半潛駁浮運(yùn)超大跨度橋梁主拱肋系固安全性分析

吳雄祥，陳曉明，黃賢俊，賴彬彬

（1.廣州打撈局，廣州 510290；2.廣東省海洋工程施工與水上應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，廣州 510290）

1 前言

廣州南沙鳳凰三橋位于繁忙的珠江航道臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，橋址位置的地質(zhì)屬于淤泥層，若采用傳統(tǒng)的橋梁施工方法存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，且難以保證施工工期。為了最大限度減少惡劣施工環(huán)境對工程的影響，保證施工安全，縮短施工工期，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用主橋鋼箱拱肋整體提升架設(shè)方法，實(shí)現(xiàn)流程是：拱肋拼裝——拱肋拉移、浮托頂升裝船——拱肋系固——拱肋運(yùn)輸——拱肋整體提升——拱肋合攏。其中，拱肋系固是保證拱肋浮運(yùn)過程安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

鳳凰三橋主橋鋼箱拱肋（見圖1），中段長度為237 m、寬38.4 m、高45 m、重量3 800 t，其超大重量、超大跨度均達(dá)到了國內(nèi)的新紀(jì)錄，在半潛駁浮運(yùn)拱肋過程中，拱肋及支撐胎架、支撐基座和船體局部受力很大。為了確保拱肋和支撐胎架、限位基座、船體受力處于可控狀態(tài)，需要通過科學(xué)計(jì)算，制定合理的系固方案。

圖1 鳳凰三橋主橋總體布置示意圖

本文以半潛駁浮運(yùn)鳳凰三橋拱肋為例，對超大跨度拱肋浮運(yùn)系固安全性分析方法進(jìn)行了深入研究，并通過計(jì)算分析優(yōu)化了該項(xiàng)目的拱肋浮運(yùn)的系固方案，確保了拱肋的安全浮運(yùn)，項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果為今后超大跨度拱肋半潛駁浮運(yùn)提供了有益參考。

2 工程概況

鳳凰三橋采用混合箱拱結(jié)構(gòu)：橋跨布置為40+61+308+61+40 ＝510 m；橋面以下拱肋采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)；中跨側(cè)拱肋為6.5x5 m 的箱型截面；邊跨側(cè)拱軸線采用變截面箱型截面，高度為6.0～3.0 m、寬度為5 m；橋面以上拱肋采用中承式無推力鋼箱系桿拱橋形式，鋼箱梁采用變截面，高度為6.0～3.8 m、寬度均為3 m，頂?shù)装搴穸?4～32 mm、腹板厚度32～24 mm；兩片拱肋通過9 道鋼箱橫撐聯(lián)結(jié)，如圖1所示。

綜合考慮臺(tái)風(fēng)、地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性等影響因素，主拱肋采用整體提升架設(shè)的施工方案，具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

1）岸上拼裝拱肋，碼頭拉移定位，駁船排水抬浮，船上綁扎加固，拖帶運(yùn)輸，如圖2 所示;

圖2 拱肋浮托頂升裝船運(yùn)輸

2）駁船運(yùn)輸拱肋到位后調(diào)整到提升位置，并拋錨固定，如圖3 所示;

圖3 拱肋到位錨定

3）在低潮水位時(shí)解除拱肋支撐支架與駁船連接，提升開始，進(jìn)行安裝合攏，如圖4 所示。

圖4 拱肋提升合攏

圖5 拖航阻力曲線圖

3 拱肋浮運(yùn)工況

3.1 環(huán)境條件

1）風(fēng)

項(xiàng)目施工期在臺(tái)風(fēng)季節(jié)，浮運(yùn)過程需考慮臺(tái)風(fēng)影響，其風(fēng)力安全受力計(jì)算取11 級風(fēng)，風(fēng)速為32.6 m/s。

2）波浪

項(xiàng)目位于橫瀝水道，屬于C 級航區(qū)，按照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》，實(shí)取波高0.5 m。

