大型預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸船舶的應(yīng)用及發(fā)展方向

潘愛旺

摘要 隨著工程技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，對(duì)工程船舶的要求也不斷提高，如何選用合適的工程船舶并確保船舶安全高效值得深入探索。文章通過有限元計(jì)算及各類信息系統(tǒng)的分析，從安全、工效等方面對(duì)運(yùn)輸船的選型應(yīng)用進(jìn)行了全面論證，打破了以往傳統(tǒng)拖帶船組運(yùn)輸構(gòu)件的方式，可為今后工程技術(shù)突破、海上高大橋梁構(gòu)件的裝載運(yùn)輸提供相關(guān)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 甲板貨船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)性；通航；限制；效率

中圖分類號(hào) U692.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0183-03

0 引言

工程船舶在工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，然而隨著工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程船舶的要求也發(fā)生了變化。特別是各種大型預(yù)制構(gòu)件，更是對(duì)運(yùn)輸船舶的性能提出了更高要求。接下來將集合具體工程實(shí)踐，就大型預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸船舶的應(yīng)用及發(fā)展方向進(jìn)行探討。

1 工程概況

寧波舟山港主通道工程（舟岱大橋）是滬舟甬北向大通道的一期工程。工程地處浙江東北部灰鱉洋海域，海域風(fēng)力常年5～6級(jí)，每年7月至10月份為臺(tái)風(fēng)期，11月至次年1月為寒潮季風(fēng)期，對(duì)船舶航行安全影響較大。寧波舟山港主通道主線全長(zhǎng)27.969 km，跨海橋梁長(zhǎng)度為17.355 km。非通航孔箱梁為單箱單室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，共370片。預(yù)制梁長(zhǎng)70 m，頂板寬12.55 m，底板寬5.5 m，箱梁中心線處梁高4.0 m。標(biāo)準(zhǔn)70 m中跨預(yù)制梁段自重為1 829.1 t、邊跨預(yù)制梁段自重為1 852.8 t。箱梁運(yùn)輸裝載方式為箱梁兩端放于船舶支撐墊梁上，支撐墊梁間距為66.2 m，船舶集中荷載較為明顯。

2 大型預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸船舶類型比選

2.1 甲板貨駁

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單（不設(shè)貨艙、在甲板上堆裝貨物）、吃水淺、載貨量大、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較大。

缺點(diǎn)：無自航能力，需拖輪拖帶，航行受到一定限制。

2.2 甲板貨船

優(yōu)點(diǎn)：自航，無須拖輪拖帶，運(yùn)輸安全性高，航行受限條件少。

缺點(diǎn)：船舶資源相對(duì)較少，錨泊系統(tǒng)的錨泊能力差，船體較同噸位甲板貨駁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱。

2.3 運(yùn)架一體船

優(yōu)點(diǎn)：專用船舶，投入船數(shù)量少，減小船舶管理難度。

缺點(diǎn)：船舶尺寸大（寬度＞34 m），對(duì)出運(yùn)碼頭等級(jí)有特定要求；（小天鵝，天一號(hào)）固定臂架，橋梁通航高度受限，作業(yè)水域受限。

綜合上述條件，甲板貨駁與甲板貨船的通用性更強(qiáng)，但無動(dòng)力甲板貨駁拖帶作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)因素較多，作業(yè)效率也相對(duì)較低，自航的甲板貨船綜合性價(jià)比更高。

3 甲板貨船在大件運(yùn)輸中的優(yōu)勢(shì)

3.1 船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度日益完善，適應(yīng)構(gòu)件體積大、集中載荷大等條件

由于混凝土預(yù)制箱梁裝載的特殊性，船舶在裝載后船體與墊梁接觸處會(huì)受到較大的集中荷載，船中部會(huì)受到較大的上拱力。為了確保船舶在裝載及航行工況下的自身結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)船舶進(jìn)行以下驗(yàn)算：

船體總強(qiáng)度計(jì)算：計(jì)算旨在校核單片箱梁裝載工況下，船體結(jié)構(gòu)的總強(qiáng)度是否滿足《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》。計(jì)算僅考慮總縱彎曲引起的船體總縱強(qiáng)度，不考慮局部集中應(yīng)力[1]。

