大水位差地區浮碼頭撐桿系統設計

楊玉勤

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

在水位差較大的長江中游地區靠泊 5 000 DWT 及以上噸級化工品船，由于船舶靠泊時能量較大，造成躉船的位移也較大，對鋼引橋與躉船結合部的管道等工藝設施的正常使用有較大影響，同時也會加重躉船錨系的負擔，另外危險品碼頭對液體泄漏要求很高，相應的對躉船的變位要求也很高，因此為確保碼頭裝卸作業安全及躉船系留設施的安全可靠度，有必要采用輔助消能系統，由此選取合適的躉船系留消能方式以適應工藝設計的特殊要求甚為關鍵。

本液體化工碼頭化工品裝卸采用管道輸送方式，鋼引橋與躉船結合部采用金屬軟管連接。當船舶靠泊能量較大時，躉船產生較大的位移，會造成鋼引橋與躉船結合部處的金屬軟管過度變形甚至扭曲，一旦出現意外靠泊事故，可能會導致金屬軟管破裂或拉斷，引發管道中的化工品泄露，破壞環境、誘發火災。因此，從工藝使用要求出發，船舶靠泊時以及水位漲落時躉船及碼頭結構水平位移應盡量小。

1 工程概況

湖北省武漢市充分利用現有的基礎設施和發展空間，抓住國家中部崛起發展戰略機遇，引資建設武漢80 萬t/年乙烯工程項目。該項目的興建，將極大地推動武漢石油加工業向石油化工業轉變，使石油化工真正成為武漢的一大支柱產業，并帶動整個湖北省經濟的發展，并由此可增強武漢城市綜合實力，提升武漢在全國中心城市的地位。

實例工程[1]位于長江中游陽邏水道與牧鵝洲水道交接處右岸一側的白滸山港區，新建9＃5 000 t級液體化工泊位1 個，碼頭吞吐量為54.8 萬t/年液體化學品，泊位設計通過能力62.4 萬t/年。碼頭結構型式為浮碼頭，水工建筑物主要包括鋼質躉船、消能設施、活動鋼引橋、鋼筋砼承臺和固定引橋等。

2 基礎資料

1）設計代表船型

5 000 DWT 化工品船，其主尺度為：長×寬×型深×滿載吃水=114×17.6×8.8×7.0 m。

2）設計水位（85 國家高程系）

設計高水位25.77 m（重現期50 年）,設計低水位8.77 m（當地航行基準面）。

3）水流流速

設計水流流速2.0 m/s。

4）地質情況

碼頭區土層自上而下依次為：淤泥質粉質粘土、粉土、粉質粘土、粉細砂及其夾層、卵石、泥質砂巖等。

3 躉船系留方案的確定

通常情況下，浮碼頭躉船的系留主要有以下幾種方式：

1）錨鏈系統（主要適用于5 000 t 級以下碼頭）；

2）錨鏈+撐桿系統（靠泊船舶較大且工藝使用不允許躉船有較大位移）；

3）錨鏈+定位墩（樁）（靠泊船舶較大且工藝使用不允許躉船有較大位移）；

4）定位墩（水域界限或水底土質等不允許拋錨）。

本碼頭靠泊5 000 t 級液體化工品船，貨種為乙二醇、丁二烯、低溫乙烯等危化品，工藝對躉船位移要求高，同時根據規范，浮碼頭系靠5 000 t 以上船舶時，應設置專門的消能設施[2]。由此，水工結構針對性提出了樁式鋼浮箱和撐桿墩式兩種型式的系留消能設施方案進行比較。

3.1 水工結構

鋼撐桿消能設施由鋼撐桿、撐墩及消能橡膠護舷等構成（如下圖1），其特點是：撐桿一端頂住躉船，另一端擱置在撐墩上，隨水位漲落，撐桿以撐墩端為中心，躉船端隨躉船同步上下擺動。撐桿的兩端均設有橡膠護舷，以吸收船舶靠泊能量，同時有效的減少船舶靠泊時躉船的水平變位，有效控制船舶靠泊時躉船上活動鋼引橋支座位移。此種方式鋼躉船的前沿線是可變的，根據本工程水位差以及鋼引橋、鋼撐桿等水工建筑物結構初定尺寸，繪制了鋼引橋支座在躉船上橫向位移示意圖（詳見下圖2）。

