大型預(yù)制墩臺(tái)滾裝運(yùn)輸關(guān)鍵問(wèn)題研究

黃建富，李斌，陳儒發(fā)，李大勇，范云

（1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.江蘇泛洲船務(wù)有限公司，江蘇 南京 210009；3.中國(guó)船級(jí)社廣州分社，廣東 廣州 510235 ）

大型預(yù)制墩臺(tái)滾裝運(yùn)輸關(guān)鍵問(wèn)題研究

黃建富1，李斌1，陳儒發(fā)1，李大勇2，范云3

（1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.江蘇泛洲船務(wù)有限公司，江蘇 南京 210009；3.中國(guó)船級(jí)社廣州分社，廣東 廣州 510235 ）

港珠澳大橋某標(biāo)段大型預(yù)制墩臺(tái)船舶運(yùn)輸采用滾裝法上船，依據(jù)港珠澳大橋設(shè)計(jì)資料和海洋施工環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)大型預(yù)制墩臺(tái)運(yùn)輸船舶運(yùn)用的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，提出合理的滾裝碼頭設(shè)計(jì)、船體加固、船舶穩(wěn)性核算方法和拖航方式，為大型預(yù)制墩臺(tái)順利運(yùn)輸提供保障。

港珠澳大橋；預(yù)制墩臺(tái)；滾裝；坐底；船舶運(yùn)輸

港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的超級(jí)跨海通道，為降低海洋環(huán)境施工難度，保障施工質(zhì)量，采用裝配化設(shè)計(jì)和施工理念。大部分橋梁結(jié)構(gòu)部件在陸地上預(yù)制加工，然后通過(guò)船舶運(yùn)輸至施工地裝配連接。因此，大批量大噸位的橋梁結(jié)構(gòu)部件運(yùn)輸成為港珠澳大橋施工建設(shè)非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。選擇合適的運(yùn)輸方式，對(duì)橋梁的施工建設(shè)有著重要意義。

1 方案比選

港珠澳大橋某標(biāo)段預(yù)制墩臺(tái)71件，其中整體式墩身承臺(tái)55件，墩身16件。墩臺(tái)構(gòu)件高度18.25～26.65m；最大重量2794t。墩身構(gòu)件高度7.55～15.7m；最大重量2064t。

固體貨物裝船一般分垂直裝船法和水平裝船法。垂直裝船通常指包括各種起重設(shè)備的起吊裝船，此方法需要大型起重設(shè)備和建設(shè)承載大型設(shè)備及貨物重量的裝卸碼頭，具有投資大，裝卸貨物效率偏低，并需要使用配套索具，受潮汐影響小等特點(diǎn)。水平裝船法通常指滾裝法，是相對(duì)經(jīng)濟(jì)和高效的貨物裝卸方法，大尺寸、大噸位貨物裝船通常會(huì)考慮滾裝法裝船。滾裝法無(wú)需建造過(guò)于龐大裝卸碼頭和大型的起重設(shè)備，但需要配套的移運(yùn)設(shè)備。同時(shí)，船舶裝貨會(huì)受潮汐影響較大，船舶一般艙淺重心高，有時(shí)穩(wěn)性會(huì)相對(duì)偏差。

該施工標(biāo)段大型墩臺(tái)預(yù)制生產(chǎn)基地選擇在中山市火炬開發(fā)區(qū)，靠近橫門水道，航線寬度窄、相對(duì)繁忙，選擇垂直裝船法需要配置橫跨船舶造價(jià)昂貴的4000T超級(jí)龍門吊機(jī)，且船舶需要縱向進(jìn)出碼頭，碼頭縱深將達(dá)100m。這樣對(duì)航道、防洪堤壩和生產(chǎn)場(chǎng)地都將造成較大影響，同時(shí)不利于后期土地規(guī)劃使用。因此不采用垂直裝船法，而考慮選用水平裝船法運(yùn)輸大型預(yù)制墩臺(tái)。

