國外大型預制型沉箱吊裝施工的吊耳設計

李少斌,許建武,丁建軍

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

與普通的浮運拖帶法相比，半潛駁干運法運輸效率高，抗風、浪、流等作用的能力強，因此，國外項目中通常采用該法對預制沉箱進行較長距離的水上運輸。隨著沉箱結構的大型化，采用半潛駁運輸時所要求的下潛區水深也越來越深。當下潛區已有水深不足而在下潛區進行浚深作業又比較困難時，可考慮采用起重船進行助浮。

目前，當利用起重船助浮對沉箱進行吊裝施工時，大多采用在沉箱壁板預留吊孔并在吊裝之前采用人工穿銷的施工工藝，而人工穿銷施工效率低、成本高、安全風險巨大，因此采用人工穿銷工藝在國外工程中更是難以適用。

為簡化施工，避免潛水員深潛作業，可考慮在沉箱頂部預埋吊耳對沉箱進行吊裝施工。然而，吊耳工藝目前通常被應用于化學設備的吊裝，起吊質量一般小于20 t[1]，且關于吊耳的設計也主要集中于吊耳本體強度的復核。吊耳在大型預制混凝土沉箱吊裝中應用目前尚無經驗，這主要是因為吊耳與沉箱結構間的錨固受力機理十分復雜，而沉箱又作為薄壁混凝土結構，如果吊耳設計得不合理，可能導致吊耳及局部的沉箱混凝土破壞而造成安全風險。

本文針對加納某工程案例，對該工程中的大型沉箱的吊耳進行專門設計，現采用該設計的吊耳已成功吊運安裝該工程的全部7個大型沉箱。

1 工程概況

加納某液化天然氣碼頭工程包含2個靠船墩和5個系纜墩，墩臺采用重力式沉箱結構。其中，靠船墩沉箱長19.41 m、寬11.62 m、高21.2 m，單個沉箱質量1 851 t；系纜墩沉箱長14.85 m、寬10.62 m、高18.7 m，單個沉箱質量1 430 t。本工程沉箱預制場與安裝位置直線距離近5 km，且平日該工程海域存在波高1～2 m的涌浪，故考慮采用半潛駁進行沉箱的遠距離水上運輸。半潛駁下潛區位于現有碼頭主航道附近，天然水深約-13.0 m，不能滿足半潛駁下潛的水深要求，且下潛區地質為強風化片麻巖，若浚深則需要炸礁，而炸礁不僅工期長、費用高，且對主航道上船舶航行安全不利，故考慮采用起重船助浮。根據沉箱起重助浮計算，并考慮一定的富余量，系、靠船墩沉箱助浮的吊力需要3 000 kN。結合現場條件，最終選用八點吊方案，在沉箱頂部預埋吊耳，起吊時采用吊架或撐桿等吊具垂直起吊，吊耳板布置和細部結構見圖1、2。吊耳主體采用一層厚50 mm、寬360 mm的鋼板焊拼成，距頂部85 mm處開φ90 mm的吊孔，在吊孔兩側焊裝一鋼板加強吊孔，吊環吊孔處總厚90 mm。底部焊裝一塊長600 mm、寬100 mm、厚50 mm的鋼板作為錨固。

圖1 吊耳布置(單位：mm)

圖2 吊耳板細部(單位：mm)

每個吊耳起吊力設計值，即最大垂直拉力F為623.2 kN；不均勻系數根據現場施工工藝取1.1，動荷載系數根據BS EN 1991-3[2],吊運級別為HC2,吊運速度不超過0.1 m/s，根據計算結果動荷載系數取1.1，荷載作用系數根據美標ACI 318-2011[3]取1.4。吊繩沿沉箱長邊方向與垂直方向最大夾角為20°(兩側吊耳處)，因此吊耳最大剪力Fh為226.8 kN。

2 吊耳鋼材強度驗算

吊耳鋼材強度驗算內容包括：受拉強度、受剪強度、拉剪強度、吊耳孔承載力和錨固底板強度驗算。吊耳孔承載力驗算和錨固底板強度驗算可參考文獻[3]和[4]進行計算，不在此詳述。受拉、受剪和拉剪強度驗算則參考美國混凝土協會規范ACI 318-2011[5]，將吊耳當作預埋錨栓進行驗算。

2.1 受拉強度驗算

根據ACI 318-2011規定，吊耳鋼材抗拉強度應滿足以下條件：

F< φNsa

(1)

式中：φ為強度折減系數，對于受拉元件取0.80；Nsa為鋼材標稱強度，計算公式為：

Nsa=Ase,Nfuta/1 000

(2)

式中：Ase,N為受剪吊耳有效橫截面積(mm2)，孔洞考慮兩側鋼板加強后仍取18 000mm2；futa為鋼材抗拉強度設計值(MPa)，吊耳鋼材材質為國標Q355,設計抗拉強度為288 MPa。

根據式(1)、(2)計算可得，φNsa(=4 147 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳鋼材的抗拉強度滿足要求。

