大型結(jié)構(gòu)物滾裝裝船關(guān)鍵技術(shù)研究

王磊，佘玥霞，宋柏辰，高敏，毛堂瑾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

SPMT運(yùn)輸小車中文名稱為自由式結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸車，又稱可移動(dòng)自由式液壓平板車。主要用途運(yùn)輸大型結(jié)構(gòu)物、不規(guī)則結(jié)構(gòu)物等。其優(yōu)點(diǎn)是方便操作、功能靈活、裝卸簡(jiǎn)單。該SPMT運(yùn)輸小車可以根據(jù)結(jié)構(gòu)物形式及重量進(jìn)行多個(gè)車體組裝或者自行組合，可運(yùn)輸結(jié)構(gòu)物重量達(dá)5 000噸以上。

文章主要介紹大型鋼結(jié)構(gòu)物在用運(yùn)輸小車滾裝裝船過(guò)程中，小車梁載荷的分析、小車梁之間的載荷分配的關(guān)鍵技術(shù)，使其提高整個(gè)過(guò)程的科學(xué)性、安全性、可靠性，使大型結(jié)構(gòu)物滾裝裝船工藝成為安全可行。

1 裝船過(guò)程及載荷分配

1.1 場(chǎng)地及裝船準(zhǔn)備

確認(rèn)零散桿件的固定已經(jīng)按照規(guī)定完成組裝，保證零散桿件在SPMT運(yùn)輸小車裝船過(guò)程中以及海運(yùn)時(shí)沒有構(gòu)件會(huì)散落[1-2]。在運(yùn)輸大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)車之前要對(duì)各個(gè)運(yùn)輸抬梁下表面的水平度進(jìn)行測(cè)量，大型結(jié)構(gòu)物準(zhǔn)備裝車之前，對(duì)SPMT小車運(yùn)輸路線、SPMT小車進(jìn)車本身和大型結(jié)構(gòu)物下方區(qū)域進(jìn)行專門的檢查。檢查內(nèi)容包括：(1)檢查大型結(jié)構(gòu)物從總裝區(qū)至裝船區(qū)運(yùn)輸路線上的障礙物，包括任何可能損壞SPMT小車輪胎的尖銳物體；(2)大型結(jié)構(gòu)物下方進(jìn)車區(qū)域的障礙物；(3) SPMT小車在大型結(jié)構(gòu)物下就位位置和總裝墊墩之間是否存在可能的碰撞；(4)核實(shí)大型結(jié)構(gòu)物下方可能存在的障礙物和臨時(shí)地基的承載能力；(5)確認(rèn)大型結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸和裝船時(shí)可能存在的問(wèn)題(比如：腳手架，管線或者突出來(lái)的其他障礙物)；(6)如果需要的話，運(yùn)輸路線上需要鋪設(shè)鋼板用以承受SPMT小車的載荷?？刂坪肧PMT小車行駛區(qū)域的路面水平度，確保沒有超過(guò)要求。

1.2 SPMT小車準(zhǔn)備

SPMT小車作業(yè)所有必須的準(zhǔn)備主要包括：(1)每個(gè)SPMT小車車體部分分別進(jìn)行調(diào)試，例如：SPMT小車輪胎胎壓是否符合要求、輪胎轉(zhuǎn)向、懸掛液壓系統(tǒng)、制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每部分SPMT小車車體之間連接是否牢固；(2)降低SPMT小車平板水平高度，確保和運(yùn)輸抬梁下表面存在100 mm左右間隙；(3)對(duì)照運(yùn)輸抬梁上標(biāo)注的進(jìn)車位置將SPMT小車行駛至大型結(jié)構(gòu)物下面，最后檢查確保所有列的SPMT小車都在正確位置；(4)用電纜線和液壓管線將每部分SPMT小車連接，確保對(duì)大型結(jié)構(gòu)物能夠進(jìn)行液壓支撐；(5)緩慢將每部分SPMT小車平板定高，同時(shí)觀察壓力表數(shù)據(jù)、檢查接觸點(diǎn)之間的間隙，如果間隙數(shù)值超出范圍需要調(diào)平；(6)使用鏈條完成封車作業(yè)。

