李　梅，高萬(wàn)國(guó)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300222）

臨港海洋重工建造基地組塊滑道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

李梅，高萬(wàn)國(guó)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(yùn)平臺(tái)。海工產(chǎn)品的自重和滑道結(jié)構(gòu)斷面均較大，在滑道結(jié)構(gòu)計(jì)算中存在水平摩擦力的處理和計(jì)算模型的選取兩個(gè)難題。通過(guò)對(duì)組塊出運(yùn)過(guò)程的受力分析及采用相應(yīng)結(jié)構(gòu)縫的處理措施，排除了摩擦力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；通過(guò)對(duì)比分析剛性樁臺(tái)和柔性樁臺(tái)的計(jì)算思路和結(jié)果，給出了合理的結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算模型

隨著深海油氣資源開發(fā)和開采業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，需要建設(shè)越來(lái)越多的海工產(chǎn)品出運(yùn)滑道作為組塊或其他重件的運(yùn)輸平臺(tái)。由于海工產(chǎn)品的自重很大，出運(yùn)時(shí)會(huì)對(duì)滑道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的荷載，因此，分析滑道結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀況和受力特征，保證滑道結(jié)構(gòu)的安全和正常使用，是保證海工產(chǎn)品安全出運(yùn)的必要條件。

1　工程概述

本項(xiàng)目位于天津臨港工業(yè)區(qū)內(nèi)港池西側(cè)，岸線總長(zhǎng)400 m。分別建造3 000 t和6 000 t組塊出運(yùn)滑道各2條。其中3 000 t滑道長(zhǎng)264 m，6 000 t滑道長(zhǎng)260 m?；纼蓚?cè)場(chǎng)地可以滿足組塊預(yù)制組裝的要求，碼頭前方水域也可滿足組塊裝船時(shí)駁船的停泊要求?，F(xiàn)以6 000 t組塊出運(yùn)為例進(jìn)行分析。

6 000 t組塊出運(yùn)時(shí)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(jiàn)圖1。

滑道共分5部分，從海側(cè)到陸側(cè)分別為出運(yùn)墩臺(tái)段、水域段、過(guò)渡段水域部分、過(guò)渡段陸域部分及陸域段?；懒焊?.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(guò)渡段陸域部分寬8 m。為了適應(yīng)軸線車出運(yùn)小型組塊的需要，在2條滑道的過(guò)渡段水域部分及水域段向內(nèi)擴(kuò)寬至12 m。除出運(yùn)墩臺(tái)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(shè)計(jì)中存在的難題

由于組塊自重大，出運(yùn)過(guò)程必然會(huì)對(duì)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，抗水平力能力更差。曾考慮布置斜樁的辦法，但斜樁與出運(yùn)墩臺(tái)的斜樁及過(guò)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(jìn)行灌注樁施工困難，費(fèi)用高。因此需要解決如何處理水平力的問(wèn)題。

滑道梁高1.8m，可將滑道梁視為剛體，按高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[1-3]。但由于滑道平面尺度很大，同時(shí)組塊壓力很大，橫向局部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，把滑道梁看成是完全剛性體又不是很準(zhǔn)確，因此需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行探討。

3　關(guān)于水平力的處理

處理水平力問(wèn)題，首先需明確在組塊出運(yùn)及回拖等各個(gè)過(guò)程中，組塊、滑道、駁船的水平向受力情況[4]。

3.1組塊出運(yùn)過(guò)程

1）建造完成的組塊通過(guò)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(guò)駁船上的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)將組塊牽引至駁船上。

4）在組塊上駁船過(guò)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(yùn)過(guò)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(jiàn)圖2。

圖2　受力圖1Fig.2 Force diagram 1

組塊在滑道上勻速滑動(dòng)時(shí)，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(guò)駁船上的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)將組塊牽引至駁船上，受力情況見(jiàn)圖3。

組塊在滑道和駁船上勻速滑動(dòng)時(shí)，F(xiàn)拉=F摩擦滑道+ F摩擦船；駁船靜止時(shí)，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(jiàn)圖4。

組塊在滑道和駁船上勻速滑動(dòng)時(shí)，F(xiàn)拉=F摩擦滑道+ F摩擦船；駁船靜止時(shí)，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(wú)論是在滑塊的出運(yùn)過(guò)程還是回拖過(guò)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(duì)滑道中性軸的彎矩。這樣就排除了巨大摩擦力對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的干擾。

4　計(jì)算模型探討

由于滑道梁高1.8m，以往設(shè)計(jì)中均將其視為剛體，按高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。但由于滑道的平面尺度很大，水域段梁的寬高比達(dá)6.7，同時(shí)組塊壓力很大，橫向容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，滑道結(jié)構(gòu)又不能完全看成是墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，因此考慮將滑道梁看成薄板結(jié)構(gòu)，按照柔性樁臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，且和高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于高樁墩臺(tái)計(jì)算在此不再贅述，下面僅介紹柔性樁臺(tái)的計(jì)算。