2 關(guān)鍵問(wèn)題

滾裝上船選擇大噸位輪軌式液壓移運(yùn)臺(tái)車運(yùn)輸裝船，臺(tái)車軌道從陸地延伸至船舶甲板上，運(yùn)輸船舶選擇箱型平底甲板無(wú)動(dòng)力駁船。常規(guī)滾裝船舶是通過(guò)潮汐高度和調(diào)節(jié)壓載水控制船舶吃水深度提供盡可能水平的運(yùn)輸通道供貨物上船。由于墩臺(tái)重量大，荷載相對(duì)集中，導(dǎo)致控制難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高。因此大型預(yù)制墩臺(tái)滾裝碼頭采用船舶坐底方案，解決墩臺(tái)滾裝上船介于陸地和船舶之間的最危險(xiǎn)工況問(wèn)題。

預(yù)制墩臺(tái)通過(guò)支墩承載和固定，為保障運(yùn)輸過(guò)程更加平穩(wěn)，將墩臺(tái)裝載在船舶重心區(qū)域，并實(shí)施綁扎。通過(guò)計(jì)算，確定載貨甲板區(qū)域，使預(yù)制墩臺(tái)重心與船舶重心在垂直方向盡可能重合。墩臺(tái)滾裝上船工況和船舶運(yùn)輸過(guò)程支墩承載工況是滾裝法船舶受力計(jì)算的關(guān)鍵部分，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)需要加固的部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

大型預(yù)制墩臺(tái)裝載上船后，船舶重量、重心和整體幾何尺寸都發(fā)生變化，對(duì)船舶穩(wěn)定性提出新的要求，需要重新核算船舶穩(wěn)性。另外，船舶拖航過(guò)程中選擇合適的拖航方式也很重要。該方案采用綁拖拖帶方式，即兩艘拖輪在船舶兩側(cè)綁纜拖帶，與常規(guī)吊拖方式相比，可明顯提高墩臺(tái)運(yùn)輸過(guò)程中船舶穩(wěn)性、機(jī)動(dòng)性和安全性。

2.1 滾裝碼頭

滾裝碼頭采用駁船坐底方式供大型墩臺(tái)滾裝上船，船舶選用箱型鋼質(zhì)駁船。船長(zhǎng)/型寬/型深：90m/26m/6.4m。滾裝碼頭坐底部分采用樁基礎(chǔ)上現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架梁結(jié)構(gòu)。打設(shè)直徑500mmPHC管樁，干施工法完成鋼筋混凝土框架梁澆筑，并在兩側(cè)設(shè)置高1.0m、長(zhǎng)30m的攔砂墻。底座平臺(tái)下樁基布置對(duì)應(yīng)選用船舶龍骨和肋骨結(jié)構(gòu)，樁底入土深度至中粗砂層或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層?？蚣芰旱撞夸佋O(shè)300mm厚碎石墊層和100mm厚素混凝土墊層，框架梁高1200mm。

大型墩臺(tái)滾裝通道采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，考慮減少對(duì)航道河堤部分拋石護(hù)坡影響，設(shè)置3根Φ1500 灌注樁，樁基以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層，樁基上部澆筑鋼筋混凝土墩臺(tái)，墩臺(tái)高1.5m，并安裝SA400×1500的靠船用橡膠護(hù)舷，在兩側(cè)端部各設(shè)置一個(gè)450kN的系船柱。完成施工，投入使用大型預(yù)制墩臺(tái)滾裝碼頭。

2.2 船體加固

大型預(yù)制墩臺(tái)移運(yùn)至船舶甲板，需要存放在一定高度的支墩結(jié)構(gòu)上，移運(yùn)臺(tái)車通過(guò)收縮支撐液壓缸降低高度，完成大型預(yù)制墩臺(tái)坐落動(dòng)作，然后撤離。

為確保墩臺(tái)滾裝上船的安全性，基于MSC.Patran有限元分析軟件平臺(tái)，對(duì)不同裝載模式下船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

（1）軌道位置加固。大型墩臺(tái)重量在臺(tái)車移運(yùn)過(guò)程中，輪軌部分和支撐輪軌部分的結(jié)構(gòu)是荷載最集中的地方，船舶甲板鋪設(shè)支撐軌道的箱型結(jié)構(gòu)鋼梁，用于將荷載傳遞和分散至船舶甲板、船舶船肋、龍骨等結(jié)構(gòu)。利用MSC.Patran有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)載貨區(qū)域船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以至滿足大型預(yù)制墩臺(tái)滾裝上船過(guò)程中的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋼軌承載箱梁橫斷面及MSC.Patran重力作用模型如圖1所示。

