大型組塊滑移回拖作業(yè)過程碼頭滑道載荷監(jiān)測

駱寒冰，李東巖，賀 辰，劉順慶，謝 芃

(1.天津大學(xué) 船舶與海洋工程系，天津 300350；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

隨著我國海洋油氣資源的開發(fā)，海洋平臺往大型化發(fā)展，萬噸級的大型結(jié)構(gòu)物越來越多。大型結(jié)構(gòu)物在陸地建造完成后，通常利用干拖法選用船舶從碼頭運(yùn)輸至海上進(jìn)行現(xiàn)場安裝。將結(jié)構(gòu)物從陸地轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸船舶，國際通用的是滑移裝船技術(shù)[1]，即將船舶上滑道與碼頭滑道對齊，應(yīng)用拖拉設(shè)備將結(jié)構(gòu)物滑移拖拉上船。根據(jù)船舶在碼頭的?？糠绞?，滑移拖拉可分為縱向和橫向兩種方式，常用縱向滑移方法。為確?；蒲b船作業(yè)安全，前期需要進(jìn)行各方面分析評估。徐慧等[2]針對Truss Spar平臺研究滑移裝船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。黃曙光等[3]研究某自升式平臺滑移裝船，并成功完成該平臺的滑移裝船作業(yè)。許南等[4]針對萬噸級大型組塊開展橫向滑移裝船計(jì)算分析。羅翃等[5]對某導(dǎo)管架滑移裝船時駁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。王闊等[6]對Spar平臺建造的滑道承載力進(jìn)行平臺建造完成時和平臺滑移裝船時的滑道承載力分析。

目前，對滑移裝船技術(shù)分析的研究較多，但在碼頭滑道承載力實(shí)時監(jiān)測方面的文獻(xiàn)較少。由于特殊原因，某萬噸級海洋平臺大型組塊需要回到船廠維修，從運(yùn)輸駁船轉(zhuǎn)移至陸地碼頭，仍可應(yīng)用滑移裝船技術(shù)，回拖碼頭的作業(yè)情況與滑移裝船的技術(shù)和作業(yè)條件相同，僅作業(yè)順序相反。該船廠碼頭工程竣工于2003年，設(shè)計(jì)承載力可能不滿足作業(yè)要求。為確保作業(yè)安全，針對該組塊滑移回拖作業(yè)過程開展碼頭滑道載荷監(jiān)測研究，若監(jiān)測到的受力達(dá)到設(shè)計(jì)方提供的報(bào)警值，則及時上報(bào)現(xiàn)場作業(yè)指揮管理人員采取措施，減少回拖過程中碼頭滑道的垂向力，為安全順利地回拖提供技術(shù)支持。

1 組塊縱向滑移回拖作業(yè)

圖1為作業(yè)現(xiàn)場準(zhǔn)備示例，左側(cè)為碼頭滑道，右側(cè)為駁船HSYS221，組塊在駁船上有4個大橫梁，分別標(biāo)為①、②、③、④，底部基座長為70.0 m。從圖1右上方局部放大圖可以看出，駁船尾部滑道與碼頭滑道上表面的高度一致。

圖1 組塊滑移回拖碼頭準(zhǔn)備示例

作業(yè)駁船HSYS221主尺度如表1所示。

表1 HYSY221船舶主尺度

2 滑道載荷監(jiān)測方案

2.1 碼頭承載力情況

滑道總長為228 m，其中碼頭區(qū)為30 m，碼頭面高程為2.5 m。碼頭為樁基承臺結(jié)構(gòu)，A、B兩座承臺的中心線間距為20 m。圖2為碼頭A、B承臺及其滑道布置俯視圖，左側(cè)為碼頭前端，右側(cè)為船廠陸地。2個滑道都由2塊寬為2.0 m的水泥滑塊組成，水泥滑塊橫向間隔為0.2 m，這樣每個滑道寬為4.2 m，滑道中間各鋪有1.2 m的鋼板。碼頭前端第1節(jié)水泥滑塊長為9.0 m。

