大型沉箱起重船大吊力助浮出運技術(shù)

李永鋒

(大連港灣工程有限公司，遼寧 大連 116000)

隨著沿海港口向大型化、專業(yè)化方向發(fā)展，碼頭前沿水深不斷加大，作為碼頭基礎(chǔ)的沉箱尺度也越來越大，對沉箱出運提出了更高的要求。常用的沉箱出運方式包括小型沉箱吊扶出運[1]、中大型半潛駁出運、氣囊臺車出運[2-3]、浮塢出運[4]和斜坡下水滑道出運等。隨著沉箱尺度的不斷增大，早年已建成的沉箱預(yù)制場斜坡式滑道末端水深難以適應(yīng)大型沉箱出運的要求。為解決大型沉箱斜坡式滑道末端水深不足的問題，對起重船大吊力助浮沉箱出運技術(shù)進行分析計算，并經(jīng)物模試驗驗證，較好地解決了大型沉箱出運受滑道水深不足限制的問題。

1 工程概況

大連港大窯灣北岸配套碼頭工程為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱長16 m、寬15.1 m、高22.1 m、自質(zhì)量2 780 t。沉箱預(yù)制和出運利用大連港灣工程有限公司大窯灣沉箱預(yù)制廠，臺座平面尺寸為22 m×24 m,最大可預(yù)制3 000噸級的沉箱。沉箱下水方式為斜坡式下水，滑道長度為198 m，末端水深為10.3 m。

根據(jù)沉箱浮游穩(wěn)定計算，當(dāng)定傾中心高度m≥0.2 m時，沉箱起浮需要的最小吃水深度為14.2 m。大窯灣沉箱預(yù)制廠滑道末端縱移車頂端水深10.3 m，沉箱自然起浮出運至少需要乘4.3 m潮水，但是大窯灣港區(qū)全年4 m以上潮水有限，潮位保證率(小于10%)不能滿足施工需求。

為滿足沉箱下水浮運的要求，重點對陸上一次預(yù)制成型、起重船大吊力助浮出運沉箱的施工工藝進行研究，解決傳統(tǒng)斜坡式滑道超能力出運沉箱的技術(shù)難題。

2 同類技術(shù)國內(nèi)概況

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》中有允許用起重船助浮的相關(guān)條文,但如何選取吊力P和核算浮游穩(wěn)定性未作規(guī)定。目前，國內(nèi)起重船助浮出運沉箱的相關(guān)施工項目多為半潛駁出運形式，解決的是半潛駁平潛作業(yè)穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求或下潛區(qū)水深不滿足沉箱浮游穩(wěn)定而采取的助浮出駁問題，少有針對斜坡式滑道末端水深不滿足沉箱浮運吃水而采用起重船大吊力助浮的相關(guān)施工案例及技術(shù)。

3 吊裝系統(tǒng)的設(shè)計

由于沉箱外壁厚度難以滿足吊環(huán)埋設(shè)要求，本工程采用在沉箱外壁預(yù)留吊孔的吊裝方式；為保證吊力與沉箱外壁在同一豎向平面內(nèi)，在沉箱頂部設(shè)置助浮吊架。

3.1 沉箱吊孔設(shè)計驗算

沉箱采用8點起吊，起重船為雙吊鉤，雙吊鉤間距為3.0 m，每個吊鉤4組鋼絲繩，通過吊架與吊孔銷子相連，吊架采用四點吊，鋼絲繩起吊角度要求均大于65°。吊孔距沉箱頂端6.0 m，為了保證鋼絲繩與吊架夾角，吊鉤距離吊架高度為18.0 m，考慮到人員機械操作要求，吊架高出沉箱頂5.0 m，沉箱起吊模型見圖1。

圖1 沉箱起吊模型

為保證沉箱助浮吊運安全，須驗算吊孔局部受壓承載力、吊孔處受沖切承載力和吊孔抗剪承載力等。沉箱助浮出運時考慮吊裝動力系數(shù)1.3，8個吊點按6個同時受力計算，則單個吊孔受力值為975 kN。

經(jīng)計算，吊孔局部受壓承載力設(shè)計值為947 kN，局部受壓承載力不滿足要求，考慮在吊孔處增設(shè)鋼套筒，鋼套筒壁厚15 mm，增設(shè)套筒后吊孔局部受壓承載力設(shè)計值為1 356 kN，受沖切承載力設(shè)計值為2 654 kN，抗剪承載力設(shè)計值為1 669 kN，滿足承載力要求。

