大型預制構件運輸船舶的應用及發展方向

潘愛旺

摘要 隨著工程技術的不斷創新和突破，對工程船舶的要求也不斷提高，如何選用合適的工程船舶并確保船舶安全高效值得深入探索。文章通過有限元計算及各類信息系統的分析，從安全、工效等方面對運輸船的選型應用進行了全面論證，打破了以往傳統拖帶船組運輸構件的方式，可為今后工程技術突破、海上高大橋梁構件的裝載運輸提供相關依據。

關鍵詞 甲板貨船；結構強度及穩性；通航；限制；效率

中圖分類號 U692.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0183-03

0 引言

工程船舶在工程建設中發揮著重要作用，然而隨著工程技術的發展，對工程船舶的要求也發生了變化。特別是各種大型預制構件，更是對運輸船舶的性能提出了更高要求。接下來將集合具體工程實踐，就大型預制構件運輸船舶的應用及發展方向進行探討。

1 工程概況

寧波舟山港主通道工程（舟岱大橋）是滬舟甬北向大通道的一期工程。工程地處浙江東北部灰鱉洋海域，海域風力常年5～6級，每年7月至10月份為臺風期，11月至次年1月為寒潮季風期，對船舶航行安全影響較大。寧波舟山港主通道主線全長27.969 km，跨海橋梁長度為17.355 km。非通航孔箱梁為單箱單室斜腹板預應力混凝土箱梁，共370片。預制梁長70 m，頂板寬12.55 m，底板寬5.5 m，箱梁中心線處梁高4.0 m。標準70 m中跨預制梁段自重為1 829.1 t、邊跨預制梁段自重為1 852.8 t。箱梁運輸裝載方式為箱梁兩端放于船舶支撐墊梁上，支撐墊梁間距為66.2 m，船舶集中荷載較為明顯。

2 大型預制構件運輸船舶類型比選

2.1 甲板貨駁

優點：設備簡單（不設貨艙、在甲板上堆裝貨物）、吃水淺、載貨量大、船體結構強度相對較大。

缺點：無自航能力，需拖輪拖帶，航行受到一定限制。

2.2 甲板貨船

優點：自航，無須拖輪拖帶，運輸安全性高，航行受限條件少。

缺點：船舶資源相對較少，錨泊系統的錨泊能力差，船體較同噸位甲板貨駁的結構強度弱。

2.3 運架一體船

優點：專用船舶，投入船數量少，減小船舶管理難度。

缺點：船舶尺寸大（寬度＞34 m），對出運碼頭等級有特定要求；（小天鵝，天一號）固定臂架，橋梁通航高度受限，作業水域受限。

綜合上述條件，甲板貨駁與甲板貨船的通用性更強，但無動力甲板貨駁拖帶作業的風險因素較多，作業效率也相對較低，自航的甲板貨船綜合性價比更高。

3 甲板貨船在大件運輸中的優勢

3.1 船舶結構強度日益完善，適應構件體積大、集中載荷大等條件

由于混凝土預制箱梁裝載的特殊性，船舶在裝載后船體與墊梁接觸處會受到較大的集中荷載，船中部會受到較大的上拱力。為了確保船舶在裝載及航行工況下的自身結構安全，需對船舶進行以下驗算：

船體總強度計算：計算旨在校核單片箱梁裝載工況下，船體結構的總強度是否滿足《國內航行海船建造規范》。計算僅考慮總縱彎曲引起的船體總縱強度，不考慮局部集中應力[1]。

船體局部強度有限元計算：計算旨在校核單片箱梁裝載工況下，船體局部結構的強度是否滿足《國內航行海船建造規范》，包括甲板上設置的墊梁及船體局部加強結構的驗算。

船舶運載穩性計算：計算旨在校核單片箱梁裝載工況下的完整穩性以及相應裝載下的靜水彎矩和靜水剪力值。

船舶耐波性驗算：計算旨在評估船體總體運動性能，并確定船舶可作業的工況（風級、波浪）。

3.2 驗算案例

3.2.1 甲板貨駁（以“廣新駁01”為例）

廣新駁01主尺寸：總長84.14 m、型寬22.2 m、型深6.35 m、設計吃水4.6 m。

（1）船舶總強度計算。該有限元總強度計算僅考慮總縱彎曲引起的船體總縱強度；不考慮局部集中應力，以及局部加強方法。使用時應確保對該船的使用不超過該計算中使用的風浪等級（波長84.14 m、波高5.21 m、風力蒲福7～8級）、結構腐蝕余量（≤2 mm）。船體結構主要包括：主甲板、甲板縱骨、底部外板、底部縱骨、舷側外板、舷側縱骨、縱艙壁、橫艙壁、支柱、縱桁及強橫梁。該模型為全船模型，對于指定裝載方式建立模型如圖1所示：

