田會(huì)元，史宏達(dá)*，高人杰，孟　珣，徐明強(qiáng)

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；

2. 青島行遠(yuǎn)海洋工程設(shè)計(jì)研究有限公司，山東 青島 266100)

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大型海工結(jié)構(gòu)物建造場(chǎng)地滑道強(qiáng)度安全儲(chǔ)備分析*

田會(huì)元1，史宏達(dá)1*，高人杰2，孟珣1，徐明強(qiáng)1

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；

2. 青島行遠(yuǎn)海洋工程設(shè)計(jì)研究有限公司，山東 青島 266100)

摘要：為了適應(yīng)當(dāng)前的海洋開發(fā)需求，海洋工程結(jié)構(gòu)物的大型化已成為必然發(fā)展趨勢(shì),這使得原有海工建造施工場(chǎng)地的滑道處于臨界承載狀態(tài)，給安全生產(chǎn)帶來了巨大隱患。本文針對(duì)典型滑道結(jié)構(gòu)，采用有限元參數(shù)化建模技術(shù)(ANSYS Parametric Design Language,ANSYS-APDL)模擬上部載荷滑塊在滑道板上的靈活布置，對(duì)滑道強(qiáng)度儲(chǔ)備進(jìn)行分析。研究表明：設(shè)計(jì)載荷下，滑道板的強(qiáng)度儲(chǔ)備較滑道樁體及滑道樁側(cè)土小，滑道強(qiáng)度的控制因素為滑道板強(qiáng)度；改變上部載荷滑塊的位置，探索不同位置處滑道極限承載力，提高施工建造過程中滑道利用率。

關(guān)鍵詞：滑道；極限承載力；強(qiáng)度儲(chǔ)備；ANSYS-APDL

在海洋結(jié)構(gòu)物組件的建造及由陸至水的移運(yùn)過程中，滑道是支撐整個(gè)組件重量的基礎(chǔ)，滑道結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定將直接影響到整個(gè)施工過程的安全性[1-3]。

隨著科技進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展，海洋工程結(jié)構(gòu)物組件的體積和重量也在不斷增加，組件的大小及建造、運(yùn)輸方式對(duì)滑道的承載能力提出了更高的要求[4]。研究以某大型海工結(jié)構(gòu)物典型滑道為例，對(duì)滑道強(qiáng)度安全儲(chǔ)備進(jìn)行分析。

1工程概況

隨著海洋工程結(jié)構(gòu)重量的遞增，要求的滑道承載力有時(shí)會(huì)超過計(jì)劃使用的標(biāo)定承載力，則該條滑道不能滿足項(xiàng)目建造要求[5-6]。若滑道塊在滑道板上的布置位置并不在最不利位置，相反處于承載力相對(duì)較大的位置，該處的承載力有可能比標(biāo)定承載力大。為了挖掘滑道承載力的潛力，使其滿足日益增長的海洋結(jié)構(gòu)物支反力要求，在不降低安全儲(chǔ)備并符合國家規(guī)范的前提下，本文對(duì)滑道承載力的強(qiáng)度儲(chǔ)備進(jìn)行深入探討。

實(shí)際工程中，海洋結(jié)構(gòu)物組件重量分布多不均勻，不能簡(jiǎn)單地考慮在均勻分布的基礎(chǔ)上乘以一定的系數(shù)，需通過鋼結(jié)構(gòu)支腿滑靴、鋼板和墊塊將上部組件的重量以均布荷載的形式傳遞至滑道面板。

圖1　滑道平面布置圖(mm)Fig.1　Layout map of the slipway(mm)

圖1為研究計(jì)算的滑道平面布置圖，左側(cè)為臨海側(cè)，右側(cè)為陸側(cè)。此滑道共有11種板，平面尺寸、厚度、配筋率及板下對(duì)應(yīng)樁的樁徑和數(shù)目不同，研究以框內(nèi)滑道板為例進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析,該滑道板位于滑道的中間位置,是滑道上11種滑道板中數(shù)量最多的典型滑道板,該滑道板對(duì)應(yīng)的上部載荷分布及斷面如圖2，圖3所示。

