大型預制墩臺滾裝運輸關鍵問題研究

黃建富，李斌，陳儒發，李大勇，范云

（1.廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.江蘇泛洲船務有限公司，江蘇 南京 210009；3.中國船級社廣州分社，廣東 廣州 510235 ）

大型預制墩臺滾裝運輸關鍵問題研究

黃建富1，李斌1，陳儒發1，李大勇2，范云3

（1.廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.江蘇泛洲船務有限公司，江蘇 南京 210009；3.中國船級社廣州分社，廣東 廣州 510235 ）

港珠澳大橋某標段大型預制墩臺船舶運輸采用滾裝法上船，依據港珠澳大橋設計資料和海洋施工環境特點，對大型預制墩臺運輸船舶運用的關鍵問題進行分析和研究，提出合理的滾裝碼頭設計、船體加固、船舶穩性核算方法和拖航方式，為大型預制墩臺順利運輸提供保障。

港珠澳大橋；預制墩臺；滾裝；坐底；船舶運輸

港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的超級跨海通道，為降低海洋環境施工難度，保障施工質量，采用裝配化設計和施工理念。大部分橋梁結構部件在陸地上預制加工，然后通過船舶運輸至施工地裝配連接。因此，大批量大噸位的橋梁結構部件運輸成為港珠澳大橋施工建設非常關鍵的一個環節。選擇合適的運輸方式，對橋梁的施工建設有著重要意義。

1 方案比選

港珠澳大橋某標段預制墩臺71件，其中整體式墩身承臺55件，墩身16件。墩臺構件高度18.25～26.65m；最大重量2794t。墩身構件高度7.55～15.7m；最大重量2064t。

固體貨物裝船一般分垂直裝船法和水平裝船法。垂直裝船通常指包括各種起重設備的起吊裝船，此方法需要大型起重設備和建設承載大型設備及貨物重量的裝卸碼頭，具有投資大，裝卸貨物效率偏低，并需要使用配套索具，受潮汐影響小等特點。水平裝船法通常指滾裝法，是相對經濟和高效的貨物裝卸方法，大尺寸、大噸位貨物裝船通常會考慮滾裝法裝船。滾裝法無需建造過于龐大裝卸碼頭和大型的起重設備，但需要配套的移運設備。同時，船舶裝貨會受潮汐影響較大，船舶一般艙淺重心高，有時穩性會相對偏差。

該施工標段大型墩臺預制生產基地選擇在中山市火炬開發區，靠近橫門水道，航線寬度窄、相對繁忙，選擇垂直裝船法需要配置橫跨船舶造價昂貴的4000T超級龍門吊機，且船舶需要縱向進出碼頭，碼頭縱深將達100m。這樣對航道、防洪堤壩和生產場地都將造成較大影響，同時不利于后期土地規劃使用。因此不采用垂直裝船法，而考慮選用水平裝船法運輸大型預制墩臺。

2 關鍵問題

滾裝上船選擇大噸位輪軌式液壓移運臺車運輸裝船，臺車軌道從陸地延伸至船舶甲板上，運輸船舶選擇箱型平底甲板無動力駁船。常規滾裝船舶是通過潮汐高度和調節壓載水控制船舶吃水深度提供盡可能水平的運輸通道供貨物上船。由于墩臺重量大，荷載相對集中，導致控制難度大，危險系數高。因此大型預制墩臺滾裝碼頭采用船舶坐底方案，解決墩臺滾裝上船介于陸地和船舶之間的最危險工況問題。

預制墩臺通過支墩承載和固定，為保障運輸過程更加平穩，將墩臺裝載在船舶重心區域，并實施綁扎。通過計算，確定載貨甲板區域，使預制墩臺重心與船舶重心在垂直方向盡可能重合。墩臺滾裝上船工況和船舶運輸過程支墩承載工況是滾裝法船舶受力計算的關鍵部分，需要根據計算結果對需要加固的部分進行補強。

大型預制墩臺裝載上船后，船舶重量、重心和整體幾何尺寸都發生變化，對船舶穩定性提出新的要求，需要重新核算船舶穩性。另外，船舶拖航過程中選擇合適的拖航方式也很重要。該方案采用綁拖拖帶方式，即兩艘拖輪在船舶兩側綁纜拖帶，與常規吊拖方式相比，可明顯提高墩臺運輸過程中船舶穩性、機動性和安全性。

2.1 滾裝碼頭

滾裝碼頭采用駁船坐底方式供大型墩臺滾裝上船，船舶選用箱型鋼質駁船。船長/型寬/型深：90m/26m/6.4m。滾裝碼頭坐底部分采用樁基礎上現澆鋼筋混凝土框架梁結構。打設直徑500mmPHC管樁，干施工法完成鋼筋混凝土框架梁澆筑，并在兩側設置高1.0m、長30m的攔砂墻。底座平臺下樁基布置對應選用船舶龍骨和肋骨結構，樁底入土深度至中粗砂層或強風化花崗巖層。框架梁底部鋪設300mm厚碎石墊層和100mm厚素混凝土墊層，框架梁高1200mm。