3）流

沿途運(yùn)輸航路位于珠江口，潮汐、余流特征較為復(fù)雜，實(shí)取流速2 kn。

3.2 浮運(yùn)方案

根據(jù)施工方案中對半潛浮托、船舶載重、作業(yè)甲板、船舶穩(wěn)性和耐波性等要求，本項(xiàng)目采用重任1 500 型半潛駁船進(jìn)行施工作業(yè)。該半潛厚駁參數(shù)如下：總長110 m、型寬32 m、型深7.5 m、滿載吃水5.6 m、空載吃水1.14 m，運(yùn)拱時(shí)要求吃水深度4.23 m。

運(yùn)輸時(shí)，主拱肋沿船長中心線方向布置，主拱肋通過首尾兩個(gè)臨時(shí)支撐胎架的樁靴剛性系固在專門設(shè)計(jì)的船體支撐基座上，以避免鋼箱梁在船運(yùn)過程中因局部剛度不夠而發(fā)生變形損壞。

根據(jù)中國船級社《海上拖航指南》附錄2[1]，拖航阻力曲線計(jì)算如下：

根據(jù)阻力計(jì)算結(jié)果，運(yùn)輸船隊(duì)采用1 條主機(jī)功率2 500 kW 的拖輪在左側(cè)主拖運(yùn)輸駁船、1 條2 386 kW的拖輪在右側(cè)輔拖運(yùn)輸駁船的編隊(duì)方式，運(yùn)輸隊(duì)形總寬度約為66 m，總長度為237 m，如圖6 所示。

圖6 拱肋浮運(yùn)工況

4 系固安全性分析

4.1 支撐胎架和限位基座設(shè)計(jì)

相比一般橋梁平直段鋼箱梁浮運(yùn)，鳳凰三橋浮運(yùn)過程中首尾各存在長達(dá)64 m 的懸臂結(jié)構(gòu)，一般的綁扎系固方式和經(jīng)驗(yàn)系固計(jì)算公式已不再適用，浮運(yùn)系固方案需要特殊考慮，且應(yīng)采用直接計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以保證拱肋浮運(yùn)過程受力安全。

為避免拱肋變形和受力過大，專門針對拱肋的線型設(shè)計(jì)了桁架式支撐胎架托住拱肋：支撐胎架主體由6 根厚度為20 mm 的φ1 200 mm 垂向鋼管和8 根厚度為8 mm 的φ820 mm 水平鋼管組成；支撐胎架頂部設(shè)置橡膠支座托住拱肋，保證拱肋線型；支撐胎架設(shè)置高度為1 500 mm 的樁靴，系固于限位基座；支撐胎架材料為Q235。

同時(shí)，對拱肋支撐胎架樁靴在船體作用點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。若采用傳統(tǒng)的船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)料，故采用反向骨材加強(qiáng)方式設(shè)計(jì)限位基座，即僅在甲板面以上施加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，保證有效地將拱肋傳遞的載荷分?jǐn)偟酱w強(qiáng)框架，限位基座材料為Q235。

支撐胎架和限位基座，如圖7、圖8 所示。

圖7 支撐胎架結(jié)構(gòu)（處于船艏，船艉結(jié)構(gòu)類似）

4.2 浮運(yùn)載荷分析

浮運(yùn)期間，拱肋遭受的載荷包括：拱肋自重、風(fēng)荷載、以及在水流及波浪力作用下駁船升沉、縱搖、橫蕩、橫搖、艏搖等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生的慣性力。

4.2.1 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷計(jì)算公式如下：

式中：S——拱肋、船舶受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；

Ch——受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；

Cs——受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)；

V——風(fēng)速，m/s。

4.2.2 船舶運(yùn)動(dòng)載荷

應(yīng)用基于勢流理論的格林函數(shù)邊界元方法，結(jié)合水動(dòng)力分析軟件OCTOPUS，直接計(jì)算不規(guī)則波海況作用下不同航速半潛駁浮運(yùn)拱肋時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