2.2 受剪強度驗算

根據ACI 318-2011規定，吊耳鋼材抗剪強度應滿足以下條件：

Fh< φVsa

(3)

式中：φ為強度折減系數，對于受剪元件取0.75；Vsa為鋼材標稱強度，對于預埋的帶端頭的螺栓，計算公式為：

Vsa=0.6Ase,vfuta/1 000

(4)

式中：Ase,V為受剪吊耳的有效橫截面積(mm2)，取18 000 mm2；futa為鋼材抗拉強度設計值(MPa)，吊耳鋼材材質為國標Q355,設計抗剪強度為166 MPa。

根據式(3)、(4)計算，φVsa(=2 241 kN)> Fh(=226.8 kN),即吊耳鋼材的抗剪強度滿足要求。

2.3 受拉剪強度驗算

根據ACI 318-2011規定，同時承擔剪力和拉力的吊耳應滿足以下要求：

1)若起控制作用的受剪強度滿足Vua/(φVsa)≤0.2，則φNsa≥Nua；

2)若起控制作用的受拉強度滿足Nua/(φNsa)≤0.2，則φVsa≥Vua；

3)若起控制作用的受剪強度滿足Vua/(φVsa)>

0.2及起控制作用的受拉強度滿足Nua/(φNsa)>

0.2，則

(5)

式中:Vua為作用于吊耳的剪力設計值(kN),本工程Vua=Fh=226.8 kN；Nua為作用于吊耳拉力設計值(kN),本工程Nua=F=623.2 kN。由此可得Vua/(φVsa)=0.10、Nua/(φNsa)=0.13，均滿足要求，即吊耳鋼材的拉剪強度滿足要求。

3 吊耳局部混凝土強度驗算

吊耳處混凝土強度驗算內容包括：錨固底板處混凝土局部受壓強度、受拉吊耳混凝土抗崩裂強度、受拉吊耳抗拔出強度、受拉吊耳混凝土抗側面爆裂強度和受剪吊耳的混凝土抗剪撬強度驗算。其中錨固底板處混凝土局部受壓強度依據歐標BS EN 1992-1-1[6]進行驗算，其他強度驗算參考美國混凝土協會規范ACI 318-2011,將吊耳當作預埋錨栓進行驗算。

3.1 錨固底板處混凝土局部受壓強度驗算

錨固板處混凝土局部抗壓強度應滿足以下要求(按素混凝土考慮)：

F< Fp

(6)

式中：Fp為混凝土局部抗壓承載力(kN)，根據歐標BS EN 1992-1-1計算如下：

(7)

(8)

式中：Ac0為荷載作用面積(mm2)；Ac1為荷載作用分布面積(mm2)，見圖3，由于沉箱屬于薄壁結構，荷載擴散面積有限，偏安全考慮取Ac1=Ac0；fck為混凝土圓柱體抗壓強度特征值，取35 MPa；fcd為混凝土設計抗壓強度(MPa)；αcc為考慮了抗壓強度長期效應及加載方式不利影響的系數，根據BS EN 1992-1-1取1.0；γc為混凝土強度分項系數，根據BS EN 1992-1-1取1.5。

根據式(7)、(8)計算Fp(=980 kN)> F(=623.2 kN)，即錨固底板處混凝土局部受壓強度滿足要求。

圖3 Ac0計算示意圖(陰影部分)(單位： mm)

3.2 受拉吊耳混凝土抗崩裂強度驗算

混凝土抗崩裂強度考慮斷裂力學的概念，假定吊耳受拉時混凝土破壞椎體為約35°傾斜面，見圖4。

圖4 受拉錨栓混凝土崩裂破壞

根據ACI 318-2011計算，混凝土抗崩裂強度應滿足：

F< φNcb

(9)

式中：φ為折減系數, 根據ACI 318-2011取0.85；Ncb為單個受拉吊耳的混凝土標稱抗崩裂強度(kN)，計算公式為：

(10)

圖5 受拉錨栓混凝土崩裂破壞投影面積

在已開裂混凝土中，單個吊耳的混凝土基本抗崩裂強度Nb可由下式計算：

(11)

式中：kc為混凝土破壞強度修正系數，取10；λa為輕混凝土修正系數，取1.0；fck為混凝土圓柱體強度標準值(MPa)，取35 MPa。

根據式(9)～(11)計算，φNcb(=253 kN)< F(=623.2 kN),即吊耳的混凝土抗崩裂強度未考慮沉箱配筋時不能滿足要求。考慮沉箱壁板配筋，根據ACI 318-2011規定，當在崩裂面的兩側均設置配筋時，可取吊耳配筋的標稱強度。此時應注意，有效的配筋(箍筋或拉筋等)滿足在距離吊耳中心線0.5hef范圍內，見圖6。本文吊耳配筋為17根直徑16 mm的B500B鋼筋，鋼筋設計抗拉強度為435 MPa,因此φNcb(=1 263.2 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳混凝土抗崩裂強度滿足要求。

