拖帶常泰長江大橋鋼沉井關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

朱金文，羅奕鑫

（中國船級(jí)社南通辦事處，江蘇 南通 226006）

常泰長江大橋?yàn)楣F兩用跨江大橋，是目前國內(nèi)第一座集高速公路、普通公路、鐵路“三位一體”的跨江大橋。為配合大橋建造，需將為該大橋建造的沉井拖帶到目的地完成下沉動(dòng)作。拖帶大型沉井難度系數(shù)大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，如果拖航前準(zhǔn)備工作不充分，不僅會(huì)影響到拖輪船隊(duì)的安全，還關(guān)系到過往船只和航道的安全。一旦在拖帶過程中發(fā)生傾覆或者沉沒，將造成災(zāi)難性的后果。為此，對(duì)拖帶常泰長江大橋鋼沉井的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析。

該沉井為鋼質(zhì)圓端型，長95.4 米，高39 米，縱向拖航時(shí)迎水面寬58.2 米，沉井重量達(dá)20130 噸，拖航狀態(tài)下封閉中間16 個(gè)隔艙，自浮吃水6.85 米 。拖航編隊(duì)如圖1 所示。

圖1 拖航總阻力和主拖輪凈拖力隨拖航速度的變化

圖1 常泰長江大橋沉井拖航編隊(duì)

參考《海上拖航指南》（2011）（以下簡稱《指南》）[1]和《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（1999）（以下簡稱《規(guī)則》）[2]，對(duì)拖航安全所涉及的助浮封板與沉井間密性、拖航穩(wěn)性、阻力計(jì)算、拖輪和拖曳設(shè)備的適配性，以及應(yīng)急預(yù)案等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 助浮封板與沉井間密性

使用助浮封板將鋼沉井中間16 個(gè)隔艙封閉，以使鋼沉井下水后能夠漂浮。使用均勻分布的錨桿將助浮封板與鋼沉井刃腳連接，助浮封板底托板與鋼沉井刃腳底面采用橡膠墊密封，助浮封板斜面與鋼沉井刃腳斜面之間的縫隙進(jìn)行通長壓漿處理，處理后使用密封膠密封?？p隙處理完成后，在鋼沉井的井孔內(nèi)注水進(jìn)行密性試驗(yàn)，并對(duì)漏水點(diǎn)進(jìn)行處理。以上密性試驗(yàn)完成后，在鋼沉井與助浮封板間焊接止水鋼帶，止水鋼帶的焊接應(yīng)保證連續(xù)滿焊。止水鋼帶焊接完成后，應(yīng)對(duì)止水鋼帶焊接處進(jìn)行密性試驗(yàn)，密性試驗(yàn)全部合格后沉井方能下水。作為第二道水密防線，止水鋼帶的密性試驗(yàn)采用噴肥皂水抽真空的方式進(jìn)行，試驗(yàn)過程應(yīng)確保無遺漏。

2 穩(wěn)性計(jì)算

鋼沉井結(jié)構(gòu)主尺度大，重心高且受風(fēng)面積大，在拖帶過程中拖航穩(wěn)性至關(guān)重要[3]?？紤]最大流速1.7m/s，最大風(fēng)速蒲氏6 級(jí)風(fēng)，對(duì)鋼沉井浮運(yùn)時(shí)的穩(wěn)性進(jìn)行分析計(jì)算。

首先，考慮鋼沉井在正常拖帶過程中，拖帶力、水流力和風(fēng)壓力共同作用于沉井短邊，其縱向穩(wěn)性是否滿足要求；其次根據(jù)鋼沉井的平面形狀可知，其橫向的穩(wěn)性較差，且橫向的迎水面較大，外力矩大，所以鋼沉井穩(wěn)定性控制工況為鋼沉井浮運(yùn)至橋位上游掉頭。該工況沉井橫向迎水，從偏安全角度，考慮拖帶力、水載荷與風(fēng)載荷產(chǎn)生的外力矩同向。

經(jīng)建模計(jì)算，鋼沉井基本數(shù)據(jù)見表1 所示：

表1 鋼沉井穩(wěn)性計(jì)算基本數(shù)據(jù)