1.3 船舶準(zhǔn)備

根據(jù)方案及船方相關(guān)文件完成如下船舶準(zhǔn)備工作：(1)確保船舶調(diào)載能力及船舶甲板承載能力滿足大型結(jié)構(gòu)物SPMT小車裝船需求；(2)對(duì)任何和裝船干涉的船舶上的設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記，并移動(dòng)至安全位置存儲(chǔ)，待裝船完成后恢復(fù)至原位置；(3)安裝船舶甲板面上海運(yùn)支墩，海運(yùn)支墩焊接完成后，還需要對(duì)海運(yùn)支墩尺寸進(jìn)行二次測(cè)量并記錄，根據(jù)現(xiàn)有情況將海運(yùn)支墩上表面調(diào)平，并將其采用電焊進(jìn)行固定；(4)根據(jù)SPMT小車行進(jìn)路線圖和海運(yùn)支墩在船舶上的實(shí)際位置，在船舶上標(biāo)記出SPMT小車預(yù)計(jì)行進(jìn)路線、船舶中心線及SPMT小車裝船時(shí)行駛范圍，任何影響裝船時(shí)SPMT小車行駛的障礙物均需拆除。

1.4 場(chǎng)地運(yùn)輸

使用SPMT小車將大型結(jié)構(gòu)物從總裝區(qū)域運(yùn)輸至碼頭過(guò)程如下：(1)操作液壓懸掛系統(tǒng)，使得SPMT小車平板部分將大型結(jié)構(gòu)物緩慢舉起，直至大型結(jié)構(gòu)物和總裝墊墩為分離狀態(tài)；(2)對(duì)每一組SPMT小車壓力進(jìn)行檢查，無(wú)誤的話對(duì)液壓支撐系統(tǒng)進(jìn)行再次確認(rèn)；(3)將載有大型結(jié)構(gòu)物的SPMT小車按照設(shè)計(jì)好的運(yùn)輸路線，將大型結(jié)構(gòu)物緩慢運(yùn)輸至碼頭前沿，同時(shí)，全程對(duì)SPMT小車運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別注意地面下沉情況以及大型結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸時(shí)和地面之間的間隙。

1.5 最終裝船作業(yè)準(zhǔn)備

標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)程序如下：(1)檢查SPMT小車，PPU啟動(dòng)和系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試；(2)檢查SPMT小車從碼頭至滾裝棧橋和船舶的通道，確保棧橋安裝位置正確；(3)檢查SPMT小車與海運(yùn)支墩可能的碰撞情況，同時(shí)檢查其余可發(fā)生碰撞的障礙物；(4)檢查系纜狀態(tài)以使船舶保持在需要的位置；(5)檢查裝船時(shí)的舷梯(如果有)；(6)檢查船舶甲板與碼頭高差、船舶縱傾和橫傾情況，船舶甲板面高度要高于或者跟碼頭高度平齊，不然碼頭會(huì)損壞。

1.6 裝船窗口

每次大型結(jié)構(gòu)物裝船前都應(yīng)分析潮期表，選擇合適的裝船時(shí)間。詳細(xì)調(diào)載過(guò)程及裝船窗口參見調(diào)載報(bào)告。

