臨港海洋重工建造基地組塊滑道結構計算方法

李　梅，高萬國

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222）

臨港海洋重工建造基地組塊滑道結構計算方法

李梅，高萬國

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222）

臨港海洋重工建造基地大多采用滑道作為海工產(chǎn)品的出運平臺。海工產(chǎn)品的自重和滑道結構斷面均較大，在滑道結構計算中存在水平摩擦力的處理和計算模型的選取兩個難題。通過對組塊出運過程的受力分析及采用相應結構縫的處理措施，排除了摩擦力對結構的不利影響；通過對比分析剛性樁臺和柔性樁臺的計算思路和結果，給出了合理的結構計算方法，可為類似工程提供參考。

海洋重工基地；海工產(chǎn)品；組塊滑道；水平摩擦力；計算模型

隨著深海油氣資源開發(fā)和開采業(yè)務的蓬勃發(fā)展，需要建設越來越多的海工產(chǎn)品出運滑道作為組塊或其他重件的運輸平臺。由于海工產(chǎn)品的自重很大，出運時會對滑道結構產(chǎn)生很大的荷載，因此，分析滑道結構的真實受力狀況和受力特征，保證滑道結構的安全和正常使用，是保證海工產(chǎn)品安全出運的必要條件。

1　工程概述

本項目位于天津臨港工業(yè)區(qū)內港池西側，岸線總長400 m。分別建造3 000 t和6 000 t組塊出運滑道各2條。其中3 000 t滑道長264 m，6 000 t滑道長260 m?；纼蓚葓龅乜梢詽M足組塊預制組裝的要求，碼頭前方水域也可滿足組塊裝船時駁船的停泊要求。現(xiàn)以6 000 t組塊出運為例進行分析。

6 000 t組塊出運時滑道荷載：組塊壓力為728.8 kN/m（包括組塊重力和滑靴重力）；摩擦力：偏于保守考慮采用靜摩擦系數(shù)0.2，因此摩擦力為145.76 kN/m，立面見圖1。

滑道共分5部分，從海側到陸側分別為出運墩臺段、水域段、過渡段水域部分、過渡段陸域部分及陸域段。滑道梁高1.8m，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁，滑道梁下不做樁帽，直接澆筑在樁基上，滑道梁在陸域段及過渡段陸域部分寬8 m。為了適應軸線車出運小型組塊的需要，在2條滑道的過渡段水域部分及水域段向內擴寬至12 m。除出運墩臺外，滑道梁下樁基均為直樁。

圖1　 6000 t滑道立面圖Fig.1 Ver ticalview of 6 000 t slipw ay

2　設計中存在的難題

由于組塊自重大，出運過程必然會對滑道產(chǎn)生很大的摩擦力，而樁基本身承受水平力的能力很差，特別是水域段樁基，均為直樁且自由長度較長，抗水平力能力更差。曾考慮布置斜樁的辦法，但斜樁與出運墩臺的斜樁及過渡段的灌注樁有發(fā)生碰樁現(xiàn)象；也曾考慮采用灌注樁，但水上進行灌注樁施工困難，費用高。因此需要解決如何處理水平力的問題。

滑道梁高1.8m，可將滑道梁視為剛體，按高樁墩臺結構進行計算[1-3]。但由于滑道平面尺度很大，同時組塊壓力很大，橫向局部應力集中現(xiàn)象嚴重，把滑道梁看成是完全剛性體又不是很準確，因此需要對計算模型進行探討。

