海外施工工程船舶氣囊上排牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 鑫

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州 510320）

1 前言

目前我司有多艘工程船舶服務(wù)于海外航務(wù)水運(yùn)工程，包括打樁船、自航運(yùn)輸船、絞吸疏浚船、方駁、拖輪等，船組構(gòu)架及整體施工性能在東非區(qū)域水工市場(chǎng)具有核心競(jìng)爭(zhēng)力。

海外施工工程船需長(zhǎng)期在同一地區(qū)施工，施工地經(jīng)濟(jì)和工業(yè)水平較落后，工程船運(yùn)回國(guó)內(nèi)或運(yùn)至發(fā)達(dá)地區(qū)維修，耗時(shí)且價(jià)格昂貴。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)及成本考慮，采用氣囊上排占用海岸線較少，工程船設(shè)備投入簡(jiǎn)單，操作容易，安全可靠，工程成本低。

2 氣囊上排牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣囊上排工藝原理

船舶利用氣囊上排，其原理如同于滾筒搬運(yùn)物件，不同的是滾筒為剛性，滾動(dòng)時(shí)為圓周運(yùn)動(dòng)，而氣囊為柔性，滾動(dòng)時(shí)為扁圓形，像坦克履帶一樣運(yùn)動(dòng)。

船舶上排，在海水低潮位時(shí)在船排上放置若干個(gè)未充氣的氣囊，高潮位時(shí)將船舶駛向氣囊上方，氣囊充氣將船舶頂升，通過(guò)上排牽引系統(tǒng)牽引,氣囊滾動(dòng)使船舶脫離水面移動(dòng)上排至岸上維修。

船舶上排牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，與上排時(shí)間長(zhǎng)短、單次行程距離、牽引設(shè)備密不可分，直接影響船舶上排的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 氣囊上排牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶氣囊上排牽引系統(tǒng)，主要由氣囊、地牛、卷?yè)P(yáng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩、滑輪組、牽引鋼絲繩、捆綁鋼絲繩等組成：

（1）船舶氣囊上排牽引系統(tǒng)中，卷?yè)P(yáng)機(jī)型號(hào)必須一致，以保證工作同步；

（2）卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩滑輪組變幅繞組的數(shù)量越多，其拉力就越小，所需卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力和地牛承受拉力變小，相應(yīng)的單次上排行程減小，會(huì)增加更換牽引鋼絲繩的次數(shù)（即需要進(jìn)行多次拉移才能到位），使得工序操作工作繁瑣，上排時(shí)間大大增加；反之，滑輪組變幅繞組數(shù)量越少，拉力越大，單次上排行程增大，更換牽引鋼絲繩次數(shù)減少，卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力和地牛承受拉力變大。

以我司某海外施工工程船氣囊上排牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，該船主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶主要性能參數(shù)

施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如下：

（1）2 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，拉力200 kN，卷筒容繩量250 m；

（2）8 個(gè)弓形卸扣，SWL 為980 kN；

（3）6 條50 m 鋼絲繩，直徑為Ф56 mm，MBL 為1 830 kN。其中，將4 條用于船舶捆綁，2 條用于牽引；

（4）2 條250 m 鋼絲繩，直徑Ф34 mm，MBL 為675 kN；

（5）2 條8 m 二級(jí)有檔錨鏈，直徑Ф42 mm，MBL為703 kN；

（6）2 套滑輪組，型號(hào)HQD5-100T，SWL 為980 kN；

（7）20 個(gè)氣囊，型號(hào)為GB/T 33487-2017 QP3/1.5×22，額定工作壓力為70 kPa,承載力115 kN/m；

（8）船排由上排通道和修船場(chǎng)地組成：陸側(cè)為修船場(chǎng)地，長(zhǎng)度105 m×寬50 m；海側(cè)為上排通道，長(zhǎng)度92 m×寬30 m，坡度為1.5°。

上排牽引系統(tǒng)按以上設(shè)備設(shè)計(jì)；先在修船場(chǎng)地靠岸側(cè)末端設(shè)置地牛，用于安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)和預(yù)埋定滑輪組固定的錨鏈；然后將定滑輪組用980 kN 卸扣連接至錨鏈上，拉出的卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩通過(guò)定動(dòng)滑輪繞組變幅3倍，其中除去鋼絲繩繞滾筒保留的3 圈所需15 m 和3倍變幅所需15 m，即滑輪組單個(gè)行程為（250-15-15）/3≈73 m；根據(jù)該船圖紙、船排尺寸、氣囊布置及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置等參數(shù)，用 AutoCAD 放樣，得出船舶牽引至修船場(chǎng)地指定位置為100 m，只需進(jìn)行2 次行程牽引，用鏟車(chē)?yán)鼍頁(yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩使動(dòng)滑輪組鋼絲繩拉出，使鋼絲繩達(dá)到50 m 行程，動(dòng)滑輪端頭拉鉤上連接牽引鋼絲繩一端的琵琶扣，另一端用980 kN 卸扣連接至捆綁鋼絲繩。