裝載工況：運梁的單片梁重為1 856 t，共裝載1片。

通過有限元計算分析，該裝載方式滿足強度要求。全船總縱應力未超出許用標準，甲板、外板滿足屈曲要求；應力最大值約203 N/mm2，接近許用臨界值211.5 N/mm2，位于機艙的縱、橫艙壁，此處縱壁剪應力屈曲也接近許用極限。主要原因為縱向結構不連續（艉部縱壁在機艙后端壁中段）。

措施：考慮增加局部縱壁、大肘板過度等局部加強方案。

（2）船舶局部強度計算。經有限元計算分析，局部加強后的船體結構強度滿足強度要求。

（3）船舶穩性計算。在穩性計算中，箱梁墊梁高度約4 m，重量約33 t；箱梁高4.5 m，重量為1 856 t；相應的重心高度假定為高度的1/2。

從圖2可知，從穩性角度，該船舶可以滿足運載箱梁的要求。單次運載箱梁時，不應超過上述計算假定的穩性輸入條件。

（4）耐波性運動計算。采用NAPA、HYDROSTER和MATLAB軟件及其各自二次開發的接口程序組成的NHM軟件集成系統，預報該船作業工況的耐波性運動幅值。

計算工況：計算波浪圓頻率取0.01～2.0 rad/s，間隔為0.05 s，共40個；計算浪向共13個，0 °～180 °，間隔為15 °；波浪條件取8個有義波高：0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m；波浪周期為5～14 s，間隔為1 s。

八級風對應的有義波高在4 m左右，設該船作業工況橫搖十一幅值控制在6.5 °以內，縱搖控制在4.5 °以內。對于有義波高2 m及以內，該船兩個工況的全浪向及5～14 s波浪周期范圍內均可作業。

3.2.2 甲板貨船（以“奧海大件”為例）

“奧海大件”主尺寸：船長84 m、船寬19 m、型深4.5 m、結構吃水3.4 m。

（1）船舶總強度計算。運載工況及計算工況與甲板駁船一致的情況下，船體結構局部加強后，該運載工況下滿足強度要求。

全船總縱應力滿足許用標準；應力最大值約301 N/mm2，在許用臨界值319.5 N/mm2以內，位于中縱局部艙壁；縱壁、外板滿足屈曲要求。

（2）船舶局部強度計算。應力最大位置如圖3所示，位于橫艙壁垂直桁頂部，該部位結構修改為AH36高強度鋼材后，應力滿足規范要求。

（3）船舶穩性計算。在穩性計算中，箱梁墊梁高度約4 m，重量約33 t；箱梁高4.5 m，重量為1 856 t；相應的重心高度假定為高度的1/2。

由該運載箱梁穩性計算可知，從穩性角度，該船舶可以滿足運載箱梁的要求。單次運載箱梁時，不應超過上述計算假定的穩性輸入條件。

3.2.3 通航航行安全風險評估

舟岱大橋箱梁海上運輸距離達22 nm，需穿越金塘大橋通航孔、跨越西堠門和桃夭門兩個航道；架設岱山側箱梁時還需跨越在建橋梁的南通航孔、主通航孔和北通航孔三個航道；航線涉及寧波和舟山兩個海事局、三個海事處、一個海巡支隊和一個海事大隊；金塘大橋北口即為開闊水域，且船舶屬于橫水航行，水流及涌浪沖擊較大。無論運輸還是架設均對航行安全、管控風險和技術管理都是前所未有的挑戰。

甲板貨駁屬于拖帶船組，船組拖帶長度達200 m，通航限制條件較多。海事部門對拖帶船組拖航提出明確要求：要求48 h良好天氣預報及蒲氏風力不大于7級、能見度在1 nm以上；嚴禁夜航，且僅允許順流時段通過金塘大橋，并需增配全旋回守護拖輪、配備備用應急纜繩。