3.2 沉箱助浮吊架的設(shè)計及計算

吊架采用鋼結(jié)構(gòu)，主梁采用雙槽36b對扣焊接方形管，聯(lián)系梁采用雙槽32a對扣焊接方形管，兩槽鋼中間需要加肋，上方桁架采用雙槽16a對扣，焊接于主梁上，擋塊采用雙槽32a對扣，擋塊內(nèi)部和背面設(shè)置加強板。每個鋼絲繩位置左右各1組，長度可根據(jù)起重船能力適當(dāng)調(diào)整，并且設(shè)置銷子，防止鋼絲繩從擋塊之間脫離。

采用有限元軟件邁達斯CIVIL對吊架進行長細比、應(yīng)力和變形驗算，吊架3D計算模型見圖2。結(jié)果為：長細比44.8，吊架應(yīng)力最大值為64 MPa，最大豎向位移3.12 mm，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖2 吊架3D計算模型

3.3 吊索具計算

1)起吊沉箱鋼絲繩的選用。考慮鋼絲繩磨損，折減系數(shù)取0.9，承載力安全系數(shù)取5。根據(jù)GB/T 20067—2006《粗直徑鋼絲繩國家標(biāo)準(zhǔn)》，選用6×37(a)類直徑82 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度為1 870 MPa，折減后最小破斷拉力為4 032 kN；吊運沉箱鋼絲繩拉力為3 656 kN，選用鋼絲繩滿足沉箱吊運要求。8根鋼絲繩總長度為491.68 m，總質(zhì)量13.82 t。

2)起吊鋼吊架鋼絲繩的選用。鋼吊架總質(zhì)量為G=23.19 t(包含加勁肋)，起吊吊架采用4點吊，選用GB 8918—2006《鋼絲繩國家標(biāo)準(zhǔn)》6×37(a)類直徑32 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度為1 570 MPa。4根鋼絲繩總長度為79.72 m，總質(zhì)量為0.35 t。

考慮彎折增加長度5%后的吊索具所用鋼絲繩總質(zhì)量為14.88 t，吊架含鋼絲繩的總質(zhì)量為38.07 t。考慮沉箱助浮力4 500 kN，則所需起重船最大起吊力為4 900 kN。起重船助浮出運沉箱見圖3。

圖3 起重船助浮出運沉箱

4 物理模型試驗

采用物模試驗?zāi)M沉箱出運過程，結(jié)合理論計算總結(jié)不同工況下吊力與沉箱吃水、定傾高度m的關(guān)系[5]。長度模型比尺為40，實際波高為0.5 m，波浪模型采用規(guī)則波。沉箱吊浮模擬見圖4。

圖4 沉箱吊浮模擬

經(jīng)計算，在不考慮助浮吊力的情況下，當(dāng)沉箱吃水13.9 m時，定傾高度m=0 m，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；滿足定傾高度m=0.2 m時，沉箱吃水為14.2 m。

為滿足斜坡道末端起浮要求，沉箱吃水不大于13.0 m，并滿足定傾高度m≥0.2 m的要求。為驗證物模試驗吊力數(shù)值，選取沉箱吃水13 m、定傾高度為0.1 m的工況進行復(fù)核。理論計算吊力為3 429 kN，試驗實測值為3 440 kN，考慮到讀取水位的誤差、滑輪摩擦阻力等因素，試驗數(shù)值與理論計算結(jié)果吻合，試驗沉箱吃水與m值及吊力對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 試驗沉箱吃水與m值及吊力的關(guān)系

5 結(jié)語

1)通過運用物理模型試驗，模擬沉箱起重船大吊力助浮，驗證了吊力與沉箱吃水及m值之間的理論關(guān)系。

2)根據(jù)起重船助浮特點，設(shè)計并制作大型鋼結(jié)構(gòu)撐架系統(tǒng)，解決了起重船起吊時鋼絲繩對沉箱外壁的破壞問題。

3)大型沉箱起重船大吊力助浮出運技術(shù)成功解決了傳統(tǒng)斜坡式滑道不能滿足大吃水沉箱出運的技術(shù)難題，為傳統(tǒng)預(yù)制場大吃水沉箱出運提供了成熟可靠的解決方案。