氣囊上排牽引系統(tǒng)設(shè)備布置示意圖，見(jiàn)圖1 所示。

圖1 上排牽引系統(tǒng)設(shè)備布置示意圖

3 氣囊上排牽引系統(tǒng)各設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

3.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》CB/T 3837-2011，氣囊上排移船時(shí)系船鋼絲繩承受的最大拉力，按下式計(jì)算：

卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引力，按下式計(jì)算：

式中：F—船舶上排或下水移船時(shí)鋼絲繩最大拉力，（kN）；

Q—船舶上排或下水時(shí)的重量，t；

g—重力加速度，m/s2；

α—?dú)饽页型械拇霸谄碌郎袭a(chǎn)生的傾角，°；

μ—?dú)饽覞L動(dòng)阻力系數(shù)，由上排坡道坡度、地面材質(zhì)、氣囊結(jié)構(gòu)、內(nèi)壓、擺放等因素確定；

V—移船速度，m/s；

T—卷?yè)P(yáng)機(jī)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，s；

Fc—卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩的牽引力，kN；

K—安全系數(shù)；

Nc—滑輪組上的鋼絲繩道數(shù)；

β—卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼絲繩與F 力方向的夾角，一般不大于6°。

上述計(jì)算參數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 卷?yè)P(yáng)機(jī)負(fù)荷計(jì)算參數(shù)

將表2 參數(shù)值代入公式（1）、（2），可得：

上排移船鋼絲繩最大拉力F=490 kN

考慮單邊受力不均衡，取安全系數(shù)1.25，則

卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩最大拉力，考慮兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)受力不均衡，取安全系數(shù)1.5，則單臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩最大牽引力：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果：采用2 條250 m 鋼絲繩，直徑Ф34 mm，MBL 為675 kN；2 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，拉力200 kN，卷筒容繩量250 m，滿足要求。

3.2 氣囊數(shù)量計(jì)算

氣囊數(shù)量根據(jù)（《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》CB/T 3837-2011)計(jì)算,氣囊型號(hào)為GB/T 33487-2017 QP3/1.5×22，氣囊數(shù)量：

式中：

K1—系數(shù)，K1≥1.2；

Q—船舶上排或下水時(shí)重量，t；

g—重力加速度，m/s2；

Cb—船舶方形系數(shù)；

R—每米氣囊允許的承載力，kN/m；

Ld—船舶舯剖面處氣囊囊體與船舶接觸長(zhǎng)度，（m）。

代入式（3），可得

實(shí)取N ≥4，滿足要求。

必須注意：船舶上排氣囊布置（即氣囊安裝位置）與船舶上排到位之后船舶底部加墩位置要匹配，必須按船舶《布墩?qǐng)D》留出排墩加墩坐墩位置，確保船舶上排拉到位坐墩之后，保證船舶在船臺(tái)修理期間的安全性。

3.3 地牛負(fù)荷計(jì)算

地牛預(yù)埋，在地牛中豎向打入6 根I36a 工字鋼，并在其頂部根據(jù)卷?yè)P(yáng)機(jī)公共底座尺寸焊接鋼板（基礎(chǔ)底座），然后在地牛和工字鋼四周植入主鋼筋（Φ16 HRB335）和加勁箍筋（Φ12 HRB335），鋼筋綁扎完成后澆灌C30混凝土；地?？煽礊樾弯?鋼筋混凝土柱，受力模式為軸心受拉和受壓兩種情況。

卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力產(chǎn)生的軸心拉力306.82 kN 作用于地牛，主要由6 根工字鋼承擔(dān)（鋼板焊接于六根工字鋼頂面，卷?yè)P(yáng)機(jī)底座通過(guò)焊接于鋼板與六根工字鋼相連）；地牛為鋼筋混凝土，其容重為25 kN/m3。若不考慮地牛在土層中的側(cè)阻力，在抵抗軸心拉力前地牛重量需大于306.82 kN，地牛的尺寸為3.0×3.0×1.5 m，滿足地牛重量要求。

工字鋼材質(zhì)為Q235，抗拉強(qiáng)度f(wàn)=215 MPa，型號(hào)見(jiàn)表3。

表3 工字鋼型號(hào)參數(shù)

6 根I36 a 工字鋼截面積為6x76.4 cm2=458.4 cm2，根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)規(guī)范》，型鋼混凝土軸心受拉柱的正截面受承載力強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：N—構(gòu)件軸心拉力設(shè)計(jì)值；