甲板貨船屬于自航船舶，通航條件較為寬松，除蒲氏風力大于8級或海事發布禁航通告的情況下嚴禁航行外，其他環境下均可通航，航行風險相對較低。

4 甲板貨駁及甲板貨船在施工中的應用

4.1 進出港階段

最初施工選用了一艘3 600 hp常規拖輪，負責甲板貨駁的進出港及拖帶作業。由于出海碼頭與潮流呈垂直方向，船舶進出港時受水流沖擊較大，船舶操控性極差。即使進出港都選擇接近平潮時段，但每次進出港操作都十分困難，且險象環生；吸取經驗后配備一艘全旋回拖輪，負責甲板貨駁的進出港及拖帶護航，解決了此問題。

4.2 拖航階段

正常施工過程中，在具備通航條件下，基本每天一個航次或三天兩個航次。但每個月要面臨兩個周期的大潮汛，潮流流速達到3～4節/秒，拖帶阻力對拖帶纜繩造成巨大挑戰。拖帶期間出現過數次纜繩崩斷的情況，此時護航拖輪就發揮了重要作用，其通過立即啟動應急預案、傍拖編隊控制運輸船，從而防止船舶失控。

4.3 錨泊、離泊階段

根據舟山海域漲落潮的流速規律，一般是漲潮流速大于落潮流速，故大型浮吊船和運輸船均在橋軸線的上游側定位待架。另外，運輸船從出海碼頭起航時段一般為平潮時段，航行至待架橋區一般需要3～5 h，而運輸船的定位應選擇在漲潮時段拋錨定位。為了減小潮流對船舶定位及架設的影響，一般選擇在接近高平潮前完成運輸船定位、浮吊船移位、構件吊點對位、起吊、架設、運輸船起錨拖離全過程。每天兩漲兩落的潮汐變化是固定的，架設條件也是限定的，故施工效率必然降低，加之海上惡劣天氣的影響，導致施工計劃步步滯后。

由于施工工期的不斷滯后，以及海事部門對拖帶船組嚴格的風險管控要求，施工到中期階段，需增配一艘甲板貨船負責箱梁運輸作業。固然出海碼頭的客觀條件限制，甲板貨船的出海時間無法擺脫接近平潮時段出港，但甲板貨船并沒有禁止夜航的限制條件，通過組織專班負責船舶的進出港報備、查驗、簽證手續等，確保在夜間平潮時段可以正常出海，可以實現兩天三個航次甚至一天兩個航次的目標，使得運輸效率得到顯著提升[2]。使用甲板貨船也必然要面對定位的問題，甲板貨船的錨泊能力不足以在重載情況下實現橫水定位，則需要一艘定位駁船提前定位在待架水域，在其全旋回拖輪的輔助下將甲板貨船靠泊在定位船旁。由此可見，使用甲板貨船并不能減少駁船和拖輪的配備，成本將會成倍增加；但施工效率得以提高，既縮短了施工工期，減少了其他船機設備、人員的時間成本，同時也降低了施工過程中的安全風險，總體方案仍優于拖帶船組方案。

5 結論

通過船舶總強度和局部強度的有限元計算、穩性計算等相關專業驗算，驗證了自航式運輸船的裝載能力可以滿足建筑工程領域特殊裝載工況構件的運輸要求，在工效、安全性、經濟性方面也具有一定的優越性。甲板貨船的投入解決了海上運輸限制多、工效低、安全風險高的難題。該項目通過甲板貨船的投入，挽回工期約5個月，2 600 t起重船、拖輪等各類船機設備使用周期縮短，節約船機成本約2 000萬元。隨著風電項目的興起，大型構件及特殊裝載工況的運輸將越來越多，船舶設計也將針對特殊工況進行不斷完善，以滿足各類裝載運輸工況的要求。橋梁行業在不斷技術革新，橋梁設計者還將設計出80 m、90 m甚至更大跨度、更重的梁體結構，這就需要依靠更加先進的船機設備為工程建設保駕護航，實現工程的安全、優質、高效。

參考文獻

[1]王亞梅. 國內航行入級海船及其規范體系發展分析[J]. 船舶與海洋工程， 2013（1）： 50-53.

[2]交通運輸部. 中華人民共和國水上水下活動通航安全管理規定[EB/OL]. https： //www. gov. cn/gongbao/content/2011/content_1918923. htm， 2011-01-27/2011-03-01.