一種用于海上升壓站上部組塊建造和運輸?shù)膶Ｓ霉ぱb

鄧詩龍 朱杰兒 程建棠 徐志強

1 中國能源建設集團浙江火電建設有限公司 杭州 310016 2 中國能源建設集團工程研究院 北京 100022

0 引言

海上升壓站上部組塊（以下簡稱上部組塊）內部結構復雜和自重較大，為減少海上施工工作量，國內外一般采用在陸地上整體建造，通過裝船運輸至海上進行整體吊裝和安裝。海上升壓站按結構設計需要，通過4 根主柱與下部接觸受力，因接觸面積小，接地比壓非常大，故在建造過程中需在其底部設置專用的工裝進行分載。同時，分載用的工裝需滿足上部組塊建造期間承載、以及上部組塊裝船要求。

目前，上部組塊常規(guī)的裝船方式有滑移裝船和吊裝裝船?；蒲b船需帶滑道駁船，且上部組塊均需于滑道上完成總裝操作。吊裝裝船則需要大型浮式起重機（以下簡稱浮吊）進行吊裝，且需經由吊運或牽引作業(yè)將上部組塊移動至碼頭前沿，方可完成后續(xù)吊裝作業(yè)。對浙江沿海各船廠和碼頭考察后發(fā)現(xiàn)并無滿足上述要求條件的場地，如采用上述兩種方法，則需要對現(xiàn)有船廠或碼頭進行改造，建造完畢后裝船時間受制于大型浮吊的檔期。同時，大型浮吊進港吊裝對沿線橋梁高度和架空線高度有較嚴格要求，且費用遠遠超出工程造價成本。

結合浙江省沿?，F(xiàn)有船廠和碼頭現(xiàn)狀，其建造場地和大件運輸路線等滿足要求，且有配套船塢滿足裝船前提，對上部組塊采用滾裝裝船方式具有實施可能。針對國內某上部組塊建造和整體滾裝裝船所需，開發(fā)一種滿足建造承載和整體滾裝功能的專用工裝成為必要。

1 專用工裝總體方案

如圖1 所示，專用工裝布置在上部組塊4 個主柱的下方，底部工裝布置在上部組塊與支墩之間，上部組塊主柱插入底部工裝中，底部工裝頂面與上部組塊第一層平臺處十字板接觸（見圖2）。支墩布置在底部工裝下方作為整個承重件的分載支撐。底部工裝大梁底部可允許SPMT 車組進入進行滾裝作業(yè)。如圖3 所示，底部工裝主要由大梁、主梁1、主梁2、邊梁、主拉桿1、主拉桿2、支墩組成。主梁1 長1.48 m，腹板伸入主梁2中，與主梁2 相連。主梁2 長5 m，主梁1 和主梁2 中間均設置加勁肋，主梁兩端與大梁連接處設置加勁肋。主梁與邊梁之間通過主拉桿相連。主梁為箱形梁，長度為16 m，中間設有多個加勁肋。大梁、主梁1 及主梁2之間均通過高強螺栓連接。

圖1 專用工裝布置方案圖

圖2 上部組塊柱腳節(jié)點詳圖

圖3 底部工裝結構圖

2 底部工裝設計

2.1 底部工裝載荷確定

220 kV 海上升壓站上部組塊設計質量約3 200 t，根據以往工程經驗上部組塊建造完成后，因結構設計和設備質量及安裝位置差異，其整體重心不在4 根主柱組成的幾何中心，存在一定的偏差，該偏差極端情況時達到x、y軸單方向偏離2 000 mm 左右。上部組塊主要通過4 根主柱支承，底部工裝直接作用于主柱上，通過換算柱腿的軸壓力達到12 000 kN，底部工裝需滿足該承載要求。

2.2 底部工裝定型設計

上部組塊結構龐大，可實現(xiàn)整體支撐的位置主要是與4 根主柱結合的第一層鋼結構平臺，選擇在與4 根主柱相連的十字板處作為連接節(jié)點，可保證整層鋼結構平臺的剛度，防止建造過程中上部組塊平臺的支撐點處發(fā)生較大變形，影響上部組塊安裝就位精度。

工裝設計由上部安裝座和下部大梁組成（見圖4）。底部工裝主要通過與上部組塊十字板垂直方向受力，工裝傳力過程為上部組塊的荷載通過有4 個樁腿連接的節(jié)點傳遞給主梁1 和主梁2，其中主梁2 承擔的荷載通過角鋼連接件和高強度螺栓傳給主梁1，再由主梁1 將荷載傳遞給大梁，以保證上部組塊建造過程中滿足承載要求，防止局部超出耐壓力過大導致上部組塊傾斜。

圖4 底部工裝設計圖

每個工裝單元都帶有1個上部組件的支墩（見圖5），4 個工裝單元帶有4 個支墩，上部組件有4 個樁腿連接節(jié)點，將4 個樁腿連接節(jié)點與4 個安裝座固定后，用于安裝和運輸。每個工裝單元先采用2 根平行的大梁，然后在2 根平行的主梁固定2 根主梁1，在2 根主梁1 之間固定2 根主梁2，形成上部組件的安裝座，同時采用水平斜支撐提高穩(wěn)固性，確保受力的整體性和穩(wěn)定性。

圖5 底部工裝實景圖

大梁為2 根箱形截面大梁，截面合理設置加勁肋以保證整體性。支墩由三腹板箱形截面構成，一定間距設置T 形截面加勁梁，支墩高度應適合SPMT 滾裝車的高度，柱墩的底面積應能保證將上部組件的荷載安全地傳遞給地面。底部工裝所有構件均采用Q355B 鋼，單件底部工裝主要參數(shù)見表1。

