鋼板樁大圓筒組件拖航運輸工裝設計

方炫強，吳鋒，盧益峰

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

0 引言

按照國際標準，重大件是指單件重量超過40 t的超重件，超長件是指單件長度超過12 m的物件，而單件高度或者寬度超過3 m的物件則被視為超高（寬）物件[1]。他們都給運輸帶來很大的困難，應根據其結構特點設計特殊的專用工裝結構，以滿足運輸要求。

本次工程運輸的薄壁高聳構件是由薄壁鋼板樁組成的直徑為31.2 m的大圓筒結構組件，由于工藝要求，每個大圓筒分為4部分，每個部分簡稱為組件，每組組件為由48片薄壁鋼板樁組成的1/4圓，高度37 m，壁厚12.7 mm，單組件重約144 t，組件需要在拼裝基地拼裝后運輸至施工現場，每個運輸工裝需要掛載運輸2組件，每艘運輸駁船安置4個工裝。運輸駁船需要從上海拖航至東莞虎門拼裝基地（簡稱A航線）及從拼裝基地通過工裝掛載運輸構件至施工現場（簡稱B航線），其中B航線拖航距離約為50 n mile。運輸工裝是運輸過程中的重要受力構件，本文設計了框架式專用運輸工裝，并通過三維有限元軟件對運輸工裝在運輸過程中的安全性進行了全面的仿真分析。

1 運輸工裝結構設計

運輸工裝為框架式結構，整體結構由立柱、平臺梁和掛載限位圈梁等構件組成，見圖1所示。運輸工裝外輪廓尺寸為18.094 m×21.164 m，高度37.745 m，外側設6根立柱，分布在半徑為15.211 m的圓弧上，中間設支撐柱。沿高度方向設6層平臺，平臺由外圈梁和平臺梁組成，最大層高為8.32 m；頂層圈梁為承重懸掛結構，設置承重掛鉤，鋼板樁組件懸掛于掛鉤上，其他層圈梁為限位結構和水平荷載承載梁。立柱之間豎向通過斜梁連接，柱底通與駁船甲板焊接。

圖1 運輸工裝結構圖

2 運輸工裝海上拖航結構計算

2.1 計算模型

考慮到運輸工裝是一個復雜的空間結構，受到多種外界荷載作用，可通過三維有限元模型，模擬分析結構的真實受力狀況。計算軟件采用大型通用有限元分析軟件MIDAS[2-3]。有限元模型如圖2和圖3所示。表1給出了主要構件的規格型號及單元類型。

圖2 空載階段（A航線）模型圖

圖3 滿載階段（B航線）模型圖

表1 主要構件參數表

2.2 邊界條件

工裝結構的立柱與駁船甲板焊接，為減小立柱底位置甲板的應力集中及增強整體結構穩定性，在立柱底部圓周和底層平臺梁與甲板間設置了一定數量的肘板，如圖4所示。

圖4 肘板布置圖

鋼板樁組件通過掛鉤和連接索掛載在頂層圈梁上，為準確模擬運輸過程，鋼板樁與頂層圈梁間的連接采用索單元進行非線性分析。

2.3 計算工況

按照運輸過程，劃分為2個階段進行分析：1）空載拖航——工裝結構隨駁船拖航至鋼板樁組裝基地（工況1）；2） 滿載拖航運輸——每個工裝掛載2圓筒組件拖航運輸至施工現場（工況2）。

2.4 荷載計算

2.4.1 計算參數

運輸船主要參數見表2所示，單個運輸工裝及其掛載的鋼板樁主要參數見表3所示。

表2 運輸船參數表

表3 鋼板樁大圓筒組件及運輸工裝參數表

2.4.2 水文自然條件

空載階段：A航段——航線從上海港到虎門港。近海、不大于蒲福風級5級（即絕對風速≤10.7 m/s，波浪高≤2 m，平均波長約30 m，平均波浪周期約5.4 s）。