大型墩臺滾裝通道采用高樁墩臺結構，考慮減少對航道河堤部分拋石護坡影響，設置3根Φ1500 灌注樁，樁基以強風化花崗巖為持力層，樁基上部澆筑鋼筋混凝土墩臺，墩臺高1.5m，并安裝SA400×1500的靠船用橡膠護舷，在兩側端部各設置一個450kN的系船柱。完成施工，投入使用大型預制墩臺滾裝碼頭。

2.2 船體加固

大型預制墩臺移運至船舶甲板，需要存放在一定高度的支墩結構上，移運臺車通過收縮支撐液壓缸降低高度，完成大型預制墩臺坐落動作，然后撤離。

為確保墩臺滾裝上船的安全性，基于MSC.Patran有限元分析軟件平臺，對不同裝載模式下船體的結構強度進行校核，并對局部結構進行加強。

（1）軌道位置加固。大型墩臺重量在臺車移運過程中，輪軌部分和支撐輪軌部分的結構是荷載最集中的地方，船舶甲板鋪設支撐軌道的箱型結構鋼梁，用于將荷載傳遞和分散至船舶甲板、船舶船肋、龍骨等結構。利用MSC.Patran有限元軟件進行計算分析，根據分析結果，對載貨區域船體內部結構進行加強，以至滿足大型預制墩臺滾裝上船過程中的船體結構強度。鋼軌承載箱梁橫斷面及MSC.Patran重力作用模型如圖1所示。

（2）支墩位置加固。船舶甲板中部位置設置用于承載大型預制構件的鋼結構叫支墩，此結構有兩個作用：一是在幾何尺寸上，滿足移運臺車裝卸貨物需求，提供進出空間。二是與船體結構形成整體，傳遞和分散荷載集中，減少船體結構的應力集中。支墩承載貨物工況相對復雜，需要考慮裝貨過程和拖航過程，兩個工況同時需要考慮波浪對船體的影響。主要承受荷載包括貨物荷載、支墩結構自重、滑道支撐結構自重、船體結構自重、舷外水壓力荷載、艙內壓載水壓力荷載等。采用質量單元模擬，并通過MPC的模擬方式與支墩結構受載區域耦合。對于不同類型的預制墩臺及不同的工況，MPC耦合點的位置也有所不同。船體及支墩部分MSC.Patran模型如圖2所示。

圖2 船體及支墩部分MSC.Patran模型

通過對船船舶局部加固后的船體進行最大荷載加載和最不利工況分析，以至船體結構強度滿足使用要求。

（3）固定綁扎。為提高貨物運輸安全，大型預制墩臺需要進行一定的綁扎，在墩臺底部設置限位裝置，用于固定和限制預制墩臺的水平方向移動。貨物頂部設置固定架，用于向甲板四個位置牽引鋼絲繩，預緊固定。然后形成一個空間的固定綁扎狀態，如圖3所示。

2.3 船舶穩性

船舶在航行過程中主要有三種運動形式，即橫搖運動、縱搖運動和垂向運動。船舶裝載貨物后的穩性主要考慮橫向傾覆。船舶傾斜中最危險的狀態是船舶搖擺到最大擺幅正要回復時，受到與回復方向一致的突加力矩作用，船舶在兩個同方向力矩作用下傾斜加劇。此時能使船舶傾覆的最小突加外力矩稱為最小傾覆力矩。船舶最小傾覆力矩與風壓傾斜力矩之比不能小于1，否則船舶將繼續傾斜直至傾覆。受力模型如圖4所示。

一般計算步驟：通過貨物幾何尺寸、船體結構等質量分布，計算出船舶載貨后重量及重心位置。對照船舶靜水力表計算出船舶吃水、橫傾、縱傾、初穩性等參數。根據船體及貨物投影面積、風心高度計算出風壓傾斜力臂。

式中，Z為風力作用力臂；Af為受風面積；P為單位計算風壓；Δ為核算情況排水量。

最小傾覆力臂計算過程復雜，此處不展開論述。目前通常使用中國船級社COMPASS船舶計算系統輔助計算，通過數據錄入，可以相對簡便的得出最大復原力臂lmax、最小傾覆力臂lq、復原力臂曲線消失角度（回復力矩為0值角度）和最大復原力臂對應角度復原力臂曲線下面積等船舶穩性所需要的相關參數。

3 結語

本文對跨海橋梁大型預制墩臺裝船方式、運輸船舶加固、固定綁扎、拖航運輸、船舶穩性核算等進行了介紹，闡述了方案設計思路和關鍵控制問題的解決方法，為該運輸方式的成功運用提供了理論保障。同時給跨海橋梁大型預制墩臺運輸以及其他大噸位、大尺寸構件運輸工程提供了參考經驗。

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1671-0711（2017）06（下）-0068-03