半潛式起重鋪管船建造場地荷載分析

王 闊

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

半潛式起重鋪管船(以下簡稱鋪管船)為深水海洋工程系列必要船型之一[1]，其具備在惡劣深水環境條件下進行海管鋪設、結構物吊裝等多種海洋作業的能力，在海洋工程領域有良好的應用前景[2-4]。鋪管船因其特殊的結構形式，需采用特定的建造方式，對場地荷載能力提出了更高的要求。本文以青島場地為例，通過對比各類總裝合龍方式，確定最優建造方案，并對該總體建造方案不同工況下的場地荷載能力進行計算分析。

1 鋪管船總體建造方案

1.1 鋪管船結構形式

鋪管船由下部船體、生活樓、輪機系統、吊機、鋪管系統等組成。其船長為190 m，型寬為98 m，整體高度為76 m，下部船體質量約45 000 t，上部模塊結構除生活樓及碼頭安裝設備外，質量約為34 000 t，鋪管船示意圖如圖1所示。

圖1 鋪管船示意圖

1.2 鋪管船總體建造合龍方案對比分析

目前，主要的合龍方式有以下幾種：頂升滑移合龍、巨型總段吊裝合龍、提升滑移合龍、分段吊裝合龍等，各種合龍方式在工程中均有應用[5]。

根據該鋪管船的尺寸及結構特點，結合青島公司場地情況，因船塢寬度為110 m，而船體長度為190 m，所以該船體結構及上部模塊結構只能在塢內縱向建造。

1)提升滑移合龍。提升滑移合龍是目前浮式平臺建造常見的總裝合龍方案之一。鋪管船的型寬為98 m，建造中船體中心線與塢底中心線重合，兩邊各余6 m的寬度。針對此方案，必須在上部模塊的兩側設置提升塔架。同時，提升方式舉升能力比頂升方式弱，目前沒有提升質量達到近4萬t的成功工程案例。更重要的是，提升塔架本身具有一定的寬度，對于塔架的固定裝置來說，6 m的距離偏小，所以提升滑移合龍方案不適合該項目。

2)巨型總段吊裝合龍。即使不考慮起重機、J型架、生活樓、大型絞車等可以后期在舾裝碼頭組裝的設備質量，該船的上部模塊質量也遠超3萬t，超過已有資源能力，所以不能采用巨型總段吊裝合龍的方式建造。

3)合龍方案選取。通過以上分析，可以采用的合龍方式主要有2種，即分段吊裝合龍和頂升滑移合龍。從建造總成本與建造周期2個方面考慮，頂升滑移合龍的建造方案均優于分段吊裝合龍的建造方案。本文將以頂升滑移合龍方案為基礎進行荷載分析。

1.3 鋪管船頂升滑移方案

1)總段建造。利用龍門吊，將塢外預制總段在塢內合龍為3個巨型總段，即左右舷2個船體巨型總段和上部模塊巨型總段。其中船體巨型總段包括底部船體與立柱，即一個船體巨型總段包括1個單船體和4個立柱。上部模塊巨型總段在靠近塢門一側合龍，船體總段在內側合龍。3個巨型總段同時建造。

2)合龍流程。3個巨型總段建造完成之后，通過頂升設備，將上部模塊頂升至略高于最大型深的高度。通過滑移設備，將2個船體總段滑移至指定位置后，船體總段合龍并坐墩，將滑靴和滑道塊依次撤出，按照船體結構與上部模塊合龍工況進行墊墩布置，布墩完成后，利用滑靴上的液壓裝置將船體結構質量轉移至總裝合龍墩上，然后利用頂升裝備，降低上部模塊高度，進行質量轉移，完成船體結構與上部模塊集成作業，頂升滑移合龍如圖2所示。

圖2 頂升滑移合龍示意圖

2 鋪管船建造船塢荷載分析

2.1 船塢荷載及塢墩樣式

船塢塢底荷載是根據不同產品類型，不同工況進行設計的，在項目實際應用時，應根據具體實際位置進行核實。為簡化計算流程，按照船塢塢底最小面荷載40 t /m2，最小線荷載220 t /m進行核算。塢墩具體尺寸如圖3所示。

圖3 塢墩尺寸圖

2.2 地基荷載分析

由于船塢荷載限制，建造階段塢墩采用雙墩布置，合并后雙墩長3.0 m，寬1.4 m。同時，依據結構尺寸，上部模塊布置278個雙墩，船體結構布置300個雙墩，如圖4所示,圖4中黑色小方塊為塢墩。

考慮到1.05倍荷載不均勻分布系數，上部模塊結構和船體結構對船塢塢底的荷載為：

PTopside=mTopside/ATopside×1.05=34 000/

(3×1.4×278)×1.05≈30.6 t /m2，

(1)