As、Aa—縱向受力鋼筋或型鋼的截面面積；

fy、f—縱向受力鋼筋或型鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

將各參數(shù)代入式（4），可得：

N=306.82 kN <2.01 cm2×4×30 kN/cm2+76.4 cm2×6×21.5 kN/cm2=10 096 kN，滿足要求。

由于卷?yè)P(yáng)機(jī)焊接于與工字鋼相連的鋼板上，軸心拉力306.82 kN 可認(rèn)為由埋置于混凝土中的6 根I36 a工字鋼分擔(dān)，每根工字鋼需分擔(dān)51.14 kN,每根所受應(yīng)力為：

正截面抗拉強(qiáng)度滿足要求。

地牛為工字鋼-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，尺寸為3.0×3.0×1.5 m，埋入深度1.5 m，以下對(duì)受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度、工字鋼埋入深度進(jìn)行復(fù)核，假設(shè)型鋼混凝土受力由型鋼混凝土中的鋼筋承擔(dān)，采用HRB335 鋼筋，公稱(chēng)直徑取16 mm，公稱(chēng)截面積2.01 cm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，每根鋼筋能承受軸心拉力為60.3 kN，需配置5 根鋼筋，考慮縱筋布置最小和最大間距要求，擬配置10 根縱向受拉鋼筋。

在型鋼和鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)中，為保證混凝土、型鋼、鋼筋三者協(xié)同工作配置箍筋。取箍筋公稱(chēng)直徑12 mm，彎鉤段平直段長(zhǎng)度取10×12 mm=120 mm。

縱向鋼筋錨固長(zhǎng)度，應(yīng)滿足（《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010）：

式中：lab—受拉鋼筋基本錨固長(zhǎng)度；

ft—混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Fy—普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

d—錨固鋼筋的直徑；

a—鋼筋外形系數(shù)，取0.14。

地?；炷罜30，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.43 MPa，受拉鋼筋型號(hào)為HRB 335，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為300 MPa，鋼筋公稱(chēng)直徑16 mm，可得：

lab=470 mm

為了保證型鋼的抗剪強(qiáng)度能滿足使用要求，根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138-2016)計(jì)算埋深：

式中：hB—型鋼混凝土埋置深度；

M—埋入式柱腳最大組合彎矩；

bv—型鋼混凝土垂直于計(jì)算彎曲平面方向的箍筋邊長(zhǎng)；

fc—混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

卷?yè)P(yáng)機(jī)最大高度1.4 m，地牛深度1.5 m，產(chǎn)生最大彎矩為：

M=306.82 kN×（1.5+1.4）m=889.778 kN·m

工字鋼-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)截面寬度為3 m，保護(hù)層厚度0.03 m，截面寬度減去兩側(cè)保護(hù)層厚度，即為箍筋邊長(zhǎng)。

實(shí)取工字鋼埋入深度1.5 m，工字鋼-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)尺寸3.0×3.0×1.5 m，滿足要求。

3.4 定滑輪掛點(diǎn)受力計(jì)算

在每個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)地牛中埋入兩條Φ42 mm 二級(jí)有檔錨鏈MBL:703 kN，則兩根對(duì)折使用的錨鏈的許用負(fù)荷為：

F單=306.82 kN <703×2=1 406 kN

安全系數(shù)為4.58，滿足要求。

3.5 鋼絲繩、卸扣、滑輪組負(fù)荷計(jì)算

3.5.1 鋼絲繩校核

1）卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩為Ф34 mm，MBL：675 kN，卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力為:

FC=102.27 kN <675 kN

安全系數(shù)為6.60，滿足要求。

2）捆船鋼絲繩Ф56 mm，MBL：1 830 kN，捆船鋼絲繩受拉力為：

F1=F單=306.82 kN <1 830 kN

安全系數(shù)5.96，滿足要求。

3.5.2 卸扣校核

卸扣為弓形，SWL：980 kN，連接捆船鋼絲繩及動(dòng)滑輪組，受拉力為：

F2=F單=306.82 kN <980 kN

安全系數(shù)3.19，滿足要求。

3.5.3 滑輪組校核

滑輪組型號(hào)HQD5-100 T，SWL：980 kN，滑輪組受力為：

F3=F單=306.82 kN <980 kN

安全系數(shù)3.19，滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船舶氣囊上排能否具有可靠性、安全性、可操作性、適用性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，合理的上排牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證安全、順利實(shí)現(xiàn)氣囊上排工藝的前提。此工程實(shí)例在研究我司船舶氣囊上排工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往成功經(jīng)驗(yàn)，從安全、效率、成本、施工周期等方面優(yōu)化作業(yè)方法，解決了我司實(shí)施安全可靠船舶修理及船舶檢驗(yàn)換證的問(wèn)題，供類(lèi)似船舶上排修理提供參考。