圖2　上部載荷分布圖(mm)Fig.2　Distribution of the upper load(mm)

圖3　滑道斷面圖(mm)Fig.3　Section of the slipway(mm)

2有限元模型

利用APDL與宏技術(shù)組織管理ANSYS有限元命令，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、參數(shù)化荷載施加等。用Solid 65單元模擬滑道的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，Solid 65單元是專門用于混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料單元，可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋和混凝土材料的拉裂和壓碎破壞。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算不同跨中及樁上板帶的配筋率，進(jìn)而建立樁上板帶和跨中板帶。參考滑靴位置分布，在滑靴與滑塊接觸面上施加向下的均布荷載，嵌巖樁的作用模擬為剛性墊片，且將剛域底部全約束，滑道板有限元模型如圖4所示?；涝O(shè)施所承受的垂直力全部由滑道板下方的嵌巖樁或沉箱基礎(chǔ)承擔(dān)，滑道板各段之間均埋置有傳力銷管以消除各段之間的差異沉降。組塊滑移下水過程中在滑道上拖拽產(chǎn)生的巨大水平力均采用按樁距擺放的簡(jiǎn)支滑塊臨時(shí)形成的壓柱，轉(zhuǎn)化成壓柱內(nèi)力來消除，因此嵌巖樁不承受水平作用力，故可將剛域所承受的總垂向壓力作為荷載輸入施加到樁頂。

圖4　滑道板有限元模型示意圖Fig.4　Finite element model of the slipway slab

樁體結(jié)構(gòu)與土體的相互作用是一種高度非線性行為，其接觸狀態(tài)隨荷載、材料、邊界條件等發(fā)生變化，同時(shí)也存在摩擦非線性問題。研究取樁體面積作為目標(biāo)剛性接觸面，單元類型為TARGE170；各層土表面作為柔性接觸面，單元類型為CONTA173。采用面面接觸的方式來模擬樁體與土體的接觸效果。

圖5　Drucker-Prage屈服面Fig.5　Drucker-Prage yield surface

巖石和土壤材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)，顆粒會(huì)膨脹，常用的VonMises屈服準(zhǔn)則不適用于這類材料。更能準(zhǔn)確描述這類材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為Drucker-Prager準(zhǔn)則，使用該準(zhǔn)則的材料簡(jiǎn)稱為DP材料[7]。

DP材料的特征參數(shù)為黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ，膨脹角ψ，其屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式[7]為

(1)

式中，β為材料常數(shù)，與內(nèi)摩擦角φ有關(guān)；σm為平均應(yīng)力；{S}為偏應(yīng)力；[M]為Mises屈服準(zhǔn)則中的偏應(yīng)力修正系數(shù);σy為屈服應(yīng)力，與黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)。對(duì)于DP材料，當(dāng)材料參數(shù)β、σy給定后，屈服面為圖5所示的圓錐面。

3滑道強(qiáng)度控制因素分析

早期海洋石油平臺(tái)組塊滑移裝船過程中，分析的側(cè)重點(diǎn)往往是平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)本身的安全性，很少考慮滑道結(jié)構(gòu)的安全性，隨著海洋工程結(jié)構(gòu)物大型化發(fā)展趨勢(shì)，滑道結(jié)構(gòu)在平臺(tái)組塊的建造和滑移裝船階段中的安全，也應(yīng)該給予足夠的關(guān)注?；腊?、滑道樁體以及滑道樁側(cè)土體的承載力共同決定著滑道的最終強(qiáng)度。滑道板的受力云圖如圖6所示。在設(shè)計(jì)載荷作用下，按照《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]計(jì)算滑道截面受彎彎距M=1.81×107N·m?；腊宓撞坑?9個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行支撐，通過估算每個(gè)節(jié)點(diǎn)所能承受的最大壓力，確定傳遞給樁的載荷大小為N1=4.52×106kN。

圖6　設(shè)計(jì)載荷作用下滑道板應(yīng)力云圖Fig.6　Stress nephogram of the slipway slab under the designed load

