海外施工工程船舶氣囊上排牽引系統設計

王 鑫

（中交第四航務工程局有限公司，廣州 510320）

1 前言

目前我司有多艘工程船舶服務于海外航務水運工程，包括打樁船、自航運輸船、絞吸疏浚船、方駁、拖輪等，船組構架及整體施工性能在東非區域水工市場具有核心競爭力。

海外施工工程船需長期在同一地區施工，施工地經濟和工業水平較落后，工程船運回國內或運至發達地區維修，耗時且價格昂貴。結合施工現場特點及成本考慮，采用氣囊上排占用海岸線較少，工程船設備投入簡單，操作容易，安全可靠，工程成本低。

2 氣囊上排牽引系統設計

2.1 氣囊上排工藝原理

船舶利用氣囊上排，其原理如同于滾筒搬運物件，不同的是滾筒為剛性，滾動時為圓周運動，而氣囊為柔性，滾動時為扁圓形，像坦克履帶一樣運動。

船舶上排，在海水低潮位時在船排上放置若干個未充氣的氣囊，高潮位時將船舶駛向氣囊上方，氣囊充氣將船舶頂升，通過上排牽引系統牽引,氣囊滾動使船舶脫離水面移動上排至岸上維修。

船舶上排牽引系統設計至關重要，與上排時間長短、單次行程距離、牽引設備密不可分，直接影響船舶上排的安全性和經濟性。

2.2 氣囊上排牽引系統設計

船舶氣囊上排牽引系統，主要由氣囊、地牛、卷揚機、卷揚機鋼絲繩、滑輪組、牽引鋼絲繩、捆綁鋼絲繩等組成：

（1）船舶氣囊上排牽引系統中，卷揚機型號必須一致，以保證工作同步；

（2）卷揚機鋼絲繩滑輪組變幅繞組的數量越多，其拉力就越小，所需卷揚機拉力和地牛承受拉力變小，相應的單次上排行程減小，會增加更換牽引鋼絲繩的次數（即需要進行多次拉移才能到位），使得工序操作工作繁瑣，上排時間大大增加；反之，滑輪組變幅繞組數量越少，拉力越大，單次上排行程增大，更換牽引鋼絲繩次數減少，卷揚機拉力和地牛承受拉力變大。

以我司某海外施工工程船氣囊上排牽引系統設計為例，該船主要性能參數見表1。

表1 船舶主要性能參數

施工現場設備如下：

（1）2 臺卷揚機，拉力200 kN，卷筒容繩量250 m；

（2）8 個弓形卸扣，SWL 為980 kN；

（3）6 條50 m 鋼絲繩，直徑為Ф56 mm，MBL 為1 830 kN。其中，將4 條用于船舶捆綁，2 條用于牽引；

（4）2 條250 m 鋼絲繩，直徑Ф34 mm，MBL 為675 kN；

（5）2 條8 m 二級有檔錨鏈，直徑Ф42 mm，MBL為703 kN；

（6）2 套滑輪組，型號HQD5-100T，SWL 為980 kN；

（7）20 個氣囊，型號為GB/T 33487-2017 QP3/1.5×22，額定工作壓力為70 kPa,承載力115 kN/m；

（8）船排由上排通道和修船場地組成：陸側為修船場地，長度105 m×寬50 m；海側為上排通道，長度92 m×寬30 m，坡度為1.5°。

上排牽引系統按以上設備設計；先在修船場地靠岸側末端設置地牛，用于安裝卷揚機和預埋定滑輪組固定的錨鏈；然后將定滑輪組用980 kN 卸扣連接至錨鏈上，拉出的卷揚機鋼絲繩通過定動滑輪繞組變幅3倍，其中除去鋼絲繩繞滾筒保留的3 圈所需15 m 和3倍變幅所需15 m，即滑輪組單個行程為（250-15-15）/3≈73 m；根據該船圖紙、船排尺寸、氣囊布置及現場設備布置等參數，用 AutoCAD 放樣，得出船舶牽引至修船場地指定位置為100 m，只需進行2 次行程牽引，用鏟車拉出卷揚機鋼絲繩使動滑輪組鋼絲繩拉出，使鋼絲繩達到50 m 行程，動滑輪端頭拉鉤上連接牽引鋼絲繩一端的琵琶扣，另一端用980 kN 卸扣連接至捆綁鋼絲繩。

