國外大型預(yù)制型沉箱吊裝施工的吊耳設(shè)計

李少斌,許建武,丁建軍

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230)

與普通的浮運拖帶法相比，半潛駁干運法運輸效率高，抗風(fēng)、浪、流等作用的能力強，因此，國外項目中通常采用該法對預(yù)制沉箱進行較長距離的水上運輸。隨著沉箱結(jié)構(gòu)的大型化，采用半潛駁運輸時所要求的下潛區(qū)水深也越來越深。當下潛區(qū)已有水深不足而在下潛區(qū)進行浚深作業(yè)又比較困難時，可考慮采用起重船進行助浮。

目前，當利用起重船助浮對沉箱進行吊裝施工時，大多采用在沉箱壁板預(yù)留吊孔并在吊裝之前采用人工穿銷的施工工藝，而人工穿銷施工效率低、成本高、安全風(fēng)險巨大，因此采用人工穿銷工藝在國外工程中更是難以適用。

為簡化施工，避免潛水員深潛作業(yè)，可考慮在沉箱頂部預(yù)埋吊耳對沉箱進行吊裝施工。然而，吊耳工藝目前通常被應(yīng)用于化學(xué)設(shè)備的吊裝，起吊質(zhì)量一般小于20 t[1]，且關(guān)于吊耳的設(shè)計也主要集中于吊耳本體強度的復(fù)核。吊耳在大型預(yù)制混凝土沉箱吊裝中應(yīng)用目前尚無經(jīng)驗，這主要是因為吊耳與沉箱結(jié)構(gòu)間的錨固受力機理十分復(fù)雜，而沉箱又作為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，如果吊耳設(shè)計得不合理，可能導(dǎo)致吊耳及局部的沉箱混凝土破壞而造成安全風(fēng)險。

本文針對加納某工程案例，對該工程中的大型沉箱的吊耳進行專門設(shè)計，現(xiàn)采用該設(shè)計的吊耳已成功吊運安裝該工程的全部7個大型沉箱。

1 工程概況

加納某液化天然氣碼頭工程包含2個靠船墩和5個系纜墩，墩臺采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)。其中，靠船墩沉箱長19.41 m、寬11.62 m、高21.2 m，單個沉箱質(zhì)量1 851 t；系纜墩沉箱長14.85 m、寬10.62 m、高18.7 m，單個沉箱質(zhì)量1 430 t。本工程沉箱預(yù)制場與安裝位置直線距離近5 km，且平日該工程海域存在波高1～2 m的涌浪，故考慮采用半潛駁進行沉箱的遠距離水上運輸。半潛駁下潛區(qū)位于現(xiàn)有碼頭主航道附近，天然水深約-13.0 m，不能滿足半潛駁下潛的水深要求，且下潛區(qū)地質(zhì)為強風(fēng)化片麻巖，若浚深則需要炸礁，而炸礁不僅工期長、費用高，且對主航道上船舶航行安全不利，故考慮采用起重船助浮。根據(jù)沉箱起重助浮計算，并考慮一定的富余量，系、靠船墩沉箱助浮的吊力需要3 000 kN。結(jié)合現(xiàn)場條件，最終選用八點吊方案，在沉箱頂部預(yù)埋吊耳，起吊時采用吊架或撐桿等吊具垂直起吊，吊耳板布置和細部結(jié)構(gòu)見圖1、2。吊耳主體采用一層厚50 mm、寬360 mm的鋼板焊拼成，距頂部85 mm處開φ90 mm的吊孔，在吊孔兩側(cè)焊裝一鋼板加強吊孔，吊環(huán)吊孔處總厚90 mm。底部焊裝一塊長600 mm、寬100 mm、厚50 mm的鋼板作為錨固。

圖1 吊耳布置(單位：mm)

圖2 吊耳板細部(單位：mm)

