海工鋼結構立片纜風繩設計

郭 寧，楊風艷，單吉華，牛建華，李國偉

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

在海洋工程建造過程中，時常會遇到周圍無側向支撐的立片結構。例如，立式建造的導管架，在立起第1個分片時，周圍沒有任何結構物來支撐該立片，吊機摘鉤后，為了能使第1個立片保持安全的矗立狀態，需要在立片周圍布置1組纜風繩。該組纜風繩必須有足夠的強度來抵抗各個方向的風荷載的作用，保證分片頂部不會產生過大的撓度變形。導管架立片的纜風繩也可以用來調整立片傾斜角度，以保證建造精度。纜風繩的可靠性直接決定了立片結構的安全性，合理設計纜風繩的布設方案是項目順利施工的重要保證。

1 纜風繩設計一般要求

布置纜風繩首先應確定纜風繩的數量和位置。一般1個立片用4根纜風繩固定，如圖1所示。如果條件不允許，也可以設置3根，應確保所有的受風方向都有足夠的抗風強度。纜風繩與地面的夾角30°為宜，最大不宜超過45°。纜風繩的位置應該充分考慮場地使用現狀，盡可能的減少場地占用，不影響后續的總裝施工工作，不影響吊機站位及行走，并且不影響項目對未來場地的需求。

圖1 某四腿導管架立片纜風繩布設示意圖

2 纜風繩的結構形式

在海洋工程建造領域，1套完善的纜風繩系統一般應由4部分組成：結構物端錨固點、地面錨固點、長度調整裝置和鋼絲繩索，圖2為海工導管架立片纜風繩結構示意圖。

圖2 海工導管架立片纜風繩結構示意圖

結構物端錨固點為纜風繩在結構立片的生根點，該位置處會受到纜風繩的作用荷載。如果是導管架立片，纜風繩可以兜拉在導管架的導管腿上，并且在下部焊接擋繩柱以防止纜風繩滑移。為避免高空掛纜風繩的困難，導管架立片在被立起之前，可以提前將纜風繩掛到結構物端錨固點上(擋繩柱)。如果空間限制，可以考慮兜拉管式吊點或者管徑較大的拉筋。如果是組合梁結構，可以焊接板式吊點來固定纜風繩。但要注意對連接點局部強度核算，既要保證連接的可靠性，又要保證不會損壞主結構。

在地面沒有預埋錨點的情況下，纜風繩地面端錨固點宜采用壓放水泥塊(鋼制滑道塊或者廢舊滑靴)的方法。該方法靈活性強，使用較為方便，不受場地空間限制，可以根據需要隨意進行布置。如果壓放的水泥塊數量較多時，需要核算場地承載能力。

纜風繩長度調整裝置，用來預緊和松弛纜風繩，可以輕微調整立片的角度，以保證建造的安全性和精度。一般受力較小時可以用倒鏈，受力較大時需要用卷揚機、滑輪組組合的形式。

鋼絲繩索宜采用吊裝用鋼絲繩吊索具，鋼絲繩吊索具安全系數較高，兩端帶有繩扣，可以通過卸扣串接多根吊索具，靈活調整長度。

3 纜風繩的受力分析

確定纜風繩在工作過程中受到的最大拉力，即纜風繩系統的額定工作荷載，是作為選取鋼絲繩索、卸扣、滑輪組及卷揚機等的依據。

單支纜風繩受到的最大拉力F(kN)即纜風繩系統的額定工作荷載：

F=Fg+Fc,

(1)

式中：Fg為纜風繩受到的最大工作拉力，kN，即結構物承受的風荷載從零變到最大設計值時，抗風方向纜風繩內張緊力的增量；Fc為纜風繩初始拉力，kN，纜風繩的初始拉力是纜風繩預先拉緊的力，一般取工作拉力的15%～20%[1]。

結構物的受力可以簡化為如圖3所示[2]。

圖3 受力分析示意圖

根據力矩平衡原理，纜風繩受到的最大工作拉力Tg、立片受到的最大風荷載Fw和結構物的自重荷載G，三者存在如下關系：

Fwhw+Ghgsinα=nFghtcosθcosγ,

(2)

得到纜風繩的工作拉力：

(3)

式中：Fw為最大風荷載，kN，未知量；hw為整體風力等效作用點高度，m，未知量；G為結構物的自重，kN，已知量；hg為結構物重心高度，m，已知量；ht為纜風繩結構物端錨固點高度，m，已知量；α為結構物由于風荷載可能發生的最大傾角， °，已知量，一般取5°；θ為纜風繩與地面的夾角， °，已知量；γ為纜風繩與來風方向所在垂直平面的夾角， °，已知量；n為同一抗風方向纜風繩數量，條，已知量。