表1 專用工裝主要參數(shù)表

2.3 底部工裝創(chuàng)新點

1）建造和滾裝一體化 該工裝首次應用于建造完畢后整體滾裝上船形式的海上升壓站工程，實踐證明海上升壓站整體滾裝方式可行。

老齡化會降低勞動力供給。如是金融研究院數(shù)據顯示，2014年中國勞動力人口首次凈減少104萬，尤其是15歲～24歲的“小鮮肉”減少最快。近三年幾乎每年減少1000萬人，10歲～19歲人口是五年后勞動力適齡人口，此年齡段人口數(shù)也從2012年開始進入凈減少狀態(tài)(近三年累計減少1345萬人。這意味著未來五年勞動力減少將顯著加大。老年人口不生產，只消費，消費本國和“鮮肉國”勞動力人口的剩余產量。中國目前正處于快速發(fā)展階段，需要大量的勞動力來滿足生產的需要，而越來越多的老年人需要供養(yǎng)，勞動力的成本隨之提高，直接影響國家經濟的發(fā)展。

2）底部工裝傳力路徑明確 主梁2 傳力采用角鋼拼接件和高強度螺栓直接傳力給主梁1 的腹板，減小了節(jié)點傳力的偏心。主梁1 采用加勁肋直接對應于大梁腹板，使主梁1 的荷載直接傳遞給大梁，傳力過程安全可靠。

3）降低場地耐壓力的要求 采用本工裝進行上部組塊建造，對場地耐壓力要求可下降至0.25 MPa，可擺脫對重型碼頭的要求，大幅降低對建造場地的依賴度。

4）優(yōu)化上部組塊整體支撐 通過4 套底部工裝直接與上部組塊第一層4 個主柱十字板相接，完全消除上部組塊其他分載用的鋼結構支撐點依賴，大幅提高了上部組塊底部空間的利用，各類車輛人員可方便作業(yè)，有利用上部組塊建造效率的提升。

5）可拆裝化 底部工裝各構件之間均采用高強度螺栓連接。上部組塊滾裝上船后，需通過運輸船運輸至海上就位點進行整體吊裝就位工作，就近靠岸后工裝可進行拆分零件化，通過運輸車進行運輸回收至基地,大幅降低成本。

6）可通用化 工裝各部件主要通過螺栓進行連接固定，制造階段預留可調節(jié)螺栓孔，通過調整主梁的距離適應上部組塊主柱尺寸，完成工裝與上部組塊的匹配，具有較高的通用性，可持續(xù)應用于后續(xù)工程項目。

3 底部工裝有限元計算

借助Abaqus 軟件進行建模和計算分析，本次模擬采用彈性計算，模型中所有構件均采用Q355B，鋼材彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。鋼材均采用殼單元，劃分網格時單元長度為120 mm。在建模時，先建一個參考點，將參考點與上部組塊主柱接觸面Couple 連接，荷載作用于參考點上，本次模型中荷載為12 000 kN。主梁與上部柱腳結構之間的連接法向為硬接觸，切向為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.6。主梁1 與主梁2 之間用Tie連接，主梁2 與大梁接觸面也用Tie 連接。

3.1 底部工裝作為建造支撐的計算

3.1.1 計算模型

該模型為底部有支墩、上部加載，底部支墩固定形式。模型如圖6 所示，網格劃分如圖7 所示。在主梁下面設置支墩，并約束支墩的底面，取消主梁兩側底面的固定約束。

圖6 底部工裝模型1

圖7 底部工裝模型1 網格劃分

底部工裝模型1 計算結果如圖8 所示，模型1 的最大應力為212.9 MPa，小于Q355B 材質的許用應力295 MPa，故該底部工裝滿足強度要求。底部工裝模型1 豎向位移如圖9 所示，垂直荷載作用下上部垂直位移最大為3.437 mm，支墩底部固定，基本無豎向位移。

圖8 底部工裝模型1 應力分布

圖9 底部工裝模型1 豎向位移

3.2 底部工裝作為滾裝工裝的計算

3.2.1 計算模型

底部工裝模型2 如圖10 所示，網格劃分如圖11 所示。模型2 取消了主梁兩側底面的固定約束，只約束主梁底面的側向位移，并將上部參考點固定約束。去掉加在參考點上荷載，在主梁底面兩側施加向上的均布荷載，加載面積共為16 m2，荷載為0.75 MPa。

圖10 底部工裝模型2

圖11 底部工裝模型2 網格劃分

3.2.2 計算結果

底部工裝模型2 計算結果如圖12 所示，模型2 的最大應力為191.1MPa，小于Q355B 材質的許用應力295 MPa，故該底部工裝滿足強度要求。底部工裝模型2 豎向位移如圖13 所示，下部豎向荷載作用下主梁豎向位移最大為11.82 mm，上部固定，基本無豎向位移。

圖12 底部工裝模型2 應力分布

圖13 底部工裝模型2 豎向位移

4 結論

某海上升壓站采用新型的建造形式進行陸上安裝和整體滾裝裝船，為解決該海上升壓站建造需求，本文設計了一種上部組塊安裝和運輸一體化的專用工裝，該工裝具有承載能力大、可重復利用等特點，可適用于后續(xù)上部組塊建造需求。目前該工裝已經成功應用于某海上升壓站上部組塊的建造中，且正在應用于新的海上升壓站上部組塊建造中。