每個吊耳起吊力設(shè)計值，即最大垂直拉力F為623.2 kN；不均勻系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工工藝取1.1，動荷載系數(shù)根據(jù)BS EN 1991-3[2],吊運級別為HC2,吊運速度不超過0.1 m/s，根據(jù)計算結(jié)果動荷載系數(shù)取1.1，荷載作用系數(shù)根據(jù)美標ACI 318-2011[3]取1.4。吊繩沿沉箱長邊方向與垂直方向最大夾角為20°(兩側(cè)吊耳處)，因此吊耳最大剪力Fh為226.8 kN。

2 吊耳鋼材強度驗算

吊耳鋼材強度驗算內(nèi)容包括：受拉強度、受剪強度、拉剪強度、吊耳孔承載力和錨固底板強度驗算。吊耳孔承載力驗算和錨固底板強度驗算可參考文獻[3]和[4]進行計算，不在此詳述。受拉、受剪和拉剪強度驗算則參考美國混凝土協(xié)會規(guī)范ACI 318-2011[5]，將吊耳當作預(yù)埋錨栓進行驗算。

2.1 受拉強度驗算

根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，吊耳鋼材抗拉強度應(yīng)滿足以下條件：

F< φNsa

(1)

式中：φ為強度折減系數(shù)，對于受拉元件取0.80；Nsa為鋼材標稱強度，計算公式為：

Nsa=Ase,Nfuta/1 000

(2)

式中：Ase,N為受剪吊耳有效橫截面積(mm2)，孔洞考慮兩側(cè)鋼板加強后仍取18 000mm2；futa為鋼材抗拉強度設(shè)計值(MPa)，吊耳鋼材材質(zhì)為國標Q355,設(shè)計抗拉強度為288 MPa。

根據(jù)式(1)、(2)計算可得，φNsa(=4 147 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳鋼材的抗拉強度滿足要求。

2.2 受剪強度驗算

根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，吊耳鋼材抗剪強度應(yīng)滿足以下條件：

Fh< φVsa

(3)

式中：φ為強度折減系數(shù)，對于受剪元件取0.75；Vsa為鋼材標稱強度，對于預(yù)埋的帶端頭的螺栓，計算公式為：

Vsa=0.6Ase,vfuta/1 000

(4)

式中：Ase,V為受剪吊耳的有效橫截面積(mm2)，取18 000 mm2；futa為鋼材抗拉強度設(shè)計值(MPa)，吊耳鋼材材質(zhì)為國標Q355,設(shè)計抗剪強度為166 MPa。

根據(jù)式(3)、(4)計算，φVsa(=2 241 kN)> Fh(=226.8 kN),即吊耳鋼材的抗剪強度滿足要求。

2.3 受拉剪強度驗算

根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，同時承擔剪力和拉力的吊耳應(yīng)滿足以下要求：

1)若起控制作用的受剪強度滿足Vua/(φVsa)≤0.2，則φNsa≥Nua；

2)若起控制作用的受拉強度滿足Nua/(φNsa)≤0.2，則φVsa≥Vua；

3)若起控制作用的受剪強度滿足Vua/(φVsa)>

0.2及起控制作用的受拉強度滿足Nua/(φNsa)>

0.2，則

(5)

式中:Vua為作用于吊耳的剪力設(shè)計值(kN),本工程Vua=Fh=226.8 kN；Nua為作用于吊耳拉力設(shè)計值(kN),本工程Nua=F=623.2 kN。由此可得Vua/(φVsa)=0.10、Nua/(φNsa)=0.13，均滿足要求，即吊耳鋼材的拉剪強度滿足要求。

3 吊耳局部混凝土強度驗算

吊耳處混凝土強度驗算內(nèi)容包括：錨固底板處混凝土局部受壓強度、受拉吊耳混凝土抗崩裂強度、受拉吊耳抗拔出強度、受拉吊耳混凝土抗側(cè)面爆裂強度和受剪吊耳的混凝土抗剪撬強度驗算。其中錨固底板處混凝土局部受壓強度依據(jù)歐標BS EN 1992-1-1[6]進行驗算，其他強度驗算參考美國混凝土協(xié)會規(guī)范ACI 318-2011,將吊耳當作預(yù)埋錨栓進行驗算。

3.1 錨固底板處混凝土局部受壓強度驗算

錨固板處混凝土局部抗壓強度應(yīng)滿足以下要求(按素混凝土考慮)：

F< Fp

(6)