4 風荷載及整體風力等效作用點高度的計算

4.1 風荷載Fw計算

風荷載的計算參照GB 50135—2006《高聳結構物設計規范》[3]和GB 50009—2012《建造結構荷載規范》[4]中的方法，垂直作用于結構物表面單位面積上的風荷載標準值應按照式(4)進行計算：

ωk=βzμsμzω0,

(4)

式中：ωk為作用在結構物z高度處單位投影面積上的風荷載標準值,按風向投影，kN/m2；ω0為基本風壓，kN/m2，其取值不得小于0.35 kN/m2；μz為z高度處的風壓高度變化系數；μs為風荷載體型系數；βz為z高度處的風振系數。

由于μz、βz與受風區域的高度有關，因此對于高聳結構物，為了保證計算精度，需要將受風區域按照高度劃分成不同的受風區間，垂直作用于結構物表面某特定受風區間上的風荷載Fi(kN)為：

Fi=ωkAi,

(5)

式中：Ai為高聳結構物表面某受風區間受風面積，m2。

整個結構物在某受風方向受到的垂直作用總風荷載Fw(kN)為：

Fw=∑Fi=∑(βzμsμzω0Ai),

(6)

式(6)中ω0、μz、μs、βz值可以參照GB 50009—2012《建造結構荷載規范》和GB 50135—2006《高聳結構物設計規范》中描述的方法計算確定或者查詢規范中的附表得到。

以海工青島場地建造的某導管架立片為例：

1)基本風壓ω0。通過查GB 50009—2012《建造結構荷載規范》中E.5附表，得青島地區50年重現期的基本風壓ω0為0.6 kN/m2。

2)風壓高度變化系數μz。根據GB 50135—2006《高聳結構物設計規范》海岸風壓高度變化系數μz取值如表1所示。

表1 海岸風壓高度變化系數μz

由表1可知，風壓高度變化系數μz會隨標高變化發生變化。

3)風荷載體型系數μs。該導管架立片可以劃為圓截面構筑物，根據GB 50009—2012《建造結構荷載規范》表8.3.1中的規定，用表1的中間值按線性插值法計算風荷載整體系數μs為0.56。

4)z高度處的風振系數βz。βz為跟高度有關的變量，根據規范GB 50135—2006《高聳結構物設計規范》描述的方法計算不同受風高度區間的值，如表2所示。

表2 z高度處的風振系數βz

5)受風高度區間的受風面積Ai。按照所劃分的受風區域，計算出每個區域對應的受風面積Ai，為該受風區間內結構物在受風方向上的投影面積。

分別將ω0、μz、μs、βz、Ai的值匯總到表3中，計算出該導管架立片每個受風區間受到風荷載Fi。

表3 風力計算表

4.2 整體風力等效作用點高度hw計算

該導管架立片每個受風區間的風力作用點距地面的距離分別為h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8；結構物整體風荷載Fw等效作用點距地面的距離為hw。結構物整體風荷載Fw對地面產生的力矩等于每個受風區域受到的風力對地面產生的力矩之和，即：

Fwhw=∑Fihi,

(7)

得到：

(8)

將式(7)或式(8)代入式(3)即可求得每支纜風繩的工作拉力Fg，再將Fg代入式(1)，得到單支纜風繩受到的最大拉力F。F可被視為每支纜風繩系統的額定工作荷載，以額定工作荷載F作為地面錨固點及結構物端錨固點強度校核的輸入值；同時，纜風繩繩索粗細、卸扣規格、滑輪組規格及其他工機具的規格均需要根據額定工作荷載F的值確定。

5 結束語

綜上所述，海工鋼結構立片纜風繩設計需要經過如下流程。

1)根據施工場地及項目的實際情況充分考慮施工空間的限制及后期使用，來確定纜風繩的數量和布設位置。

2)設計纜風繩的結構形式，包括：結構物端錨固點的形式、地面錨固點的錨固方式、長度調整裝置的形式和鋼絲繩索4個部分。

3)通過計算最大風荷載，來確定單支纜風繩最大拉力F，即纜風繩系統的額定工作荷載。

4)根據纜風繩系統的額定工作荷載來確定組成纜風繩系統的各類工機具規格。

5)根據纜風繩系統的額定工作荷載校核結構物端錨固點、地面錨固點的錨固強度。