng)力σfn=12.41N/mm2，剪力Nu所產(chǎn)生的應(yīng)力τfv=19.09N/mm2，彎矩M所產(chǎn)生的應(yīng)力σfM=58.31N/mm2。

第五，角焊縫強度驗算。三腳架在受到沉箱對其拉力、剪力、彎矩的共同作用下，在角焊縫的有效截面上，對受力最大的應(yīng)力點進行強度驗算，公式如下：

式中：βf為斜向角焊縫強度增大系數(shù)，直接承受動力荷載時，取1.0；ffw為角焊縫抗拉、抗壓和抗剪強度設(shè)計值，查表可得為160N/mm2。

經(jīng)計算得，73.25N/mm2＜160N/mm2，角焊縫滿足強度要求。π型鋼板與甲板焊接焊縫強度驗算同上，均滿足強度要求?，F(xiàn)假設(shè)在不利的情況下，有一23.6t（236kN）的作用力作用在每一個三角架上，三角架同時受剪力和拉力作用。經(jīng)驗算，每個三角架可承受23.6t（236kN）作用力，且各個強度均滿足要求，沉箱在拖航時保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生滑移。沉箱采用三角架加固后，橫向滑動、縱向滑動以及翻轉(zhuǎn)情況計算數(shù)據(jù)具體如表3所示。

表3 加固三角架后橫、縱向滑動及翻轉(zhuǎn)計算結(jié)論

4 結(jié)束語

文章結(jié)合半潛駁的允許作業(yè)條件和拖航經(jīng)驗，界定了半潛駁在拖航沉箱時橫縱方向最大搖擺角（縱向5°、橫向10°）和搖擺周期（10s），以及在拖航時當(dāng)日最大有效波高不超過1.3m，平均波浪周期在12s和14s之間的參數(shù)條件，并據(jù)此進行了沉箱拖航時抗滑抗傾核算和加固三角架的設(shè)計。利用此簡易加固方法，成功完成了所有加納特碼LNG碼頭工程項目全部沉箱的拖航施工，可為類似項目提供參考。此外，該三角架是采用焊接方法固定在π型底座上，也可以使用螺栓連接的方式，通過一定的計算復(fù)核確定螺栓的數(shù)量和規(guī)格。以螺栓拆裝替代三角架的焊接和割除，施工起來更為簡單，用時更少，是進一步優(yōu)化加固的途徑之一。