注：上表所有高度均以助浮封板底端為參照，慣性矩計(jì)算坐標(biāo)原點(diǎn)取在沉井平面中心點(diǎn)。

綜上所述，鋼沉井拖航整體穩(wěn)性滿足要求。

3 阻力計(jì)算

將軟件Maxsurf Modeler 模塊構(gòu)建的沉井模型在Maxsurf Resistance 模塊中打開，選擇駁船阻力計(jì)算模式。經(jīng)計(jì)算得到鋼沉井在2kn 至8kn 拖航速度下的水阻力數(shù)據(jù)。

根據(jù)《指南》附錄2海上拖航阻力估算方法進(jìn)行鋼沉井空氣阻力計(jì)算。具體如下：，式中：：空氣密度，取1.22kg/m3；V：風(fēng)速，取6 級(jí)風(fēng)速，13.8m/s；Ai：受風(fēng)面積，取1890.92m2；Cs：受風(fēng)面積Ai 的形狀系數(shù)，取1.2。得到鋼沉井空氣阻力：Ra=263.60（kN）。鋼沉井的拖航阻力為水阻力和空氣阻力之和。

下面計(jì)算拖輪的拖航阻力，本次拖航使用1 艘主拖輪，4 艘輔助拖輪和1 艘備用拖輪，備用拖輪不參與拖航作業(yè)，故不計(jì)入。根據(jù)《指南》附錄2 海上拖航阻力估算方法進(jìn)行拖輪的拖航阻力計(jì)算，具體如下：，式中：Rft——拖船摩擦阻力，kN；RBt——拖船剩余阻力，kN。拖輪摩擦阻力為：，式中：A1：水下濕表面積（m2），主拖輪A1=2044.40 m2，輔助拖輪A1=421.94 m2，主拖輪和4 艘輔助拖輪總A1=3732.16 m2；拖輪剩余阻力為：，式中：δ：主拖輪方形系數(shù)取0.7；輔助拖輪方形系數(shù)取0.8，A2：浸水部分船中橫剖面面積（m2），主拖輪A2=68.10 m2，輔助拖輪A2=20.4 m2。

拖航總阻力為沉井拖航阻力與拖輪拖航阻力之和，將沉井阻力和拖輪阻力相加得到拖航總阻力計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 沉井拖航總阻力計(jì)算值

4 拖輪及拖曳設(shè)備配置合理性

4.1 拖輪配置

《指南》第四章4.1.3 規(guī)定：拖船系柱拖力應(yīng)能適合被拖物的安全拖航。拖輪的選配十分關(guān)鍵，若拖輪選擇過大，則大馬拉小車經(jīng)濟(jì)性較差，反之若拖輪選擇過小，則小馬拉大車安全性得不到保障，甚至?xí)霈F(xiàn)拖輪被倒拖的情況[5]。

根據(jù)拖航總阻力隨拖航速度的變化，及主拖輪凈拖力隨拖航速度的變化繪圖如圖1 所示。

可以看到，在拖航速度為4.5kn 時(shí)，拖航總阻力為94.33t，在4.5kn 速度時(shí)其拖力97.47t 大于拖航總阻力94.33t。因此主拖輪單獨(dú)拖航最大速度可達(dá)到4.5kn，滿足《規(guī)則》第4 章1.2 條拖力大于全部拖航阻力和1.4條拖航速度應(yīng)不小于4.0kn 的要求。因此，主拖輪的選擇是安全合適的。

主拖輪系柱拖力為122.1t，其余4 艘4000HP 輔助拖輪系柱拖力總和約為4x50t=200t，因此5 艘拖輪系柱拖力總和約為122.1+200=322.1t。在拖航速度為7kn時(shí)，主拖輪和4 艘4000HP 輔助拖輪所能發(fā)揮的有效拖力約為202.22t，稍大于拖航速度7.0kn 時(shí)拖航總阻力198.41t，小于拖航速度7.5kn 時(shí)的拖航總阻力226.76t。這樣既保證了拖航安全，又留有了一定的拖力富余。