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，整個(gè)底部土層分為3部分：頂層為淤泥土層，中層為粉質(zhì)黏性土層，底層為花崗斑巖層。對(duì)樁及樁周土體進(jìn)行建模，在N1作用下，樁的受力云圖如圖7所示，其最大壓力N2=1.75×106N。由樁體資料計(jì)算樁的極限承載力為N2′=1.05×107N。

計(jì)算單樁軸向承載力的方法眾多，研究采用在海洋工程中應(yīng)用最為廣泛的API-RP2A方法[9]，單樁的軸向承載力Q可表示為

(2)

式中，fn為樁側(cè)極限單位摩阻力 (kN/m2)；Am為樁周側(cè)面積(m2)；q為樁端部處單位承載力(kN/m2)；Ap樁端部截面積(m2)。

結(jié)合地質(zhì)參數(shù)計(jì)算樁周3層土的側(cè)摩阻力之和，即樁承載力為2.07×107N。由表1可知，設(shè)計(jì)載荷作用下，滑道樁體和滑道樁側(cè)土的強(qiáng)度儲(chǔ)備遠(yuǎn)大于滑道板，故滑道板是滑道強(qiáng)度的主控因素。后期滑道設(shè)計(jì)改造過程中應(yīng)著重考慮加強(qiáng)滑道板的強(qiáng)度以提高滑道的整體強(qiáng)度儲(chǔ)備。

圖7　設(shè)計(jì)載荷作用下滑道樁應(yīng)力云圖Fig.7　Stress nephogram of the slide pile under the designed load

項(xiàng) 目滑道樁體滑道樁測(cè)土滑道板載荷效應(yīng)1.75×106N4.52×106N1.81×106N·m極限承載10.5×106N20.7×106N3.28×106N·m強(qiáng)度儲(chǔ)備83%78%45%

4滑道板強(qiáng)度儲(chǔ)備分析

滑道板強(qiáng)度儲(chǔ)備分析中，常見的工況為多組件施工建造或滑移裝船同時(shí)進(jìn)行，因此對(duì)多組件同時(shí)施工時(shí)滑道承載力的最不利荷載的分析更具實(shí)際指導(dǎo)意義?；婪酃r下，建造物尺度變化使得著力滑塊位于滑道板的不同位置，給滑道結(jié)構(gòu)施加荷載，其基本受力狀態(tài)與多跨梁類似如圖8a，5跨及以上的多跨連續(xù)梁活荷載最不利布置原理如下：

圖8a中支座B截面最大負(fù)彎矩載荷布置：支座兩個(gè)鄰跨有活荷載，每隔一跨布置活載荷見圖8b；圖8a中跨中點(diǎn)2截面最大正彎矩載荷布置：本跨有活荷載，每隔一跨布置活荷載，見圖8c。

依據(jù)活荷載不利布置理論，需要根據(jù)滑道塊所處的不同位置，分析滑道板的承載效應(yīng)。采用經(jīng)典力學(xué)分析方法，對(duì)不同滑靴間距的工況進(jìn)行滑道承載力分析，以250 mm為步長將載荷滑塊從滑道邊緣移動(dòng)，每移一步，逐漸增加載荷值，記錄滑道板達(dá)到極限承載力時(shí)的載荷值，并以極限載荷與滑道板設(shè)計(jì)載荷的比值作為參考值，探索滑塊放置在滑道板不同位置時(shí)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。圖10中，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)滑塊中心至滑道板邊緣的距離，載荷塊移動(dòng)范圍如圖9所示，結(jié)合結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，僅計(jì)算載荷塊位于1 000～4 000 mm時(shí)滑道板的極限承載力。

圖8　活載荷的最不利布置Fig.8　The most unfavorable arrangement of the live loads

圖9　載荷塊移動(dòng)范圍示意圖(mm)Fig.9　Moving range of the load block(mm)

圖10　載荷塊位置變化對(duì)應(yīng)滑道板極限承載力Fig.10　Change of the load block position corresponding to the ultimate bearing capacity of the slipway slab