氣囊上排牽引系統設備布置示意圖，見圖1 所示。

圖1 上排牽引系統設備布置示意圖

3 氣囊上排牽引系統各設備負荷計算

3.1 卷揚機負荷計算

根據《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》CB/T 3837-2011，氣囊上排移船時系船鋼絲繩承受的最大拉力，按下式計算：

卷揚機鋼絲繩牽引力，按下式計算：

式中：F—船舶上排或下水移船時鋼絲繩最大拉力，（kN）；

Q—船舶上排或下水時的重量，t；

g—重力加速度，m/s2；

α—氣囊承托的船舶在坡道上產生的傾角，°；

μ—氣囊滾動阻力系數，由上排坡道坡度、地面材質、氣囊結構、內壓、擺放等因素確定；

V—移船速度，m/s；

T—卷揚機制動響應時間，s；

Fc—卷揚機鋼絲繩的牽引力，kN；

K—安全系數；

Nc—滑輪組上的鋼絲繩道數；

β—卷揚機牽引鋼絲繩與F 力方向的夾角，一般不大于6°。

上述計算參數值，見表2。

表2 卷揚機負荷計算參數

將表2 參數值代入公式（1）、（2），可得：

上排移船鋼絲繩最大拉力F=490 kN

考慮單邊受力不均衡，取安全系數1.25，則

卷揚機鋼絲繩最大拉力，考慮兩臺卷揚機受力不均衡，取安全系數1.5，則單臺卷揚機鋼絲繩最大牽引力：

根據上述計算結果：采用2 條250 m 鋼絲繩，直徑Ф34 mm，MBL 為675 kN；2 臺卷揚機，拉力200 kN，卷筒容繩量250 m，滿足要求。

3.2 氣囊數量計算

氣囊數量根據（《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》CB/T 3837-2011)計算,氣囊型號為GB/T 33487-2017 QP3/1.5×22，氣囊數量：

式中：

K1—系數，K1≥1.2；

Q—船舶上排或下水時重量，t；

g—重力加速度，m/s2；

Cb—船舶方形系數；

R—每米氣囊允許的承載力，kN/m；

Ld—船舶舯剖面處氣囊囊體與船舶接觸長度，（m）。

代入式（3），可得

實取N ≥4，滿足要求。

必須注意：船舶上排氣囊布置（即氣囊安裝位置）與船舶上排到位之后船舶底部加墩位置要匹配，必須按船舶《布墩圖》留出排墩加墩坐墩位置，確保船舶上排拉到位坐墩之后，保證船舶在船臺修理期間的安全性。

3.3 地牛負荷計算

地牛預埋，在地牛中豎向打入6 根I36a 工字鋼，并在其頂部根據卷揚機公共底座尺寸焊接鋼板（基礎底座），然后在地牛和工字鋼四周植入主鋼筋（Φ16 HRB335）和加勁箍筋（Φ12 HRB335），鋼筋綁扎完成后澆灌C30混凝土；地牛可看為型鋼-鋼筋混凝土柱，受力模式為軸心受拉和受壓兩種情況。

卷揚機牽引力產生的軸心拉力306.82 kN 作用于地牛，主要由6 根工字鋼承擔（鋼板焊接于六根工字鋼頂面，卷揚機底座通過焊接于鋼板與六根工字鋼相連）；地牛為鋼筋混凝土，其容重為25 kN/m3。若不考慮地牛在土層中的側阻力，在抵抗軸心拉力前地牛重量需大于306.82 kN，地牛的尺寸為3.0×3.0×1.5 m，滿足地牛重量要求。

工字鋼材質為Q235，抗拉強度f=215 MPa，型號見表3。

表3 工字鋼型號參數

6 根I36 a 工字鋼截面積為6x76.4 cm2=458.4 cm2，根據《組合結構規范》，型鋼混凝土軸心受拉柱的正截面受承載力強度計算公式：

式中：N—構件軸心拉力設計值；

As、Aa—縱向受力鋼筋或型鋼的截面面積；

fy、f—縱向受力鋼筋或型鋼的抗拉強度設計值。

將各參數代入式（4），可得：

N=306.82 kN <2.01 cm2×4×30 kN/cm2+76.4 cm2×6×21.5 kN/cm2=10 096 kN，滿足要求。

由于卷揚機焊接于與工字鋼相連的鋼板上，軸心拉力306.82 kN 可認為由埋置于混凝土中的6 根I36 a工字鋼分擔，每根工字鋼需分擔51.14 kN,每根所受應力為：