4.2 拖曳設(shè)備配置

《指南》和《法規(guī)》均對(duì)拖曳設(shè)備有明確要求，拖曳設(shè)備的配置也是拖航作業(yè)的關(guān)鍵，拖纜如果長度不足，則纜繩易繃斷，拖力點(diǎn)強(qiáng)度不足，則拖力點(diǎn)易被拉斷。下面分析主拖輪的拖纜和沉井拖力點(diǎn)配置合理性。

主拖輪的主拖纜和備用拖纜均采用直徑為66mm 鋼絲繩，總長1200m，其破斷負(fù)荷為325t，完全滿足《規(guī)則》要求。然而，沉井首部焊接的系纜柱并非《規(guī)則》中標(biāo)準(zhǔn)件，因此需要校核拖力點(diǎn)的強(qiáng)度是否滿足要求，這里采用有限元計(jì)算的方式進(jìn)行校核。

以主拖力點(diǎn)為例，使用有限元分析的方法分別對(duì)主拖力點(diǎn)系纜柱板件、鋼沉井面板、鋼沉井環(huán)板、鋼沉井豎肋、鋼沉井連接角鋼、連接角鋼與環(huán)板焊縫、系纜柱構(gòu)件與鋼沉井連接焊縫進(jìn)行受力分析。

采用MIDAS 2015 建立部分鋼沉井及系纜柱模型，系纜柱均采用板單元模擬，鋼沉井豎肋、水平環(huán)板采用梁單元模擬，連接角鋼采用桁架單元模擬、壁板及加勁板采用板單元模擬，單元之間均固結(jié)；水平環(huán)板兩端鉸接，170t 水平荷載按節(jié)點(diǎn)荷載添加，施加兩個(gè)方向荷載，分別為法向、切向。模型如圖2 所示。

圖2 系纜柱及部分鋼沉井模型

考慮系纜柱拉力沿切線方向加載時(shí)最為不利，得到系纜柱板件有效應(yīng)力最大212MPa ＜240MPa，剪應(yīng)力116MPa ＜140MPa，完全滿足要求。系纜柱組合應(yīng)力如圖3 所示。

圖3 系纜柱組合應(yīng)力

此外，鋼沉井面板、環(huán)板、豎肋、連接角鋼與環(huán)板焊縫、系纜柱構(gòu)件與鋼沉井連接焊縫經(jīng)校驗(yàn)均滿足要求。

5 應(yīng)急預(yù)案

為最大限度地減少拖航作業(yè)中突發(fā)通航事件所造成的事故、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失及環(huán)境影響，切實(shí)做好遇險(xiǎn)救助工作。拖航公司需要根據(jù)拖帶航行作業(yè)過程中可能發(fā)生的事故和險(xiǎn)情，編制相應(yīng)的安全應(yīng)急預(yù)案，包括纜繩斷裂應(yīng)急預(yù)案、擱淺應(yīng)急預(yù)案、寒潮大風(fēng)應(yīng)急預(yù)案、人員落水應(yīng)急預(yù)案、碰撞事故應(yīng)急預(yù)案、船舶失電/舵機(jī)失靈/主機(jī)失去動(dòng)力措施、能見度不良應(yīng)急預(yù)案、船舶失控預(yù)案、火災(zāi)/防爆應(yīng)急預(yù)案、沉井進(jìn)水應(yīng)急預(yù)案、人員受傷應(yīng)急預(yù)案和靠泊期間沉井?dāng)嗬|應(yīng)急預(yù)案。特別的，本次拖航前，在16 個(gè)密封隔艙中均設(shè)置了應(yīng)急排水泵，以確保拖航作業(yè)安全。

6 結(jié)論

從規(guī)范和法規(guī)的角度，對(duì)常泰長江大橋鋼沉井的拖航作業(yè)過程所涉及的助浮封板與沉井間密性、沉井拖航穩(wěn)性、阻力計(jì)算、拖輪和拖曳設(shè)備的適配性，以及應(yīng)急預(yù)案等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明，本次沉井拖航作業(yè)滿足規(guī)范和法規(guī)要求，具有安全拖航的條件，最終鋼沉井在經(jīng)歷了120 公里的“水上大挪移”后安全抵達(dá)目的地，為后續(xù)此類大型水上結(jié)構(gòu)物的拖航作業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。