滑塊放置在滑道板邊緣時(shí)滑道板強(qiáng)度儲(chǔ)備最小，隨著滑塊向滑道板中間移動(dòng)，滑道板強(qiáng)度儲(chǔ)備整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在2 000,2 500和3 500 mm位置強(qiáng)度儲(chǔ)備有略下降趨勢(shì)，與樁的位置和滑道板配筋率的變化有關(guān)。此極限承載力變化曲線可用于指導(dǎo)海工結(jié)構(gòu)物建造過程中的放置位置，避開強(qiáng)度儲(chǔ)備較低的區(qū)域。

5結(jié)論

本研究采用有限元參數(shù)化建模技術(shù),對(duì)大型海洋結(jié)構(gòu)物建造及運(yùn)輸滑道強(qiáng)度安全儲(chǔ)備進(jìn)行分析，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)對(duì)于典型海工滑道，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及服役工況，可采用下述方式進(jìn)行有效的數(shù)值模擬：樁的豎向承載力遠(yuǎn)大于滑道板，可將板底樁的作用模擬為剛性墊片，提取墊片節(jié)點(diǎn)的最大支反力，保守估算，剛域總壓力=節(jié)點(diǎn)最大支反力×剛域節(jié)點(diǎn)數(shù)，此總壓力為板傳遞給樁的荷載值，再對(duì)樁進(jìn)行受力分析。同時(shí)利用有限元參數(shù)化建模，以一定步長移動(dòng)上部載荷塊，模擬工程中結(jié)構(gòu)物放置的隨機(jī)性。

2)考慮活載荷不利布置對(duì)承載力的影響，隨著滑塊由滑道板邊緣向中間移動(dòng)，滑道的極限承載力呈遞增趨勢(shì)，遞增幅度約為15%?，F(xiàn)役海工結(jié)構(gòu)物施工建造過程中需避開邊緣位置；擬建結(jié)構(gòu)可在設(shè)計(jì)期內(nèi)調(diào)整尺度及重量，提高滑道的利用率。

3)影響滑道強(qiáng)度的因素包括滑道板、滑道樁體以及樁側(cè)土的極限承載能力。本文研究表明，該種場(chǎng)地土及滑道板特點(diǎn)下，樁體、樁側(cè)土及滑道板的強(qiáng)度儲(chǔ)備由高至低，即整個(gè)滑道強(qiáng)度的主控因素為滑道板。

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Analysis of Slipway Strength Safety Reserve of Large Marine Engineering Building Venue

TIAN Hui-yuan1, SHI Hong-da1, GAO Ren-jie2, MENG Xun1, XU Ming-qiang1

(1.CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China;2.QingdaoXingyuanMarineEngineeringDesign&ResearchCo.Ltd., Qingdao 266100, China)

Abstract:With the needs of rapid ocean development, large scale of marine engineering structures has been an inevitable development tendency. This makes the slipways of the original construction site a critical load state and brings a huge hidden danger to the safety production. According to the structure of typical slipway, the slipway strength reserve is analyzed by simulating the flexible arrangement of the upper load slide block on the slipway slab using the finite element parametric modeling technique (ANSYS-APDL). The results show that within the designed load, the strength reserve of the slipway slab is smaller than those of the slide pile and the soil surrounding the pile, indicating that the strength of the slipway slab is the factor controlling the slipway strength. To improve the utilization rate of the slipway during the construction, the ultimate bearing capacities of the slipway at different positions are studied by changing the position of the upper load slide block.

Key words:slipway; ultimate bearing capacity; strength reserve; ANSYS-APDL

中圖分類號(hào)：U673.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.006

作者簡(jiǎn)介：田會(huì)元(1991-)，女，碩士研究生，主要從事海洋可再生能源開發(fā)利用和港口海岸及近海工程方面研究.E-mail:tianhuiyuanzjj@163.com*通訊作者：史宏達(dá)(1967-)，男，教授，博士，主要從事海洋可再生能源開發(fā)利用和港口、海岸及近海工程方面研究.E- mail：hd-shi@ouc.edu.cn(王佳實(shí)編輯)

收稿日期：2015-10-10

文章編號(hào)：1002-3682(2016)01-0058-08