在基于JONSWAP 波浪譜船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析過程中，假設(shè)輸入變量是波浪。波浪的大小由波浪譜密度函數(shù)Sx(ωe)表示，ωe為遭遇頻率。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值（RAO）記作[Hj（ωe）]2，輸出變量是船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)y，船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)大小由響應(yīng)譜密度函數(shù)Sy(ωe)表示：

船舶運(yùn)動(dòng)加速度是檢驗(yàn)拱肋駁船運(yùn)輸系固有效性的重要依據(jù)，其3 h 隨機(jī)海況下結(jié)果可通過計(jì)算Sy(ωe) 的譜矩獲得。在實(shí)際系固計(jì)算中，船的受力以加速度形式直接加載在計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果如表1 所示（滿足安全性要求）。

表1 船舶運(yùn)動(dòng)加速度

4.3 系固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.3.1 支撐胎架安全校核

為評估拱肋浮運(yùn)期間支撐胎架系固安全性，利用ANSYS 有限元分析軟件，建立拱肋和支撐胎架整體桿系有限元模型。計(jì)算模型中，拱肋和支撐胎架均采用梁單元，拱肋、支撐胎架截面及剛度按實(shí)際模擬。邊界條件設(shè)置如下：支撐胎架樁靴位置固結(jié)，支撐胎架頂與拱肋支撐點(diǎn)采用只受壓的彈性連接。

有限元模型，如圖9 所示。

圖9 拱肋和支撐胎架有限元模型

應(yīng)力云圖，如圖10 所示。

圖10 拱肋和支撐胎架應(yīng)力云圖

由圖10 可看出，在最不利的工況下，拱肋和支撐胎架局部應(yīng)力分別為128.07 MPa 和125.01 MPa，均滿足容許應(yīng)力210 MPa 要求。

4.3.2 限位基座安全校核

考慮對稱性，利用Patran&Nastran 有限元分析軟件對船艏位置的限位基座進(jìn)行安全校核。有限元模型范圍為：縱向?yàn)镕R23 至首部，橫向?yàn)檎麄€(gè)型寬，垂向?yàn)檎麄€(gè)型深。

以支撐胎架模型邊界條件處的支座反力作為限位基座主要的受力載荷依據(jù)，并考慮船體甲板均布載荷0.5 t/m2和舷外靜水壓力。

基座應(yīng)力云圖，如圖11 所示。

圖11 基座應(yīng)力云圖

船體甲板應(yīng)力云圖，如圖12 所示。

船體框架應(yīng)力云圖，如圖13 所示。

圖13 船體框架應(yīng)力云圖

由圖11、12 和13 可以看出，在最不利的工況下限位基座、船體甲板、船體框架局部應(yīng)力分別為99.4 MPa、106 MPa、194 MPa，均滿足容許應(yīng)力210 MPa要求。計(jì)算結(jié)果也表明，拱肋受力傳遞被限位基座有效地分散到船體強(qiáng)框架，驗(yàn)證了本文限位基座設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

從本文的拱肋整體提升架設(shè)方法中，半潛駁浮運(yùn)的拱肋超長、超大重量（3 800 t），且懸臂長度大，容易因外力作用而產(chǎn)生破壞，拱肋系固難度大。本文對拱肋系固安全性進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了專用的支撐胎架和限位基座，確保整個(gè)系固系統(tǒng)在建造、浮運(yùn)、安裝過程中均處于可控狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明：通過合理布置、設(shè)計(jì)系固結(jié)構(gòu)，拱肋和系固結(jié)構(gòu)在浮運(yùn)過程中能夠滿足強(qiáng)度要求，項(xiàng)目實(shí)施具有安全性、可行性、可操作性，為鳳凰三橋安裝工程的順利實(shí)施提供了科學(xué)可靠的依據(jù)。其結(jié)果為超大跨度拱肋半潛駁浮運(yùn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。