圖1 撐桿系留及消能設施系統斷面圖

圖2 活動鋼引橋活動范圍示意圖（鋼撐桿）

從圖中看出，采用這種消能設施在高底水位時，鋼引橋滾輪支座在躉船上的最大位移量約為1.4 m。

樁式鋼浮箱消能設施由橡膠護舷、鋼浮箱及Φ1 600 mm 鋼管樁等構成（如下圖3）。鋼浮箱在兩根鋼管樁的導向下，隨水位漲落與躉船同步上下浮動，利用鋼管樁的彈性變形和橡膠護舷的壓縮變形來吸收船舶靠泊能量，同時也能減少船舶靠泊時的水平變位，有效控制船舶靠泊時躉船上活動鋼引橋支座位移，此種方式躉船的前沿線位置是基本不變的。根據本工程水位差以及鋼引橋等水工建筑物結構初定尺寸，繪制了鋼引橋在躉船上橫向位移示意圖（詳見下圖4）。

圖3 樁式鋼浮箱系留及消能設施斷面圖

圖4 活動鋼引橋活動范圍示意圖（定位樁）

從圖中看出，采用這種消能設施在高低水位時，鋼引橋滾輪支座在躉船上的最大位移量約為2.2 m。

3.2 工藝設計

本碼頭為液體化工碼頭，化工品裝卸采用管道輸送方式，鋼引橋與躉船結合部采用金屬軟管連接，金屬軟管的最小彎曲半徑是有限制的（因管徑不同彎曲半徑也不同）。當船舶靠泊能量較大時，躉船產生較大的位移，會造成鋼引橋與躉船結合部處的金屬軟管過度變形甚至扭曲，一旦出現意外靠泊事故，可能會導致金屬軟管破裂或拉斷，引發管道中的化工品泄露，破壞環境、誘發火災。因此，從工藝使用要求出發，船舶靠泊時以及水位漲落時活動鋼引橋支座在躉船上的位移應盡量小。鋼撐桿消能設施和樁式浮箱效能設施均可有效控制船舶靠泊時活動鋼引橋支座與躉船的相對位移。但本工程水位差較大，隨著水位的漲落，兩種消能方式活動鋼引橋支座在躉船上均有相對位移，從上述兩圖顯示，位移幅度鋼撐桿消能設施比樁式鋼浮箱消能設施要小，反映出鋼撐桿消能設施鋼引橋與躉船結合部的金屬軟管使用中的彎曲變形程度要小一些。因此，從金屬軟管使用變形和作業安全看，鋼撐桿消能設施具有優越性。

4 結構方案

從上述比選可知，采用鋼撐桿消能設施，船舶靠泊時鋼引橋支座在躉船上的位移能得到更有效的控制；水位漲落時，鋼引橋支座與躉船之間的相對位移較小，鋼引橋與躉船結合部的金屬軟管彎曲變形較小，使用安全性好；雖日常管理和維護工作多一些，但難度不大。綜上所述，相比樁式鋼浮箱消能設施，鋼撐桿消能設施具有工藝金屬軟管使用安全性好、工程費用略省等優點，設計推薦武漢80萬t 乙烯項目9#液體化工泊位躉船消能設施采用鋼撐桿消能設施。

4.1 撐桿系統設計

為滿足規范規定的高低水位時鋼撐桿斜度的要求，使鋼撐桿始終處于合理的受力狀態，設計高水位時鋼撐桿斜度不陡于1:6 及設計低水位時不陡于1:4.5，鋼撐桿在水位變化時繞岸端旋轉中心轉動，按照水位與旋轉點之間的關系（如圖5），鋼撐桿長度L 可近似按下式計算：

圖5 鋼撐桿長度計算簡圖

式中：

L— 鋼撐桿長度(m)

Δ— 高低水位差 (m)

由上述公式可看出，在水位差高達30 m 左右的長江三峽大壩以上的上游地區，由于水位差超大，鋼撐桿的長度至少需80 m 左右，撐桿長且自重大，給其制作、運輸安裝等均帶來一定困難，且過長的鋼撐桿也難與活動鋼引橋的長度相匹配適應，此時采用鋼撐桿方案并非最佳，而具體到本工程，工程所在地水位差為17 m，按滿足L≥17/(1/6+1/4.5)計算,取鋼撐桿長度45 m，安裝本工程60 m 跨活動鋼引橋的起重船即可滿足撐桿的吊裝要求。