PHull=mHull/AHull×1.05=45 000/

(3×1.4×300)×1.05≈37.5 t /m2，

(2)

圖4 塢墩布置圖

式中，PTopside為上部模塊結構面荷載，t /m2;PHull為船體結構的面荷載，t /m2；mTopside為上部模塊結構質量，t;mHull為船體結構質量，t；ATopside為上部模塊塢墩受力面積，m2;AHull為船體塢墩受力面積，m2。

船塢塢底最小面荷載為40 t /m2，建造階段塢墩布置滿足荷載要求。

2.3 頂升階段地基荷載分析

1)頂升時地基受力。頂升階段地基受力是合龍階段的一個關鍵問題，在頂升上部模塊時，上部模塊的全部質量都由頂升設備傳遞到塢底或滑道的地基上，加上頂升設備自身的質量，會造成地基局部受力較大的問題。使用有限元軟件計算獲取每個設備傳遞給地基的力，結合地基的許用荷載，可以得出需要何種尺寸及形式的頂升基座，以確保地基在頂升過程中不被破壞。

2)頂升設備支撐點布置問題。頂升設備支撐點的布置要考慮頂升設備和下部沉箱的干涉問題，同時設備支撐點布置在不同的位置，會影響頂升設備和上部模塊結構的受力，進而上部模塊需要的結構加強也會不同。

根據上部模塊質量，設計了頂升塔架底座12個。底座長10.5 m，沿船塢長度方向；寬8 m，沿船塢寬度方向。頂升塔架底座布置示意圖見圖5。

圖5 頂升塔架底座布置示意圖

考慮到1.05倍的荷載不均勻分布系數，頂升塔架質量為12 000 t，頂升階段，頂升塔架底座對船塢塢底的荷載為：

PJack=mJack/AJack×1.05=(34 000+12 000)/

(10.5×8×12)×1.05=47.9 t /m2，

(3)

式中,PJack為頂升塔架底座的面荷載，t /m2；mJack為頂升階段總結構質量，t；AJack為頂升塔架底座面積，m2。

船塢塢底最小面荷載為40 t /m2，塔架底座對地基最大荷載大于船塢塢底最小面荷載。因船塢塢底部分區域面荷載為60 t /m2，如頂升設備塔架位于40 t /m2區域，就需要對船塢塢底進行局部改造，以滿足頂升階段工況要求。

2.4 滑移階段地基荷載分析

船體結構滑移方案中，2個船體分段分別設置40個液壓滑靴，提供的縱向有效支撐總長度為220 m(橫向8行)，考慮到1.05倍的荷載不均勻分布系數，認為左右兩側的液壓滑靴分擔的質量相同,液壓滑靴對塢底的線荷載為：

QSkid=mHull/LSkid×1.05=45 000/220×1.05≈214.8 t /m，

(4)

式中，QSkid為液壓滑靴對塢底線荷載，t /m；mHull為船體結構質量，t；LSkid為滑靴縱向有效支撐長度，m。

船塢塢底最小線荷載220 t /m2，滑移階段船塢塢底荷載滿足要求。

2.5 合龍階段地基荷載分析

頂升作業開始時，撤上部模塊的建造塢墩，結合合龍后的質量，布置660個雙墩，合龍階段塢墩布置示意圖如圖6所示，圖6中黑色小方塊為塢墩。

圖6 合龍階段塢墩布置示意圖

考慮到1.05倍的荷載不均勻分布系數，合龍后的塢墩對塢底的荷載為：

PTotal=mTotal/ATotal×1.05=79 000/(3×1.4×660)×1.05≈29.9 t /m2，

(5)

式中,PTotal為合龍后塢墩的面荷載，t /m2；mTotal為合龍后的結構質量，t；ATotal為合龍后塢墩的受力面積，m2。

船塢塢底最小面荷載為40 t /m2，合龍階段塢墩布置滿足荷載要求。

3 其他注意事項

1)頂升。頂升點處結構加強，頂升過程必然對上部模塊結構造成一定影響，為了縮短工期，上部模塊設計時就應考慮頂升過程的影響。對上部模塊進行有限元分析，如需要應對上部模塊進行局部結構加強。頂升設備基座主要由砂箱和箱型梁構成，首先布置砂箱，然后在砂箱上布置箱型梁，再設計該結構時，需充分考慮地基荷載及頂升操作空間等因素。頂升方案需要按照頂升高度進行合理性論證，如頂升塔架需要根據項目實際情況進行有限元分析，選取最優布置方案；頂升操作時，需有防風措施，規避安全風險。

2)塢墩。由于船體質量分布、船體結構強度以及墊墩布置的不均勻性，部分單墩的壓力要大于均值。為保證塢墩壓力小于許用值，在初步進行墊墩布置后，應根據結構質量等實際情況，進一步進行有限元分析確保塢底強度滿足要求。