3　關于水平力的處理

處理水平力問題，首先需明確在組塊出運及回拖等各個過程中，組塊、滑道、駁船的水平向受力情況[4]。

3.1組塊出運過程

1）建造完成的組塊通過滑靴坐落在滑道上。

2）利用滑道前沿的地錨和陸上的前拖絞車系統(tǒng)將組塊拉至滑道前沿。

3）待駁船就位后通過駁船上的卷揚系統(tǒng)將組塊牽引至駁船上。

4）在組塊上駁船過程中出現(xiàn)某些狀況，需用陸上后拖絞車系統(tǒng)將組塊拉回滑道。

3.2出運過程組塊、滑道和駁船水平向受力分析

1）用滑道前沿的地錨和前拖絞車將組塊拉至滑道前沿，受力情況見圖2。

圖2　受力圖1Fig.2 Force diagram 1

組塊在滑道上勻速滑動時，F(xiàn)摩擦=F拉；滑道在水平方向受力F=F摩擦-F拉=0。

2）通過駁船上的卷揚系統(tǒng)將組塊牽引至駁船上，受力情況見圖3。

組塊在滑道和駁船上勻速滑動時，F(xiàn)拉=F摩擦滑道+ F摩擦船；駁船靜止時，F(xiàn)拉=F頂推+F摩擦船，所以F摩擦滑道=F頂推，滑道在水平方向受力F=F摩擦滑道-F頂推=0。

3）陸上后拖絞車系統(tǒng)將組塊拉回滑道，受力情況見圖4。

組塊在滑道和駁船上勻速滑動時，F(xiàn)拉=F摩擦滑道+ F摩擦船；駁船靜止時，F(xiàn)頂推=F摩擦船，所以F拉= F摩擦滑道+F頂推，滑道在水平向受力F=F拉-F摩擦滑道-F頂推=0。

圖3　受力圖2Fig.3 Force diagram 2

圖4　受力圖3Fig.4 Force diagram 3

從上述受力分析可以看出，無論是在滑塊的出運過程還是回拖過程中，滑道所受的水平力值都是相互抵消的，僅存在摩擦力對滑道中性軸的彎矩。這樣就排除了巨大摩擦力對結構設計的干擾。

4　計算模型探討

由于滑道梁高1.8m，以往設計中均將其視為剛體，按高樁墩臺結構進行計算。但由于滑道的平面尺度很大，水域段梁的寬高比達6.7，同時組塊壓力很大，橫向容易產(chǎn)生局部應力集中現(xiàn)象，滑道結構又不能完全看成是墩臺結構，因此考慮將滑道梁看成薄板結構，按照柔性樁臺結構進行計算，且和高樁墩臺結構計算結果進行對比分析。對于高樁墩臺計算在此不再贅述，下面僅介紹柔性樁臺的計算。

采用彈性嵌固法進行計算：滑道梁用板單元進行模擬，樁基用梁單元進行模擬，樁的長度取嵌固點以上至板中心的長度；樁底除豎向外其他方向自由度均為0，豎向用彈簧單元來模擬彈性支撐，模型見圖5。

圖5　計算模型Fig.5 Com putingm odel

為了適應不同尺度組塊的出運要求，滑道上鋼板寬6 m，寬度方向上滑靴放置范圍為滑道中心線兩側2.5m，因此進行了2種工況的計算：

工況1：自重+組塊壓力+摩擦力對板中心的彎矩。

工況2：自重+組塊偏壓（偏移中心2.5 m）+偏移摩擦力對板中心的彎矩（偏移中心2.5m）。

以1 m步長移動控制荷載，搜索滑道結構各構件在整個滑移過程中的最大內力。

通過增大板單元彈性模量至3.15×1015，來增大板單元剛度，使其接近于剛性體，再進行計算。然后將上述2種情況的計算結果與高樁墩臺結構的計算結果進行對比，典型區(qū)段計算結果統(tǒng)計見表1。

表1　φ1 000鉆孔灌注樁過渡段計算結果統(tǒng)計表Tab le1 Summary of calculated resultsofφ1 000 cast-in-p lace piles in transition section

從表1可以看出按剛性墩臺結構進行計算的樁基軸力值和樁頂彎矩值都比按柔性樁臺結構進行計算的值偏小，當滑靴偏離滑道梁中心線時兩者的差別更大；但當板單元的剛度增到很大的數(shù)量級時，板單元接近于剛性體，按柔性墩臺結構計算的結果都非常接近于剛性墩臺的計算結果。