（2）支墩位置加固。船舶甲板中部位置設(shè)置用于承載大型預(yù)制構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)叫支墩，此結(jié)構(gòu)有兩個(gè)作用：一是在幾何尺寸上，滿足移運(yùn)臺(tái)車裝卸貨物需求，提供進(jìn)出空間。二是與船體結(jié)構(gòu)形成整體，傳遞和分散荷載集中，減少船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。支墩承載貨物工況相對(duì)復(fù)雜，需要考慮裝貨過(guò)程和拖航過(guò)程，兩個(gè)工況同時(shí)需要考慮波浪對(duì)船體的影響。主要承受荷載包括貨物荷載、支墩結(jié)構(gòu)自重、滑道支撐結(jié)構(gòu)自重、船體結(jié)構(gòu)自重、舷外水壓力荷載、艙內(nèi)壓載水壓力荷載等。采用質(zhì)量單元模擬，并通過(guò)MPC的模擬方式與支墩結(jié)構(gòu)受載區(qū)域耦合。對(duì)于不同類型的預(yù)制墩臺(tái)及不同的工況，MPC耦合點(diǎn)的位置也有所不同。船體及支墩部分MSC.Patran模型如圖2所示。

圖2 船體及支墩部分MSC.Patran模型

通過(guò)對(duì)船船舶局部加固后的船體進(jìn)行最大荷載加載和最不利工況分析，以至船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

（3）固定綁扎。為提高貨物運(yùn)輸安全，大型預(yù)制墩臺(tái)需要進(jìn)行一定的綁扎，在墩臺(tái)底部設(shè)置限位裝置，用于固定和限制預(yù)制墩臺(tái)的水平方向移動(dòng)。貨物頂部設(shè)置固定架，用于向甲板四個(gè)位置牽引鋼絲繩，預(yù)緊固定。然后形成一個(gè)空間的固定綁扎狀態(tài)，如圖3所示。

2.3 船舶穩(wěn)性

船舶在航行過(guò)程中主要有三種運(yùn)動(dòng)形式，即橫搖運(yùn)動(dòng)、縱搖運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)。船舶裝載貨物后的穩(wěn)性主要考慮橫向傾覆。船舶傾斜中最危險(xiǎn)的狀態(tài)是船舶搖擺到最大擺幅正要回復(fù)時(shí)，受到與回復(fù)方向一致的突加力矩作用，船舶在兩個(gè)同方向力矩作用下傾斜加劇。此時(shí)能使船舶傾覆的最小突加外力矩稱為最小傾覆力矩。船舶最小傾覆力矩與風(fēng)壓傾斜力矩之比不能小于1，否則船舶將繼續(xù)傾斜直至傾覆。受力模型如圖4所示。

一般計(jì)算步驟：通過(guò)貨物幾何尺寸、船體結(jié)構(gòu)等質(zhì)量分布，計(jì)算出船舶載貨后重量及重心位置。對(duì)照船舶靜水力表計(jì)算出船舶吃水、橫傾、縱傾、初穩(wěn)性等參數(shù)。根據(jù)船體及貨物投影面積、風(fēng)心高度計(jì)算出風(fēng)壓傾斜力臂。

式中，Z為風(fēng)力作用力臂；Af為受風(fēng)面積；P為單位計(jì)算風(fēng)壓；Δ為核算情況排水量。

最小傾覆力臂計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，此處不展開論述。目前通常使用中國(guó)船級(jí)社COMPASS船舶計(jì)算系統(tǒng)輔助計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)錄入，可以相對(duì)簡(jiǎn)便的得出最大復(fù)原力臂lmax、最小傾覆力臂lq、復(fù)原力臂曲線消失角度（回復(fù)力矩為0值角度）和最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)角度復(fù)原力臂曲線下面積等船舶穩(wěn)性所需要的相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)跨海橋梁大型預(yù)制墩臺(tái)裝船方式、運(yùn)輸船舶加固、固定綁扎、拖航運(yùn)輸、船舶穩(wěn)性核算等進(jìn)行了介紹，闡述了方案設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵控制問(wèn)題的解決方法，為該運(yùn)輸方式的成功運(yùn)用提供了理論保障。同時(shí)給跨海橋梁大型預(yù)制墩臺(tái)運(yùn)輸以及其他大噸位、大尺寸構(gòu)件運(yùn)輸工程提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

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1671-0711（2017）06（下）-0068-03