式中：Fp為混凝土局部抗壓承載力(kN)，根據(jù)歐標BS EN 1992-1-1計算如下：

(7)

(8)

式中：Ac0為荷載作用面積(mm2)；Ac1為荷載作用分布面積(mm2)，見圖3，由于沉箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)，荷載擴散面積有限，偏安全考慮取Ac1=Ac0；fck為混凝土圓柱體抗壓強度特征值，取35 MPa；fcd為混凝土設(shè)計抗壓強度(MPa)；αcc為考慮了抗壓強度長期效應(yīng)及加載方式不利影響的系數(shù)，根據(jù)BS EN 1992-1-1取1.0；γc為混凝土強度分項系數(shù)，根據(jù)BS EN 1992-1-1取1.5。

根據(jù)式(7)、(8)計算Fp(=980 kN)> F(=623.2 kN)，即錨固底板處混凝土局部受壓強度滿足要求。

圖3 Ac0計算示意圖(陰影部分)(單位： mm)

3.2 受拉吊耳混凝土抗崩裂強度驗算

混凝土抗崩裂強度考慮斷裂力學(xué)的概念，假定吊耳受拉時混凝土破壞椎體為約35°傾斜面，見圖4。

圖4 受拉錨栓混凝土崩裂破壞

根據(jù)ACI 318-2011計算，混凝土抗崩裂強度應(yīng)滿足：

F< φNcb

(9)

式中：φ為折減系數(shù), 根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Ncb為單個受拉吊耳的混凝土標稱抗崩裂強度(kN)，計算公式為：

(10)

圖5 受拉錨栓混凝土崩裂破壞投影面積

在已開裂混凝土中，單個吊耳的混凝土基本抗崩裂強度Nb可由下式計算：

(11)

式中：kc為混凝土破壞強度修正系數(shù)，取10；λa為輕混凝土修正系數(shù)，取1.0；fck為混凝土圓柱體強度標準值(MPa)，取35 MPa。

根據(jù)式(9)～(11)計算，φNcb(=253 kN)< F(=623.2 kN),即吊耳的混凝土抗崩裂強度未考慮沉箱配筋時不能滿足要求。考慮沉箱壁板配筋，根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，當在崩裂面的兩側(cè)均設(shè)置配筋時，可取吊耳配筋的標稱強度。此時應(yīng)注意，有效的配筋(箍筋或拉筋等)滿足在距離吊耳中心線0.5hef范圍內(nèi)，見圖6。本文吊耳配筋為17根直徑16 mm的B500B鋼筋，鋼筋設(shè)計抗拉強度為435 MPa,因此φNcb(=1 263.2 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳混凝土抗崩裂強度滿足要求。

圖6 受拉錨栓混凝土崩裂破壞投影面積

3.3 受拉吊耳的抗拔出強度驗算

根據(jù)美標ACI 318-2011計算，受拉吊耳混凝土拔出強度應(yīng)滿足：

F< φNpn

(12)

式中：φ為折減系數(shù), 根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Npn為單個受拉錨栓的標稱抗拔出強度(kN)，計算公式為：

Npn=ψc,PNp

(13)

式中：ψc,P為調(diào)整系數(shù)，結(jié)構(gòu)在水平荷載下不開裂，取1.4，開裂則取1.0，本文取1.0；Np為未考慮吊耳靠近邊緣影響的單個吊耳抗拔出強度(kN)，計算公式為：

Np=8Abrgfck/1 000

(14)

式中：Abrg為吊耳的凈受力面積(mm2)，為18 000 mm2；fck為混凝土圓柱體強度標準值(MPa)，取35 MPa。

根據(jù)式(13)、(14)計算，φNpn(=4 284 kN)> F(=623.2kN),即吊耳的抗拔出強度滿足要求。由于該吊耳靠近邊緣，因此須進一步驗算受拉吊耳的混凝土抗側(cè)面爆裂強度。