船體局部強(qiáng)度有限元計(jì)算：計(jì)算旨在校核單片箱梁裝載工況下，船體局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》，包括甲板上設(shè)置的墊梁及船體局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算。

船舶運(yùn)載穩(wěn)性計(jì)算：計(jì)算旨在校核單片箱梁裝載工況下的完整穩(wěn)性以及相應(yīng)裝載下的靜水彎矩和靜水剪力值。

船舶耐波性驗(yàn)算：計(jì)算旨在評(píng)估船體總體運(yùn)動(dòng)性能，并確定船舶可作業(yè)的工況（風(fēng)級(jí)、波浪）。

3.2 驗(yàn)算案例

3.2.1 甲板貨駁（以“廣新駁01”為例）

廣新駁01主尺寸：總長(zhǎng)84.14 m、型寬22.2 m、型深6.35 m、設(shè)計(jì)吃水4.6 m。

（1）船舶總強(qiáng)度計(jì)算。該有限元總強(qiáng)度計(jì)算僅考慮總縱彎曲引起的船體總縱強(qiáng)度；不考慮局部集中應(yīng)力，以及局部加強(qiáng)方法。使用時(shí)應(yīng)確保對(duì)該船的使用不超過該計(jì)算中使用的風(fēng)浪等級(jí)（波長(zhǎng)84.14 m、波高5.21 m、風(fēng)力蒲福7～8級(jí)）、結(jié)構(gòu)腐蝕余量（≤2 mm）。船體結(jié)構(gòu)主要包括：主甲板、甲板縱骨、底部外板、底部縱骨、舷側(cè)外板、舷側(cè)縱骨、縱艙壁、橫艙壁、支柱、縱桁及強(qiáng)橫梁。該模型為全船模型，對(duì)于指定裝載方式建立模型如圖1所示：

裝載工況：運(yùn)梁的單片梁重為1 856 t，共裝載1片。

通過有限元計(jì)算分析，該裝載方式滿足強(qiáng)度要求。全船總縱應(yīng)力未超出許用標(biāo)準(zhǔn)，甲板、外板滿足屈曲要求；應(yīng)力最大值約203 N/mm2，接近許用臨界值211.5 N/mm2，位于機(jī)艙的縱、橫艙壁，此處縱壁剪應(yīng)力屈曲也接近許用極限。主要原因?yàn)榭v向結(jié)構(gòu)不連續(xù)（艉部縱壁在機(jī)艙后端壁中段）。

措施：考慮增加局部縱壁、大肘板過度等局部加強(qiáng)方案。

（2）船舶局部強(qiáng)度計(jì)算。經(jīng)有限元計(jì)算分析，局部加強(qiáng)后的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。

（3）船舶穩(wěn)性計(jì)算。在穩(wěn)性計(jì)算中，箱梁墊梁高度約4 m，重量約33 t；箱梁高4.5 m，重量為1 856 t；相應(yīng)的重心高度假定為高度的1/2。

從圖2可知，從穩(wěn)性角度，該船舶可以滿足運(yùn)載箱梁的要求。單次運(yùn)載箱梁時(shí)，不應(yīng)超過上述計(jì)算假定的穩(wěn)性輸入條件。

（4）耐波性運(yùn)動(dòng)計(jì)算。采用NAPA、HYDROSTER和MATLAB軟件及其各自二次開發(fā)的接口程序組成的NHM軟件集成系統(tǒng)，預(yù)報(bào)該船作業(yè)工況的耐波性運(yùn)動(dòng)幅值。

計(jì)算工況：計(jì)算波浪圓頻率取0.01～2.0 rad/s，間隔為0.05 s，共40個(gè)；計(jì)算浪向共13個(gè)，0 °～180 °，間隔為15 °；波浪條件取8個(gè)有義波高：0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m；波浪周期為5～14 s，間隔為1 s。

八級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的有義波高在4 m左右，設(shè)該船作業(yè)工況橫搖十一幅值控制在6.5 °以內(nèi)，縱搖控制在4.5 °以內(nèi)。對(duì)于有義波高2 m及以內(nèi)，該船兩個(gè)工況的全浪向及5～14 s波浪周期范圍內(nèi)均可作業(yè)。