當(dāng)組塊第2橫梁進(jìn)入碼頭滑道時，假設(shè)此時駁船HSYS221滑道比碼頭滑道低，組塊重量都作用在碼頭上，對碼頭壓力載荷達(dá)到最大。承臺由雙筋承臺和單筋承臺構(gòu)成，位于碼頭前端的雙筋承臺長為15.6 m。此時，碼頭承臺承載力可能會超過原設(shè)計(jì)值，雙筋承臺橫向下層部分結(jié)構(gòu)彎矩超過其承載能力極限，結(jié)構(gòu)可能造成嚴(yán)重破環(huán)。

單位：m圖2 碼頭A、B承臺及其滑道布置俯視圖

2.2 監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)布置

為避免碼頭承臺結(jié)構(gòu)破壞，需要對回拖過程中A、B承臺的雙筋承臺部分受力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對危險情況進(jìn)行報(bào)警。若監(jiān)測到的受力達(dá)到設(shè)計(jì)方提供的報(bào)警值，則及時上報(bào)中控室，調(diào)整船舶壓載水使船舶滑道高度高于碼頭滑道高度，在船體強(qiáng)度允許范圍內(nèi)使HYSY221多承受該組塊重量，減少回拖過程中碼頭承臺的垂向載荷，確保其小于設(shè)計(jì)值。

直接監(jiān)測雙筋承臺部分受力存在技術(shù)難度，而通過監(jiān)測承臺上部滑道的水泥滑塊受到該組塊的壓力以得到承臺所受上部壓力載荷是可行的。碼頭前端雙筋承臺部分上面第1節(jié)水泥滑塊的長度為9.0 m，小于雙筋承臺長度(15.6 m)，實(shí)時監(jiān)測A、B承臺第1節(jié)水泥滑塊上受到該組塊垂向壓力載荷FA、FB，得到組塊作用于碼頭雙筋承臺前端的載荷。

監(jiān)測第1節(jié)水泥滑塊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的垂向應(yīng)變，根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析建立應(yīng)變與滑塊垂向力之間的力學(xué)換算關(guān)系，可得到承臺上部垂向載荷。

監(jiān)測使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)專用的電阻應(yīng)變片傳感器，電阻為120 Ω，應(yīng)變片柵寬為3 mm，柵長為100 mm。采用江蘇省東華測試技術(shù)股份有限公司的DH3820高速靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀采集結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號，采樣頻率為10 Hz。

在碼頭滑道前端第1節(jié)水泥滑塊兩側(cè)布置鋼筋混凝土應(yīng)變測點(diǎn)，每個側(cè)面各布置8個測點(diǎn)，共32個測點(diǎn)。圖3為4個水泥滑塊上應(yīng)變測點(diǎn)分布及其編號，各測點(diǎn)縱向間距為1 m。水泥滑塊側(cè)面測點(diǎn)布置如圖4所示，應(yīng)變片中心距基線距離為0.3 m。

在全面預(yù)算管理實(shí)施中，許多房地產(chǎn)企業(yè)預(yù)算方案不能實(shí)效執(zhí)行，預(yù)算管理機(jī)構(gòu)僅在預(yù)算編制中發(fā)揮作用，在執(zhí)行過程中在重要的經(jīng)營環(huán)節(jié)中沒有建立起將預(yù)算指標(biāo)作為管控的標(biāo)準(zhǔn)，沒有相應(yīng)的費(fèi)用超支預(yù)警機(jī)制，發(fā)生成本費(fèi)用的偏差無法快速及時的處理。有的針對結(jié)果進(jìn)行分析，只做到事后評價，事中控制作用差。在預(yù)算考核上指標(biāo)固化，可變因素考慮不周，用預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)考核責(zé)任單位和責(zé)任人時，往往參雜太重個人感情，不公平、不合理、不到位，考核結(jié)果脫離實(shí)情，加上激勵機(jī)制不完善，考核變成形式。

圖3 第1節(jié)水泥滑塊應(yīng)變測點(diǎn)布置

單位：m圖4 水泥滑塊應(yīng)變片測點(diǎn)布置側(cè)視圖

2.3 滑道滑塊應(yīng)變與其垂向載荷之間力學(xué)關(guān)系

針對現(xiàn)場應(yīng)變測量方案，為得到水泥滑塊應(yīng)變與其垂向載荷之間的力學(xué)關(guān)系，采用ANSYS有限元軟件[7]，開展水泥滑塊在垂向載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)有限元分析。