1.7 滾裝裝船過(guò)程

大型鋼結(jié)構(gòu)物的裝船工藝一般有四種方式：起重船吊裝工藝、軌道滑車工藝、滑移裝船工藝、SPMT運(yùn)輸小車滾裝裝船工藝等，下面具體介紹SPMT運(yùn)輸小車滾裝裝船工藝：將載有大型結(jié)構(gòu)物的SPMT運(yùn)輸小車從非滑道建造區(qū)域緩慢行走到碼頭。此時(shí)，調(diào)整駁船甲板面水平高度要與碼頭平齊，再次檢查攬繩與帶攬樁是否系緊。SPMT運(yùn)輸小車開始準(zhǔn)備裝船，將載有大型結(jié)構(gòu)物的SPMT運(yùn)輸小車緩慢行駛至駁船甲板面上，駁船甲板面與其原來(lái)靜止時(shí)水平高度相比會(huì)下沉，當(dāng)駁船甲板面水平高度降低到低于與碼頭高度相差70～95 mm時(shí)，SPMT運(yùn)輸小車停止前進(jìn)，保持靜止。等待潮水上漲浮力將駁船拖高，待駁船甲板面水平高度與碼頭再次平齊時(shí)，SPMT運(yùn)輸小車?yán)^續(xù)緩慢前行。重復(fù)上述操作過(guò)程，直至SPMT運(yùn)輸小車全部行駛到駁船甲板面。

大多數(shù)操作過(guò)程中，為了保證SPMT運(yùn)輸小車滾裝過(guò)程的安全及工作效率，通常在滾裝SPMT運(yùn)輸小車行駛至駁船上的過(guò)程中，也可通過(guò)調(diào)整駁船壓載水倉(cāng)水位來(lái)達(dá)到駁船船尾甲板面水平高度與碼頭表面水平高度相同的位置，誤差是50 mm，同時(shí)根據(jù)潮水的水位變化實(shí)現(xiàn)SPMT運(yùn)輸小車滾裝裝船。

最后，在完成大型結(jié)構(gòu)物采用SPMT運(yùn)輸小車滾裝裝船，SPMT運(yùn)輸小車完全行駛至駁船甲板面后，將停在駁船甲板面指定位置處。SPMT運(yùn)輸小車兩側(cè)結(jié)構(gòu)物托架下安置支架，降低SPMT運(yùn)輸小車的高度，將托架降落至支架上方，使SPMT運(yùn)輸小車與大型結(jié)構(gòu)物托架分離后，SPMT運(yùn)輸小車方可從大型結(jié)構(gòu)物托架下方抽離出，具體步驟如下：(1)通過(guò)往船舶里面注水或者抽水(取決于潮汐情況)，測(cè)量船舶橫傾、縱傾和靜止?fàn)顟B(tài)下，船舶甲板面與海平面的差值是否滿足要求；(2)當(dāng)船舶橫傾、縱傾和靜止?fàn)顟B(tài)下，船舶甲板面與海平面的差值滿足要求時(shí)，承載結(jié)構(gòu)物的SPMT運(yùn)輸小車緩慢行駛至船舶甲板面位置，船舶數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)人員和SPMT運(yùn)輸小車指揮人員需進(jìn)行全程監(jiān)視；(3) SPMT運(yùn)輸小車走或者停的指令由船舶監(jiān)督發(fā)出，SPMT運(yùn)輸小車指揮按照指令進(jìn)行SPMT運(yùn)輸小車操作；(4)裝船過(guò)程中，運(yùn)輸小組成員在大型結(jié)構(gòu)物周圍將可能的障礙物信息反饋給SPMT運(yùn)輸小車操作手。

1.8 裝船過(guò)程控制

在結(jié)構(gòu)物采用SPMT運(yùn)輸小車裝船過(guò)程中，船舶的微移范圍應(yīng)該控制在可控范圍內(nèi)，并由業(yè)主和海事保障人員確認(rèn)。下面的裝船參數(shù)需在整個(gè)裝船過(guò)程中監(jiān)視并記錄：(1) SPMT運(yùn)輸小車指揮人員和現(xiàn)場(chǎng)船舶指揮人員，要對(duì)結(jié)構(gòu)物兩側(cè)相對(duì)碼頭垂直高度的差值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在整個(gè)滾裝裝船過(guò)程中，需向小車指揮人員和船舶指揮人員連續(xù)匯報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)，保證船舶甲板面水平高度與碼頭保持平齊，即使出現(xiàn)高度差也要在10～100 mm的范圍內(nèi)；(2)船舶調(diào)載需遵守調(diào)載方案；(3)如果因?yàn)榭陀^原因裝船不能在白天完成，夜間完成需要提供充足照明；(4)當(dāng)SPMT運(yùn)輸小車所有車輪都行駛至船舶甲板面后，SPMT運(yùn)輸小車?yán)^續(xù)在船舶甲板面上行駛至指定位置，行駛過(guò)程中同樣需要船舶調(diào)載滿足水平方面平衡。