3.2.2 甲板貨船（以“奧海大件”為例）

“奧海大件”主尺寸：船長(zhǎng)84 m、船寬19 m、型深4.5 m、結(jié)構(gòu)吃水3.4 m。

（1）船舶總強(qiáng)度計(jì)算。運(yùn)載工況及計(jì)算工況與甲板駁船一致的情況下，船體結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)后，該運(yùn)載工況下滿足強(qiáng)度要求。

全船總縱應(yīng)力滿足許用標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)力最大值約301 N/mm2，在許用臨界值319.5 N/mm2以內(nèi)，位于中縱局部艙壁；縱壁、外板滿足屈曲要求。

（2）船舶局部強(qiáng)度計(jì)算。應(yīng)力最大位置如圖3所示，位于橫艙壁垂直桁頂部，該部位結(jié)構(gòu)修改為AH36高強(qiáng)度鋼材后，應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

（3）船舶穩(wěn)性計(jì)算。在穩(wěn)性計(jì)算中，箱梁墊梁高度約4 m，重量約33 t；箱梁高4.5 m，重量為1 856 t；相應(yīng)的重心高度假定為高度的1/2。

由該運(yùn)載箱梁穩(wěn)性計(jì)算可知，從穩(wěn)性角度，該船舶可以滿足運(yùn)載箱梁的要求。單次運(yùn)載箱梁時(shí)，不應(yīng)超過上述計(jì)算假定的穩(wěn)性輸入條件。

3.2.3 通航航行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

舟岱大橋箱梁海上運(yùn)輸距離達(dá)22 nm，需穿越金塘大橋通航孔、跨越西堠門和桃夭門兩個(gè)航道；架設(shè)岱山側(cè)箱梁時(shí)還需跨越在建橋梁的南通航孔、主通航孔和北通航孔三個(gè)航道；航線涉及寧波和舟山兩個(gè)海事局、三個(gè)海事處、一個(gè)海巡支隊(duì)和一個(gè)海事大隊(duì)；金塘大橋北口即為開闊水域，且船舶屬于橫水航行，水流及涌浪沖擊較大。無論運(yùn)輸還是架設(shè)均對(duì)航行安全、管控風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)管理都是前所未有的挑戰(zhàn)。

甲板貨駁屬于拖帶船組，船組拖帶長(zhǎng)度達(dá)200 m，通航限制條件較多。海事部門對(duì)拖帶船組拖航提出明確要求：要求48 h良好天氣預(yù)報(bào)及蒲氏風(fēng)力不大于7級(jí)、能見度在1 nm以上；嚴(yán)禁夜航，且僅允許順流時(shí)段通過金塘大橋，并需增配全旋回守護(hù)拖輪、配備備用應(yīng)急纜繩。

甲板貨船屬于自航船舶，通航條件較為寬松，除蒲氏風(fēng)力大于8級(jí)或海事發(fā)布禁航通告的情況下嚴(yán)禁航行外，其他環(huán)境下均可通航，航行風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

4 甲板貨駁及甲板貨船在施工中的應(yīng)用

4.1 進(jìn)出港階段

最初施工選用了一艘3 600 hp常規(guī)拖輪，負(fù)責(zé)甲板貨駁的進(jìn)出港及拖帶作業(yè)。由于出海碼頭與潮流呈垂直方向，船舶進(jìn)出港時(shí)受水流沖擊較大，船舶操控性極差。即使進(jìn)出港都選擇接近平潮時(shí)段，但每次進(jìn)出港操作都十分困難，且險(xiǎn)象環(huán)生；吸取經(jīng)驗(yàn)后配備一艘全旋回拖輪，負(fù)責(zé)甲板貨駁的進(jìn)出港及拖帶護(hù)航，解決了此問題。

4.2 拖航階段

正常施工過程中，在具備通航條件下，基本每天一個(gè)航次或三天兩個(gè)航次。但每個(gè)月要面臨兩個(gè)周期的大潮汛，潮流流速達(dá)到3～4節(jié)/秒，拖帶阻力對(duì)拖帶纜繩造成巨大挑戰(zhàn)。拖帶期間出現(xiàn)過數(shù)次纜繩崩斷的情況，此時(shí)護(hù)航拖輪就發(fā)揮了重要作用，其通過立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案、傍拖編隊(duì)控制運(yùn)輸船，從而防止船舶失控。