滿載階段：B航段——航線從虎門港到香港。沿海、不大于蒲福風級4級（即絕對風速≤8 m/s，波浪高≤1 m，平均波長約16 m，平均波浪周期約4 s）。

2.4.3 作用荷載

結構主要承受自重荷載、風荷載和橫向慣性力、豎向慣性力及垂向慣性力作用。

1） 風荷載

根據中國船級社《海上拖航指南》[4]，風荷載為p=0.85 kPa。

2） 慣性力

根據中國船級社《海上拖航指南》[4]，空載時運輸船考慮橫搖10°、縱搖5°，滿載時運輸船考慮橫搖5°、縱搖2.5°。則有滿載時結構的橫向加速度、縱向加速度和垂向加速度分別為ay=1.65 m/s2、ax=2.47 m/s2和 az=2.54 m/s2；空載時結構的橫向加速度、縱向加速度和垂向加速度分別為ay=3.20 m/s2、ax=2.47 m/s2和 az=2.54 m/s2，三向慣性力分別為may、max和maz。

2.5 計算結果與分析

通過對運輸工裝拖航過程進行三維有限元分析，分析結果見表4。

表4 運輸過程分析匯總表

根據拖航過程分析，得到以下結論：

1）在自重、慣性力和風荷載等共同作用下，柱底反力極不均勻，出現了較大的壓力和拉力，必須采取有效加固措施防止甲板撕裂。

2）鋼板樁懸掛于工裝頂部圈梁，底部由于特殊原因沒有設置舷板，而工裝結構對拖航過程中的慣性力敏感，必須采取固定措施防止鋼板樁在拖航過程中晃蕩產生附加慣性力。

3）整體結構的剛度較大、變形較小。底部立柱軸向力較大，局部不能滿足壓桿穩定要求，需要加強改進[5]。

3 結構優化設計

依據分析結果和施工要求，對運輸工裝結構進行了如下的優化和改進：

1）為防止運輸拖航過程中鋼板樁搖晃產生附加荷載作用于運輸工裝，專門設計了鋼板樁鎖緊裝置，分別設置在2、4層平臺外圈梁上，見圖5。

2）依據分析結果，外立柱局部穩定性不足，底部1～3層立柱截面焊接T型材，保證了結構的安全穩定。另外，由于頂層短管采用可拆卸式法蘭盤連接方式，短管之間沒有設置聯系構件，頂部短管也焊接了T型材，以保證強度和穩定。如圖6所示。

圖5 鎖緊裝置結構圖

圖6 T型材加固圖

3）盡管在底部設置了肘板，但柱底反力過大及局部應力集中明顯，甲板面下的加固工作量過大，工作效率低下。后期為進一步改善受力狀況，對柱底進行了優化，取消了底部一層立柱，以鋼圈梁代替，增大了與甲板面的接觸面積，同時在兩外立柱之間增設立柱，大大減小了柱底反力和應力集中，改善了受力特性，降低了甲板下加固工作量。同時通過優化布置立柱位置，盡量使立柱底立于隔艙板或甲板主梁上，使柱底反力和甲板應力更加合理。

4)為滿足施工要求，頂層立柱采用兩層短管的可拆卸式法蘭盤連接結構，法蘭結構如圖7所示。

圖7 可拆短管法蘭結構圖

4 結語

工裝結構已成功應用于工程實踐中，通過對兩拖航工況的觀察和檢測，結果表明結構可以滿足安全性、穩定性等要求。圖8為實際工作圖。

圖8 工裝施工圖

薄壁高聳鋼板樁大圓筒組件，由于海上拖航運輸受力的不同，較其他物件的運輸方式有所差別。通過計算作用于構件的各種力的數值，運用三維有限元軟件對運輸過程中的最不利工況進行了計算分析，根據物件的運輸要求，設計了海上運輸薄壁高聳的鋼板樁大圓筒組件這一重大件的專用運輸工裝，并根據分析結果對工裝結構進行了優化處理，保證了結構的安全性，節省了工期和材料，對此類重大件的海上運輸具有指導意義。

[1] 中國海事服務中心.海上貨物運輸[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 邱順冬.橋梁工程軟件midas Civil常見問題簡答[M].北京：中國人民出版社，2009.

[3] 北京Midas公司.Midas用戶參考手冊[M].北京：中國人民出版社，2006.

[4] 中國船級社.海上拖航指南[M].北京：人民交通出版社，1997.

[5]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].