這主要是由于滑道梁本身的剛度不能達到剛性體的程度，在荷載很大的情況下，滑道梁不能將荷載均勻地分配到樁上，引起局部樁基受力過大。因此，按高樁墩臺模型進行計算不能完全反映滑道結構實際受力情況且是偏于不安全的；采用柔性樁臺模型進行滑道結構計算是比較合理的，它可以充分反映出滑道梁和樁基之間的相對剛度對內力的影響。

5　結構縫處理

為防止滑道產(chǎn)生過大的不均勻沉降影響組塊的出運，設計中滑道結構縫間采用榫槽進行連接，榫槽內填充瀝青木絲板。同時，為了保證滑道各結構段間形成一個整體，避免組塊出運過程中滑道結構變位的累加效應對樁基產(chǎn)生不利影響。設計中采取了以下措施：將20 mm厚6 m寬的滑道鋼板與滑道梁內預埋的7條工字鋼進行焊接，滑道鋼板從陸域段一直鋪設到出運墩臺段，跨過每個結構縫，使滑道結構段間永遠處于護頂狀態(tài)，形成一個良好的整體，避免了變位對樁基的不利影響。

6　結論與建議

隨著我國海洋石油產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，采油平臺組塊結構越來越向大型化發(fā)展?；澜Y構的計算模式不能照搬以往小型滑道的計算模式，本文提供的計算思路為類似工程提供了可以借鑒的工程經(jīng)驗：

1）滑道結構是一種介于墩臺和板之間的結構。在荷載非常大，滑道平面尺度也較大的情況下，按照高樁墩臺結構進行計算是不夠安全的。因此，在計算中應充分考慮滑道梁和樁基之間的相對剛度及荷載情況，使荷載與結構相互匹配，以保證滑道計算模式的合理性。

2）設計中認真分析了組塊拖運的操作工藝，發(fā)現(xiàn)無論是在組塊的出運過程還是回拖過程中，滑道水平方向的合力都為0，構成一個平衡的受力系統(tǒng)，排除巨大摩擦力對結構設計的干擾，明確了結構的受力情況。

3）為了維持這種水平受力平衡狀態(tài)，設計中采取了一定的構造措施，以保證滑道結構的整體性；同時在組塊出運過程中，不宜有突啟或突止的情況發(fā)生，應確保組塊操作的各個過程緩慢、平穩(wěn)、安全。

4）滑靴偏離滑道梁中心線時為滑道設計的最不利工況，計算中應充分考慮這一工況，嚴禁滑靴偏離中心線超過設計限值。

[1]JTS 167-1—2010，高樁碼頭設計與施工規(guī)范[S]. JTS 167-1—2010,Design and construction code for open type wharfon piles[S].

[2]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].

[3]JTS 151—2011，水運工程混凝土結構設計規(guī)范[S]. JTS 151—2011,Design code for concrete structures of port and waterway engineering[S].

[4]雷鵬，謝長文.海工產(chǎn)品拖拉滑移裝置設計[J].中國港灣建設，2015，35（1）：43-46. LEIPeng,XIEChang-wen.Design of dragging and slipping device for marine products[J].China Harbour Engineering,2015,35(1): 43-46.

M ethod for structural calculations of block slipways for heavy industry base in harbor areas

LIMei,GAOWan-guo
（CCCCFirstHarbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Slipways are often taken as shipment base formarine products from heavy industry base in harbor areas.As the huge deadweightofmarine productsand the large crosssection ofa slipway,there are two problems in calculating the structure of slipway.The first is how to handle the horizontal friction and the second one is how to set up a proper computingmodel.By force analysis of shipment process and taking constructionalmeasures,adverse effectof friction force has been eliminated.By comparing the calculation concept and the results of rigid and flexible pile capping,a proper computingmethod is proposed, which are references for similar projects.

ocean heavy industry base;marine products;block slipway;horizontal friction;computingmodel

U673.32

A

2095-7874（2016）06-0015-04

10.7640/zggw js201606004

2016-01-27

2016-03-21

李梅（1983—），女，吉林蛟河人，碩士，工程師，港口海岸及近海工程專業(yè)，主要從事水工結構設計工作。E-mail：limei@fdine.net