4.3 錨泊、離泊階段

根據(jù)舟山海域漲落潮的流速規(guī)律，一般是漲潮流速大于落潮流速，故大型浮吊船和運(yùn)輸船均在橋軸線的上游側(cè)定位待架。另外，運(yùn)輸船從出海碼頭起航時(shí)段一般為平潮時(shí)段，航行至待架橋區(qū)一般需要3～5 h，而運(yùn)輸船的定位應(yīng)選擇在漲潮時(shí)段拋錨定位。為了減小潮流對(duì)船舶定位及架設(shè)的影響，一般選擇在接近高平潮前完成運(yùn)輸船定位、浮吊船移位、構(gòu)件吊點(diǎn)對(duì)位、起吊、架設(shè)、運(yùn)輸船起錨拖離全過程。每天兩漲兩落的潮汐變化是固定的，架設(shè)條件也是限定的，故施工效率必然降低，加之海上惡劣天氣的影響，導(dǎo)致施工計(jì)劃步步滯后。

由于施工工期的不斷滯后，以及海事部門對(duì)拖帶船組嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)管控要求，施工到中期階段，需增配一艘甲板貨船負(fù)責(zé)箱梁運(yùn)輸作業(yè)。固然出海碼頭的客觀條件限制，甲板貨船的出海時(shí)間無法擺脫接近平潮時(shí)段出港，但甲板貨船并沒有禁止夜航的限制條件，通過組織專班負(fù)責(zé)船舶的進(jìn)出港報(bào)備、查驗(yàn)、簽證手續(xù)等，確保在夜間平潮時(shí)段可以正常出海，可以實(shí)現(xiàn)兩天三個(gè)航次甚至一天兩個(gè)航次的目標(biāo)，使得運(yùn)輸效率得到顯著提升[2]。使用甲板貨船也必然要面對(duì)定位的問題，甲板貨船的錨泊能力不足以在重載情況下實(shí)現(xiàn)橫水定位，則需要一艘定位駁船提前定位在待架水域，在其全旋回拖輪的輔助下將甲板貨船靠泊在定位船旁。由此可見，使用甲板貨船并不能減少駁船和拖輪的配備，成本將會(huì)成倍增加；但施工效率得以提高，既縮短了施工工期，減少了其他船機(jī)設(shè)備、人員的時(shí)間成本，同時(shí)也降低了施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，總體方案仍優(yōu)于拖帶船組方案。

5 結(jié)論

通過船舶總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的有限元計(jì)算、穩(wěn)性計(jì)算等相關(guān)專業(yè)驗(yàn)算，驗(yàn)證了自航式運(yùn)輸船的裝載能力可以滿足建筑工程領(lǐng)域特殊裝載工況構(gòu)件的運(yùn)輸要求，在工效、安全性、經(jīng)濟(jì)性方面也具有一定的優(yōu)越性。甲板貨船的投入解決了海上運(yùn)輸限制多、工效低、安全風(fēng)險(xiǎn)高的難題。該項(xiàng)目通過甲板貨船的投入，挽回工期約5個(gè)月，2 600 t起重船、拖輪等各類船機(jī)設(shè)備使用周期縮短，節(jié)約船機(jī)成本約2 000萬元。隨著風(fēng)電項(xiàng)目的興起，大型構(gòu)件及特殊裝載工況的運(yùn)輸將越來越多，船舶設(shè)計(jì)也將針對(duì)特殊工況進(jìn)行不斷完善，以滿足各類裝載運(yùn)輸工況的要求。橋梁行業(yè)在不斷技術(shù)革新，橋梁設(shè)計(jì)者還將設(shè)計(jì)出80 m、90 m甚至更大跨度、更重的梁體結(jié)構(gòu)，這就需要依靠更加先進(jìn)的船機(jī)設(shè)備為工程建設(shè)保駕護(hù)航，實(shí)現(xiàn)工程的安全、優(yōu)質(zhì)、高效。

參考文獻(xiàn)

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