圖6 受拉錨栓混凝土崩裂破壞投影面積

3.3 受拉吊耳的抗拔出強度驗算

根據美標ACI 318-2011計算，受拉吊耳混凝土拔出強度應滿足：

F< φNpn

(12)

式中：φ為折減系數, 根據ACI 318-2011取0.85；Npn為單個受拉錨栓的標稱抗拔出強度(kN)，計算公式為：

Npn=ψc,PNp

(13)

式中：ψc,P為調整系數，結構在水平荷載下不開裂，取1.4，開裂則取1.0，本文取1.0；Np為未考慮吊耳靠近邊緣影響的單個吊耳抗拔出強度(kN)，計算公式為：

Np=8Abrgfck/1 000

(14)

式中：Abrg為吊耳的凈受力面積(mm2)，為18 000 mm2；fck為混凝土圓柱體強度標準值(MPa)，取35 MPa。

根據式(13)、(14)計算，φNpn(=4 284 kN)> F(=623.2kN),即吊耳的抗拔出強度滿足要求。由于該吊耳靠近邊緣，因此須進一步驗算受拉吊耳的混凝土抗側面爆裂強度。

3.4 受拉吊耳的混凝土抗側面爆裂強度

受拉吊耳混凝土自由邊側面爆裂破壞見圖7。

圖7 受拉吊耳混凝土側面爆裂破壞

根據ACI 318-2011計算，受拉混凝土拔側面爆裂強度應滿足：

F< φNsb

(15)

式中：φ為折減系數，根據ACI 318-2011取0.85；Nsb為其標稱抗側面爆裂強度(kN)，對于一個埋置長度較大且靠近一個邊緣(hef> 2.5ca1)的單個底板的吊耳，其計算公式為：

(16)

式中：ca1距邊緣較小的距離(mm)；Adrg為吊耳端頭靠近爆裂破壞邊緣一側的面積(mm2),見圖8,取A1和A2中的較小值12 000 mm2(A1為吊耳長邊方向靠近破壞邊緣的面積，為15 000 mm2，A2為吊耳短邊方向靠近破壞邊緣的面積,為12 000 mm2)；λa為輕混凝土修正系數，取1.0；fck為混凝土圓柱體強度標準值(MPa)，取35 MPa。

若帶端錨頭錨栓的距離自由邊較大距離ca2< 3ca1，根據式(16)計算的Nsb的值應乘以系數(1+ca2/ca1)/4，其中1.0≤ca2/ca1≤3.0。如圖9所示，ca2(=235 mm)< 3ca1(=450 mm)，因此乘以系數0.64。

根據式(15)、(16)計算，φNsb(=1 074 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳的抗側面爆裂強度滿足要求。

圖8 受拉吊耳混凝土側面爆裂破壞(單位：mm)

3.5 受剪吊耳的混凝土抗剪撬強度

根據AC I318-2011計算，受剪吊耳混凝土剪撬強度應滿足：

Fh< φVcp

(17)

式中：φ為折減系數，根據ACI 318-2011取0.85；Vcp為標稱抗剪撬強度(kN)，計算如下：

Vcp=kcpNcb

(18)

式中：Ncb為單個受拉吊耳的混凝土標稱抗崩裂強度(kN),對于預埋型吊耳，根據式(10)計算得Ncb=297.8 kN；kcp為相關系數，hef< 63.5mm時取1.0，hef≥63.5mm時取2.0，本工程取2.0。

根據式(17)、(18)計算，φVcp(=506 kN)> Fh(=226.8 kN),即吊耳的抗剪撬強度滿足要求。

4 吊運技術要求

為保證施工質量和安全，施工作業應滿足以下技術要求[7]：

1)沉箱浮游穩定應滿足規范要求，不滿足時，應調整壓艙水等措施。

2)起重機吊鉤的吊點，應盡量與起吊重心在同一條鉛垂線上，使重物處于穩定平衡狀態，否則起吊前應進行試吊，直至重物達到平衡為止，防止提升時產生傾斜。

3)為避免沉箱壁板在起吊過程中水平雙向受力，應使用撐桿或吊架，撐桿或吊架上的吊具應對稱分布，且吊架與吊具承載點之間的垂直距離應相等，以保證吊架在承載和空載時保持平衡狀態。

4)沉箱吊運安裝作業應選擇良好天氣進行，起吊的最大速度不能超過0.1 m/s。

5 結語

1)大型沉箱通常采用預留吊孔并進行人工穿銷的助浮吊裝施工工藝，采用頂部預埋吊耳的工藝能夠簡化施工工藝，避免深潛作業。

2)吊耳設計應首先對其本體鋼材強度進行驗算，再對吊耳與沉箱壁連接處的混凝土強度進行驗算，本工程所有強度驗算均滿足要求。

3)吊運作業各方面應滿足相關要求，以保證吊運穩定、施工的質量和安全。