利用分離式建模方法建立鋼筋混凝土模型，鋼筋和混凝土單獨(dú)建模，混凝土采用Solid65單元模擬，鋼筋采用Link8單元模擬。為保證鋼筋與混凝土的位移協(xié)調(diào)，建模時將鋼筋與混凝土共節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼筋和混凝土節(jié)點(diǎn)自由度的耦合。同時認(rèn)為鋼筋與混凝土之間黏結(jié)性良好，不存在滑移現(xiàn)象?？紤]到碼頭滑道在橫向由2列水泥滑塊組成，為簡化分析，取其中的1塊開展有限元分析，圖5為滑塊有限元網(wǎng)格模型。坐標(biāo)系定義如下：沿水泥滑道長度方向定義為y軸，水泥滑塊橫向定義為x軸，水泥滑塊垂向定義為z軸。在滑塊一側(cè)，即在內(nèi)側(cè)面(yoz平面)施加對稱面邊界條件。在混凝土滑塊底面(xoy平面)施加z向約束。

圖5 水泥滑塊結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分圖

考慮到該組塊下方木頭寬為1.2 m，認(rèn)為組塊重量作用在碼頭滑道中間1.2 m寬度位置，去除碼頭水泥滑塊中間0.2 m間隙，則水泥滑道上方組塊重量載荷施加在水泥滑塊內(nèi)側(cè)各0.5 m寬度范圍內(nèi)，假設(shè)為均布載荷作用。假設(shè)作用在1塊水泥滑塊上的垂向載荷分別為500 t、1 000 t、1 500 t，即施加在1條水泥滑道上的垂向載荷為1 000 t、2 000 t、3 000 t，則作用在水泥滑塊上部0.5 m×9.0 m區(qū)域上的均布載荷分別為1.11×106N/m2、2.22×106N/m2、3.33×106N/m2。

根據(jù)上述網(wǎng)格、邊界條件、加載設(shè)置可進(jìn)行水泥滑塊有限元分析。圖6為1 500 t計(jì)算工況鋼筋混凝土滑臺結(jié)構(gòu)垂向應(yīng)變云圖。

圖6 1 500 t工況滑塊結(jié)構(gòu)垂向應(yīng)變云圖

根據(jù)測量得到碼頭滑道上的水泥滑塊上各測點(diǎn)的垂向(z向)應(yīng)變，通過上述有限元分析，建立應(yīng)變與垂向力之間的力學(xué)關(guān)系，公式為

(1)

3 滑移回拖過程監(jiān)測結(jié)果及其分析

該組塊前端將從駁船HYSY221滑道進(jìn)入碼頭A、B承臺滑道區(qū)域，第1節(jié)水泥滑塊將受到垂向載荷，應(yīng)變監(jiān)測工作正式開始，記錄時間為0 min，試驗(yàn)過程每15 min記錄1次組塊相對滑道的位置。當(dāng)上部組塊完全離開承臺前9 m水泥滑塊，即該處水泥滑塊完全不受力時，監(jiān)測結(jié)束。表2為各回拖步驟組塊位置。

表2 回拖步驟與組塊碼頭滑道位置對應(yīng)表

對應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，剔除部分不佳的測點(diǎn)，得到可用于載荷結(jié)果分析的測點(diǎn)，如表3所示。現(xiàn)場部分應(yīng)變測點(diǎn)不佳的原因如下：一是現(xiàn)場天氣不佳，在應(yīng)變片粘貼階段遇到連續(xù)陰雨天氣，不利于應(yīng)變片的粘貼和密封；二是考慮到現(xiàn)場水泥滑塊是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，盡管水泥滑塊表面也進(jìn)行了打磨處理，但內(nèi)部水泥、沙子攪拌無法像在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)那么均勻、理想。有效測點(diǎn)數(shù)量共計(jì)18個。

表3 水泥滑塊上有效應(yīng)變測點(diǎn)

基于式(1)，選擇表3中的有效應(yīng)變測試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)，得到A、B各滑道第1節(jié)9 m的2個水泥滑塊上所受到的組塊垂向載荷結(jié)果，如圖7和圖8所示。由監(jiān)測結(jié)果可知：