3.4 受拉吊耳的混凝土抗側(cè)面爆裂強度

受拉吊耳混凝土自由邊側(cè)面爆裂破壞見圖7。

圖7 受拉吊耳混凝土側(cè)面爆裂破壞

根據(jù)ACI 318-2011計算，受拉混凝土拔側(cè)面爆裂強度應(yīng)滿足：

F< φNsb

(15)

式中：φ為折減系數(shù)，根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Nsb為其標稱抗側(cè)面爆裂強度(kN)，對于一個埋置長度較大且靠近一個邊緣(hef> 2.5ca1)的單個底板的吊耳，其計算公式為：

(16)

式中：ca1距邊緣較小的距離(mm)；Adrg為吊耳端頭靠近爆裂破壞邊緣一側(cè)的面積(mm2),見圖8,取A1和A2中的較小值12 000 mm2(A1為吊耳長邊方向靠近破壞邊緣的面積，為15 000 mm2，A2為吊耳短邊方向靠近破壞邊緣的面積,為12 000 mm2)；λa為輕混凝土修正系數(shù)，取1.0；fck為混凝土圓柱體強度標準值(MPa)，取35 MPa。

若帶端錨頭錨栓的距離自由邊較大距離ca2< 3ca1，根據(jù)式(16)計算的Nsb的值應(yīng)乘以系數(shù)(1+ca2/ca1)/4，其中1.0≤ca2/ca1≤3.0。如圖9所示，ca2(=235 mm)< 3ca1(=450 mm)，因此乘以系數(shù)0.64。

根據(jù)式(15)、(16)計算，φNsb(=1 074 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳的抗側(cè)面爆裂強度滿足要求。

圖8 受拉吊耳混凝土側(cè)面爆裂破壞(單位：mm)

3.5 受剪吊耳的混凝土抗剪撬強度

根據(jù)AC I318-2011計算，受剪吊耳混凝土剪撬強度應(yīng)滿足：

Fh< φVcp

(17)

式中：φ為折減系數(shù)，根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Vcp為標稱抗剪撬強度(kN)，計算如下：

Vcp=kcpNcb

(18)

式中：Ncb為單個受拉吊耳的混凝土標稱抗崩裂強度(kN),對于預(yù)埋型吊耳，根據(jù)式(10)計算得Ncb=297.8 kN；kcp為相關(guān)系數(shù)，hef< 63.5mm時取1.0，hef≥63.5mm時取2.0，本工程取2.0。

根據(jù)式(17)、(18)計算，φVcp(=506 kN)> Fh(=226.8 kN),即吊耳的抗剪撬強度滿足要求。

4 吊運技術(shù)要求

為保證施工質(zhì)量和安全，施工作業(yè)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求[7]：

1)沉箱浮游穩(wěn)定應(yīng)滿足規(guī)范要求，不滿足時，應(yīng)調(diào)整壓艙水等措施。

2)起重機吊鉤的吊點，應(yīng)盡量與起吊重心在同一條鉛垂線上，使重物處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，否則起吊前應(yīng)進行試吊，直至重物達到平衡為止，防止提升時產(chǎn)生傾斜。

3)為避免沉箱壁板在起吊過程中水平雙向受力，應(yīng)使用撐桿或吊架，撐桿或吊架上的吊具應(yīng)對稱分布，且吊架與吊具承載點之間的垂直距離應(yīng)相等，以保證吊架在承載和空載時保持平衡狀態(tài)。

4)沉箱吊運安裝作業(yè)應(yīng)選擇良好天氣進行，起吊的最大速度不能超過0.1 m/s。

5 結(jié)語

1)大型沉箱通常采用預(yù)留吊孔并進行人工穿銷的助浮吊裝施工工藝，采用頂部預(yù)埋吊耳的工藝能夠簡化施工工藝，避免深潛作業(yè)。

2)吊耳設(shè)計應(yīng)首先對其本體鋼材強度進行驗算，再對吊耳與沉箱壁連接處的混凝土強度進行驗算，本工程所有強度驗算均滿足要求。

3)吊運作業(yè)各方面應(yīng)滿足相關(guān)要求，以保證吊運穩(wěn)定、施工的質(zhì)量和安全。