在SPMT運(yùn)輸小車裝船過(guò)程中，小車始終在非滑道區(qū)域行駛，非滑道區(qū)域承載力強(qiáng)度相對(duì)碼頭和鋼質(zhì)棧橋，承載力強(qiáng)度偏小，大型鋼結(jié)構(gòu)物重量很相對(duì)較大，要求非滑道區(qū)域地基承載力強(qiáng)度足夠支撐大型結(jié)構(gòu)物及SPMT運(yùn)輸小車重量，確保滾裝裝船過(guò)程的安全性，因此載荷分析就顯得非常必要。

1.9 載荷分配

在用SPMT運(yùn)輸小車運(yùn)送模塊時(shí)，首先把小車梁放在模塊的腿部，用液壓千斤頂將模塊支起來(lái)并把木塊放在小車梁的下面起到支撐模塊的作用，然后讓運(yùn)輸小車進(jìn)入小車梁的下面，在運(yùn)輸小車擺放好位置后，運(yùn)輸小車緩慢升起與小車梁接觸，并緩慢對(duì)小車梁施加作用力，將模塊撐起來(lái)，去掉起支撐作用的木塊，這樣整個(gè)模塊的重量完全通過(guò)小車梁作用在運(yùn)輸小車上。由于模塊的重量不是均勻分布的，所以各個(gè)小車梁之間承受的重力也是有差別的，為了使各個(gè)小車梁充分發(fā)揮其性能，防止出現(xiàn)因小車梁受力過(guò)大而導(dǎo)致變形過(guò)大甚至是失效，需要對(duì)各個(gè)小車梁之間的載荷進(jìn)行分配，使每個(gè)小車梁的受力情況基本相同，確保每個(gè)小車梁在運(yùn)輸過(guò)程中安全可靠。

1.9.1 載荷分配策略

小車梁之間的載荷分配問(wèn)題屬于靜不定(或稱超靜定)載荷問(wèn)題。但是運(yùn)輸小車的承載面在液壓缸的調(diào)解下可以實(shí)現(xiàn)局部上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)小車梁的受力情況，文章所討論的載荷分配調(diào)整都是通過(guò)運(yùn)輸小車承載面的緩慢上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

在對(duì)小車梁之間的載荷進(jìn)行分配時(shí)，需要確定一個(gè)分配標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)決定如何根據(jù)小車梁的載荷和受力變形情況，及時(shí)合理地分配各個(gè)小車梁的載荷，從而使每根小車梁都處于最佳狀態(tài)，確保整個(gè)系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和安全性。

計(jì)算每根小車梁的安全系數(shù)，增加安全系數(shù)高的小車梁的載荷，降低安全系數(shù)低的小車梁的載荷，使每根小車梁的安全系數(shù)近似相等。