(1)A滑道最大垂向載荷為19 500 kN，B滑道最大垂向載荷為23 840 kN，分別出現(xiàn)在圖7和圖8中170～180 min，對照表2可知，在第11步，碼頭滑道第1節(jié)受到的垂向載荷最大。此時碼頭結(jié)構(gòu)處于最危險工況。

(2)當(dāng)組塊第2橫梁剛回拖上碼頭滑道時，對應(yīng)圖7和圖8中的90 min，即表2中的第8步，此時監(jiān)測結(jié)果中出現(xiàn)了較大的峰值，A滑道最大載荷為11 400 kN，B滑道最大載荷為14 400 kN。原來預(yù)計(jì)該時刻碼頭最危險，在實(shí)際回拖過程中并沒有監(jiān)測到危險載荷。主要原因是現(xiàn)場通過合理調(diào)整駁船HYSY221的壓載水改變駁船浮態(tài)，調(diào)整駁船滑道與碼頭滑道高度差，使船舶HYSY221多承受組塊的重量，減少回拖過程中碼頭承臺的垂向力。

圖7 A滑道受到的垂向載荷合力

圖8 B滑道受到的垂向載荷合力

(3)在整個回拖過程中，B滑道受到的垂向力略大于A滑道。這是由于組塊的重心不在A、B兩個滑道的中間線上，稍微偏向B滑道一些。

(4)在回拖初期，時間小于60 min過程中，監(jiān)測到滑塊垂向壓力為負(fù)，即垂向拉力的情況?？赡茉蛉缦拢涸诨赝蟿傞_始時，滑道摩擦因數(shù)較大，所需要拖拉設(shè)備的拖拉力也較大；為確保駁船滑道與駁船滑道對齊，駁船受到碼頭系纜力也較大，導(dǎo)致碼頭滑道第1節(jié)滑塊受到較大的縱向壓力，根據(jù)泊松定律，此時在垂向有拉應(yīng)變成分產(chǎn)生，即受到拉力作用。這不是滑塊所受到組塊垂向載荷的真實(shí)數(shù)值，監(jiān)測現(xiàn)場也觀察到碼頭第1節(jié)滑塊前端被駁船頂起來又落下來的現(xiàn)象。當(dāng)回拖作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行時，摩擦因數(shù)減小，拖拉力相應(yīng)也較小，碼頭系纜力也減小了，因此碼頭第1節(jié)滑塊受縱向壓力可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 論

對某大型組塊從HYSY221回拖至碼頭滑道的過程開展碼頭滑道載荷實(shí)時監(jiān)測工作，以避免滑移回拖過程中碼頭承臺垂向載荷超過其設(shè)計(jì)值，避免碼頭結(jié)構(gòu)破壞，為安全順利地回拖提供技術(shù)支持。

提出滑道載荷監(jiān)測方案。對碼頭滑道前端第1節(jié)滑塊表面垂向粘貼專用應(yīng)變片傳感器，測量得到水泥滑塊垂向應(yīng)變，再對鋼筋混凝土滑塊結(jié)構(gòu)開展有限元分析，建立結(jié)構(gòu)應(yīng)變與垂向載荷之間的力學(xué)關(guān)系，可推算得到碼頭A、B滑道第1節(jié)滑塊受到的垂向載荷，從而實(shí)時監(jiān)控在組塊回拖過程中的滑道垂向載荷情況。

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，A滑道最大垂向載荷為19 500 kN，B滑道最大垂向載荷為23 840 kN，出現(xiàn)在第3橫梁回拖上碼頭滑道時，碼頭滑道第1節(jié)受到的垂向載荷最大。由于現(xiàn)場作業(yè)很好地控制了船舶滑道和碼頭滑道的高度差值，使HYSY221船舶多承受組塊的重量，減小回拖過程中碼頭承臺的垂向力，原來估計(jì)最危險的第2橫梁回拖上碼頭工況載荷并不大，A滑道最大載荷為11 400 kN，B滑道最大載荷為14 400 kN。

本次碼頭滑道監(jiān)測方案及其試驗(yàn)結(jié)果可為今后大型平臺組塊滑移回拖的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持，并為該碼頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供依據(jù)。