重型模塊總裝船臺地基基礎承載力研究

朱波波

(啟東中遠海運海洋工程有限公司,江蘇 啟東 226200)

0 引言

天然氣處理模塊通常采用模塊化方法建造,數十個模塊并行建造完工后通過重型運輸船將其運送到氣田集成。隨著氣田產能不斷提高,模塊重量越來越大,模塊單體重量已超過萬噸,最大柱腳載荷高達15 354 kN。為防止模塊總裝船臺地基下沉,引起建造精度失控和模塊傾覆風險,總裝船臺地基基礎承載力研究成為建造可行性分析的首要問題。

本文以某天然氣模塊建造船臺地基為研究對象,對模塊總裝柱腳力的分載方法進行研究,并對地基承載能力和沉降量進行分析計算和校核。

1 天然氣處理模塊簡介

某天然氣處理模塊長55.0 m,寬39.5 m,高41.0 m,單體重量10 785 t;共4層甲板,層高12 m;甲板采用工字梁桁架結構,立柱采用聯排管柱結構。模塊下方設計12只柱腳,整個模塊重量全部由柱腳支撐,見圖1。模塊總裝完工后,使用軸線車(SPMT)將其滾裝到重型運輸船上并坐墩。運輸船將模塊運輸到氣田,使用SPMT滾卸到安裝位置,并與其他16個模塊集成。

2 柱腳分載方法研究

模塊柱腳在縱軸A、B、C、D與橫軸b、d、g交匯處,天然氣處理模塊總重量由這12只柱腳支撐。通過有限元計算軟件(SACS)建立該模塊模型并計算出柱腳載荷,見表1。從表中可知,最大柱腳載荷為15 354 kN、最小柱腳載荷為6 622 kN、平均柱腳載荷為9 226 kN。船臺設計承載能力為100 kN/m2,按照此設計要求,單個柱腳需要分散在12 m見方的區域。柱腳之間需要預留軸線車的布置空間,需壓縮柱腳分載區域。

A～D—縱向定位軸線;a～g—橫向定位軸線。

表1 模塊柱腳載荷 單位：kN

經研討,設計大剛度分載梁跨2列摩擦樁,通過柱角墊塊和分載梁將柱角點載荷分散傳遞到船臺樁基上,解決柱腳載荷對船臺樁基上方梁板結構的破壞[1-3],見圖2。

a～g—橫向定位軸線。

2.1 大剛度分載梁設計

大剛度分載梁采用箱型梁結構,梁高1.40 m,梁寬5.53 m,其寬度方向跨2列樁,長度方向覆蓋4排樁。單個柱腳下方的分載梁至少覆蓋8根船臺樁,通過分載梁將柱腳載荷傳遞到船臺樁位上。

分載梁截面幾何參數如下：高度1 400 mm,截面寬度5 530 mm,腹板等效厚度115 mm,上翼緣厚度30 mm,下翼緣厚度30 mm,上翼自由長度485 mm,下翼自由長度485 mm。

2.2 大剛度分載梁強度校核

分載梁截面材料為Q345,其力學參數如下：

形心距分載梁截面左邊325 cm,形心距分載梁截面下邊70 cm,截面面積6 982 cm2;x向剪切面積3 609 cm2,y向剪切面積3 220 cm2;x軸截面慣性矩2.291 44×107cm4,y軸截面慣性矩3.632 74×108cm4,截面抗扭慣性矩5.720 66×107cm4,xy軸截面慣性矩0 cm4;x軸截面抵抗矩327 349 cm3,x軸最大截面抵抗矩327 349 cm3,y軸截面抵抗矩1.117 77×106cm3,y軸最大截面抵抗矩1.117 77×106cm3;x軸回轉半徑57.28 cm,y軸回轉半徑228.10 cm;u軸截面慣性矩2.291 44×107cm4,u軸回轉半徑57.28 cm;x軸截面面積矩185 199 cm3;y軸截面面積矩734 101 cm3;u軸與y軸夾角正切值為0。

抗彎強度σ按下面公式核算：

式中：Mmax為最大彎矩,Mmax=1.46×1010N·mm;r為截面塑形發展系數,r=1.05;W為凈界面模量,W=3.27×108mm3。

經計算,σ=42.6 MPa。小于許用彎曲應力248 MPa,符合規范要求。

抗剪強度τ按下面公式核算：

式中：V為沿腹板平面作用剪力,V=5.6×106N;S為截面對中和軸的面積矩,S=1.85×108mm3;I為界面慣性矩,I=2.29×1011mm4;tw為腹板厚度,tw=90 mm。

經計算,τ=50.2 MPa,小于許用抗剪應力142.0 MPa,符合規范要求。

分載梁局部強度和變形量使用有限元計算軟件(ANSYS)計算,最大組合應力為241 MPa,最大變形量為4.6 mm,均滿足要求[4],見圖3、圖4。

圖3 分載梁應力云圖(單位：MPa)

圖4 分載梁變形云圖(單位：mm)

3 樁基承載力和沉降量分析

采用有限元軟件(PKPM)模擬大剛度分載梁和船臺樁基,計算得出船臺樁基反力和位移,見表2。

表2 船臺樁反力和位移

3.1 船臺樁反力計算

《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)規定：平均樁反力Nk≤設計樁反力R, 最大樁反力Nk,max≤1.2R[5]。有限元計算結果顯示：R=3 000 kN,Nk=1 875 kN,Nk,max=2 880 kN。因此Nk

3.2 船臺樁位移計算

根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)要求,建筑基礎平均沉降量允許值為200 mm,相鄰柱基的沉差允許值為0.002L(L為相鄰柱基的中心距離)。計算結果顯示：船臺樁最大沉降梁為14.4 mm,相鄰樁下沉差2.9 mm。船臺樁位移滿足規范要求。

4 結論

(1)大剛度分載梁可將模塊柱角集中載荷有效分散到船臺樁位上,規避對船臺面板的破壞,實現了重型模塊在普通水平船臺上建造,為類似重型模塊建造提供有益借鑒。

(2)通過大剛度分載梁分散集中載荷,樁基支反力和下沉量可以控制在設計范圍內,模塊建造精度可控。

(3)在模塊建造過程中持續監控柱角位置下沉量,若柱角下沉不均勻且超過模塊建造精度要求,需調整模塊設備安裝順序,均衡模塊上部載荷。