比較兩種方案：方案一保證了每根小車梁載荷狀態(tài)近似相等，但是由于每根小車梁的承載能力不盡相同，承載能力小的小車梁的載荷余量也小，對(duì)一定的載荷變化，由于靜不定問(wèn)題的存在，如果載荷的變化加到承載能力小的小車梁上，就容易出現(xiàn)超載的情況。方案二雖然不能保證每根小車梁都處于相同的承載狀態(tài)，從單根小車梁看，承載能力大的小車梁與承載能力小的小車梁的安全系數(shù)差別較大，承載能力越大的小車梁越容易出現(xiàn)超載的情況，承載能力小的小車梁只能發(fā)揮很小一部分的承載能力。但是從系統(tǒng)整體來(lái)看，第一，承載能力大的小車梁承擔(dān)了較多的載荷。第二，對(duì)于出現(xiàn)的載荷變化，要么就都能承擔(dān)，要么就都不能承擔(dān)，如果嚴(yán)格控制承載能力大的小車梁的載荷，既保證安全性，又實(shí)現(xiàn)整體性能的最優(yōu)化。第三，每根小車梁有一個(gè)明確的載荷調(diào)節(jié)目標(biāo)，計(jì)算十分簡(jiǎn)單，這樣就便于進(jìn)行調(diào)整。方案三從安全系數(shù)的角度來(lái)考慮載荷分配，與方案一相似，也存在承載能力小的小車梁上較容易出現(xiàn)超載的問(wèn)題。每根小車梁的載荷也沒有一個(gè)明確的調(diào)節(jié)目標(biāo)數(shù)值，難以調(diào)節(jié)。

根據(jù)上面的分析，文章采用方案二來(lái)對(duì)每根小車梁的載荷進(jìn)行調(diào)整。以目標(biāo)載荷為最優(yōu)目標(biāo)，可以將載荷分配看成是求解的最優(yōu)化問(wèn)題。

1.9.2 小車梁載荷的確定

以某個(gè)項(xiàng)目模塊3M131為例說(shuō)明小車的載荷分配情況。3M131的小車梁有五根，其中四根呈直線狀，且在尺寸、截面形狀方面是完全相同的，另外一根的截面形狀與其他的相同，只是呈折線狀。小車梁的材料是Q345。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，往往需要引入許用應(yīng)力，其計(jì)算公式如式(1)所示：

式中：ns為安全系數(shù)，其值大于1。

此處選用安全系數(shù)ns=1.25，則可知許用應(yīng)力為[σ]=276 MPa。

則經(jīng)計(jì)算可知四根相同形狀小車梁的每根額定承重載荷是1.542×106kg，呈折線狀的小車梁的額定承重載荷是1.275×106kg。

模塊3M131的小車梁有五根，即n=5。根據(jù)上述的分析可知，呈直線狀四根小車梁的每根小車梁的設(shè)計(jì)載荷為1.05×105kg，呈折線狀的小車梁的設(shè)計(jì)載荷為7.86×104kg。這樣既能充分利用材料的性能，又能保證裝船過(guò)程的安全性。

2 小結(jié)

通過(guò)上面的論述可知，小車梁在大型結(jié)構(gòu)物SPMT小車滾裝裝船運(yùn)輸過(guò)程中起著重要的作用，為了保證其在工作過(guò)程中安全可靠，有必要對(duì)其進(jìn)行載荷分析。文章介紹了載荷分配原理以及小車梁之間載荷分配方案的選擇，從而使小車梁的受力更加合理，使大型結(jié)構(gòu)物采用SPMT運(yùn)輸小車滾裝裝船工藝安全可行。

3 結(jié)語(yǔ)

作為工程項(xiàng)目施工過(guò)程中的一項(xiàng)重大作業(yè)過(guò)程，大型結(jié)構(gòu)物采用SPMT小車滾裝裝船技術(shù)的 先 進(jìn) 性、安全性直接影響著裝船效率和費(fèi)用支出，隨著科技不斷進(jìn)步，施工單位的生產(chǎn)方式和建造方式也在不斷進(jìn)步，裝船的工藝方法也在逐漸多樣化，以適應(yīng)更大噸位的大型結(jié)構(gòu)物和不同形式的大型結(jié)構(gòu)物裝船運(yùn)輸?shù)男枰?。小車滾裝裝船方式作為安全并且經(jīng)濟(jì)高效的裝船運(yùn)輸方式，目前已被各大企業(yè)在工程施工領(lǐng)域廣泛使用。