采用彈性嵌固法進(jìn)行計(jì)算：滑道梁用板單元進(jìn)行模擬，樁基用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，樁的長(zhǎng)度取嵌固點(diǎn)以上至板中心的長(zhǎng)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(lái)模擬彈性支撐，模型見(jiàn)圖5。

圖5　計(jì)算模型Fig.5 Com putingm odel

為了適應(yīng)不同尺度組塊的出運(yùn)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(cè)2.5m，因此進(jìn)行了2種工況的計(jì)算：

工況1：自重+組塊壓力+摩擦力對(duì)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(duì)板中心的彎矩（偏移中心2.5m）。

以1 m步長(zhǎng)移動(dòng)控制荷載，搜索滑道結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在整個(gè)滑移過(guò)程中的最大內(nèi)力。

通過(guò)增大板單元彈性模量至3.15×1015，來(lái)增大板單元?jiǎng)偠?，使其接近于剛性體，再進(jìn)行計(jì)算。然后將上述2種情況的計(jì)算結(jié)果與高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，典型區(qū)段計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　φ1 000鉆孔灌注樁過(guò)渡段計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算的樁基軸力值和樁頂彎矩值都比按柔性樁臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算的值偏小，當(dāng)滑靴偏離滑道梁中心線時(shí)兩者的差別更大；但當(dāng)板單元的剛度增到很大的數(shù)量級(jí)時(shí)，板單元接近于剛性體，按柔性墩臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果都非常接近于剛性墩臺(tái)的計(jì)算結(jié)果。

這主要是由于滑道梁本身的剛度不能達(dá)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(guò)大。因此，按高樁墩臺(tái)模型進(jìn)行計(jì)算不能完全反映滑道結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況且是偏于不安全的；采用柔性樁臺(tái)模型進(jìn)行滑道結(jié)構(gòu)計(jì)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(duì)剛度對(duì)內(nèi)力的影響。

5　結(jié)構(gòu)縫處理

為防止滑道產(chǎn)生過(guò)大的不均勻沉降影響組塊的出運(yùn)，設(shè)計(jì)中滑道結(jié)構(gòu)縫間采用榫槽進(jìn)行連接，榫槽內(nèi)填充瀝青木絲板。同時(shí)，為了保證滑道各結(jié)構(gòu)段間形成一個(gè)整體，避免組塊出運(yùn)過(guò)程中滑道結(jié)構(gòu)變位的累加效應(yīng)對(duì)樁基產(chǎn)生不利影響。設(shè)計(jì)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(nèi)預(yù)埋的7條工字鋼進(jìn)行焊接，滑道鋼板從陸域段一直鋪設(shè)到出運(yùn)墩臺(tái)段，跨過(guò)每個(gè)結(jié)構(gòu)縫，使滑道結(jié)構(gòu)段間永遠(yuǎn)處于護(hù)頂狀態(tài)，形成一個(gè)良好的整體，避免了變位對(duì)樁基的不利影響。

6　結(jié)論與建議

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

1）滑道結(jié)構(gòu)是一種介于墩臺(tái)和板之間的結(jié)構(gòu)。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(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算是不夠安全的。因此，在計(jì)算中應(yīng)充分考慮滑道梁和樁基之間的相對(duì)剛度及荷載情況，使荷載與結(jié)構(gòu)相互匹配，以保證滑道計(jì)算模式的合理性。

2）設(shè)計(jì)中認(rèn)真分析了組塊拖運(yùn)的操作工藝，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在組塊的出運(yùn)過(guò)程還是回拖過(guò)程中，滑道水平方向的合力都為0，構(gòu)成一個(gè)平衡的受力系統(tǒng)，排除巨大摩擦力對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的干擾，明確了結(jié)構(gòu)的受力情況。

3）為了維持這種水平受力平衡狀態(tài)，設(shè)計(jì)中采取了一定的構(gòu)造措施，以保證滑道結(jié)構(gòu)的整體性；同時(shí)在組塊出運(yùn)過(guò)程中，不宜有突啟或突止的情況發(fā)生，應(yīng)確保組塊操作的各個(gè)過(guò)程緩慢、平穩(wěn)、安全。

4）滑靴偏離滑道梁中心線時(shí)為滑道設(shè)計(jì)的最不利工況，計(jì)算中應(yīng)充分考慮這一工況，嚴(yán)禁滑靴偏離中心線超過(guò)設(shè)計(jì)限值。

[1]JTS 167-1—2010，高樁碼頭設(shè)計(jì)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(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 151—2011,Design code for concrete structures of port and waterway engineering[S].

[4]雷鵬，謝長(zhǎng)文.海工產(chǎn)品拖拉滑移裝置設(shè)計(jì)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：limei@fdine.net