正截面抗拉強度滿足要求。

地牛為工字鋼-鋼筋混凝土組合結構，尺寸為3.0×3.0×1.5 m，埋入深度1.5 m，以下對受拉鋼筋錨固長度、工字鋼埋入深度進行復核，假設型鋼混凝土受力由型鋼混凝土中的鋼筋承擔，采用HRB335 鋼筋，公稱直徑取16 mm，公稱截面積2.01 cm2，抗拉強度設計值300 MPa，每根鋼筋能承受軸心拉力為60.3 kN，需配置5 根鋼筋，考慮縱筋布置最小和最大間距要求，擬配置10 根縱向受拉鋼筋。

在型鋼和鋼筋混凝土組合結構中，為保證混凝土、型鋼、鋼筋三者協同工作配置箍筋。取箍筋公稱直徑12 mm，彎鉤段平直段長度取10×12 mm=120 mm。

縱向鋼筋錨固長度，應滿足（《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010）：

式中：lab—受拉鋼筋基本錨固長度；

ft—混凝土軸心抗拉強度設計值；

Fy—普通鋼筋抗拉強度設計值；

d—錨固鋼筋的直徑；

a—鋼筋外形系數，取0.14。

地牛混凝土C30，軸心抗拉強度設計值為1.43 MPa，受拉鋼筋型號為HRB 335，抗拉強度設計值為300 MPa，鋼筋公稱直徑16 mm，可得：

lab=470 mm

為了保證型鋼的抗剪強度能滿足使用要求，根據《組合結構設計規范》(JGJ 138-2016)計算埋深：

式中：hB—型鋼混凝土埋置深度；

M—埋入式柱腳最大組合彎矩；

bv—型鋼混凝土垂直于計算彎曲平面方向的箍筋邊長；

fc—混凝土抗壓強度設計值。

卷揚機最大高度1.4 m，地牛深度1.5 m，產生最大彎矩為：

M=306.82 kN×（1.5+1.4）m=889.778 kN·m

工字鋼-鋼筋混凝土組合結構截面寬度為3 m，保護層厚度0.03 m，截面寬度減去兩側保護層厚度，即為箍筋邊長。

實取工字鋼埋入深度1.5 m，工字鋼-鋼筋混凝土組合結構尺寸3.0×3.0×1.5 m，滿足要求。

3.4 定滑輪掛點受力計算

在每個卷揚機地牛中埋入兩條Φ42 mm 二級有檔錨鏈MBL:703 kN，則兩根對折使用的錨鏈的許用負荷為：

F單=306.82 kN <703×2=1 406 kN

安全系數為4.58，滿足要求。

3.5 鋼絲繩、卸扣、滑輪組負荷計算

3.5.1 鋼絲繩校核

1）卷揚機鋼絲繩為Ф34 mm，MBL：675 kN，卷揚機牽引力為:

FC=102.27 kN <675 kN

安全系數為6.60，滿足要求。

2）捆船鋼絲繩Ф56 mm，MBL：1 830 kN，捆船鋼絲繩受拉力為：

F1=F單=306.82 kN <1 830 kN

安全系數5.96，滿足要求。

3.5.2 卸扣校核

卸扣為弓形，SWL：980 kN，連接捆船鋼絲繩及動滑輪組，受拉力為：

F2=F單=306.82 kN <980 kN

安全系數3.19，滿足要求。

3.5.3 滑輪組校核

滑輪組型號HQD5-100 T，SWL：980 kN，滑輪組受力為：

F3=F單=306.82 kN <980 kN

安全系數3.19，滿足要求。

4 結束語

本牽引系統設計是船舶氣囊上排能否具有可靠性、安全性、可操作性、適用性、經濟性的關鍵，合理的上排牽引系統設計是保證安全、順利實現氣囊上排工藝的前提。此工程實例在研究我司船舶氣囊上排工藝的基礎上，結合以往成功經驗，從安全、效率、成本、施工周期等方面優化作業方法，解決了我司實施安全可靠船舶修理及船舶檢驗換證的問題，供類似船舶上排修理提供參考。