通常鋼撐桿可采用箱型、圓管型或格構式截面，本碼頭高水位時鋼撐桿大部分受淹，工程所在地水流流速較大，達2 m/s，加之鋼撐桿長度較長，考慮到水流力及阻水因素，設計采用透空的方形格構式結構，四角采用角鋼，通過雙斜交叉綴條連接。鋼撐桿主要受自重及船舶撞擊力或擠靠力、撐桿在撐墩及躉船上移動時摩擦力等作用，按偏心受壓構件計算，鋼撐桿需滿足長細比、強度、整體穩定性等要求，對于格構式結構，尚應滿足單肢穩定性，通過試算結合設計經驗，本工程鋼撐桿斷面尺寸為1.5x1.5 m。為了鋼撐桿的正常使用，需對其進行變形計算，由此建立空間有限元模型（見圖6），根據撓度計算結果，鋼撐桿設置了8 cm 向上預拱度。

圖6 鋼撐桿有限元計算模型

撐桿一端擱置于躉船牛腿上，另一端擱置于撐桿墩臺上。撐桿墩采用高樁墩式結構，按空間墩臺進行計算，其主要承受船舶荷載、水流力等水平荷載，豎向荷載小，每個墩臺布置4 根Φ800 鋼管樁4:1 斜樁，撐桿墩平面尺寸5x5 m，撐桿墩頂面高程可按下式[3]確定：

式中：

H—撐桿墩頂面高程（m）

Hmax— 設計高低水位（m）

Hmin— 設計低水位（m）

為方便墩臺的施工，同時減少撐桿墩臺的淹沒天數，實際取值比上述公式略高，本工程取20.5 m。撐桿墩江側設置擱斗，以滿足高低水位時鋼撐桿擱置及消能設施安放要求，同時與躉船端一樣，均設置錨鏈拉環，以防鋼撐桿意外脫落。

4.2 消能設施設計

根據本工程5 000 t 液體化工品滿載排水量及靠船法向速度V=0.17 m/s 進行橡膠護舷的選型和布置。實際靠泊過程中，與靠泊船舶直接接觸的躉船吸收了相當一部分的船舶撞擊能量，此部分無法計算量化，故設計在護舷選型時未考慮躉船吸能的有利因素，而將此部分作為結構安全儲備，由此根據船舶撞擊能量的計算選定DA-A500H 標準反力型橡膠護舷，護舷分別置于撐墩端與躉船端，其與躉船牛腿及撐桿墩的連接分別詳見圖7、圖8。當船舶靠泊碼頭時，船舶荷載通過躉船傳給躉船牛腿上的DA-A500H 護舷，該護舷即發生壓縮變形，為了增大鋼撐桿與護舷的接觸面，減小壓縮面壓，在護舷壓縮面前端設置了防沖鋼板（圖中件A），件A 沿螺栓隨護舷壓縮方向而移動，從而達到護舷壓縮吸收能量的目的，當變形達到最大55 %時，護舷以最大壓縮變形時的反力通過鋼撐桿傳遞給撐桿另一側的護舷，由此兩個護舷壓縮共同吸收的能量來平衡船舶的有效撞擊能量。

圖7 躉船端消能設施安裝平面示意圖

圖8 撐桿墩端消能設施安裝平面示意圖

4.3 撐桿系統結構方案

在躉船的岸側距躉船上下游端10 m 處各布設一套撐桿式消能設施，兩套撐桿系統相互平行且對稱于躉船中心線。消能設施由鋼撐桿、高樁墩式鋼筋砼撐桿墩等構成。鋼撐桿總長45 m，江岸側各設置2.25 m 長過渡封閉端，采用格構空腹式方形截面，截面尺寸1.5x1.5 m，兩端設置錨鏈分別與躉船和撐桿墩系連。撐桿墩基礎采用φ800 鋼管樁，每座撐桿墩設4 根4:1 斜樁，上部為現澆鋼筋砼實體墩臺。鋼撐桿一端擱置在撐桿墩上，另一端隨水位漲落與躉船同步上下擺動，利用布置在撐桿兩端的DA-A500HL1000 標準反力型橡膠護舷的壓縮變形來吸收船舶靠泊能量，同時也能減少船舶靠泊時的水平變位，以滿足安全靠泊和正常使用要求。本碼頭已投入運營使用多年，運行狀態良好。

5 結論

1）同定位樁+鋼浮箱方案相比，撐桿方案具有水平變位更小、造價更省的優點，對于對變位要求較高的危化品碼頭，更為安全經濟。

2）根據碼頭所在地水位差即可確定鋼撐桿長度，格構式鋼撐桿結構重量輕、阻水影響小，且在構造處理上充分考慮了使用要求，工程投入使用后效果良好。

3）當船舶靠泊躉船時，通過躉船內舷由鋼撐桿、橡膠護舷、高樁撐桿墩臺等組成的撐桿消能系統發揮作用，使得躉船與鋼引橋間的相對位移很小，從而保證了工藝管線的正常使用及碼頭的安全靠泊要求。