盧勇，馮臘初

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

自20世紀(jì)80年代初，大直徑鋼圓筒結(jié)構(gòu)引入我國后，因其特有的優(yōu)勢，引起人們的重視。采用鋼圓筒沉入海底，可快速形成人工島，大大減少船機(jī)及海上作業(yè)時(shí)間，大圓筒良好的穩(wěn)定性和止水性能，為后續(xù)工作提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。同時(shí)由于筒內(nèi)不開挖，減少了對海水的污染，利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以往的鋼圓筒直徑均在15 m左右，長度在25 m左右，施工方式采用在施工水域附近選擇制造場地，制造完成后用駁船裝載1或2根鋼圓筒，由拖輪拖帶駁船至施工現(xiàn)場進(jìn)行振沉施工。這種施工方式往往受到制造廠商生產(chǎn)能力和場地條件限制，駁船受天氣因素影響較大，鋼圓筒振沉施工周期往往不能按計(jì)劃完成。某大橋工程主體采用橋隧結(jié)合方案，穿越航道段約6.7 km為隧道方案，隧道兩端各設(shè)置一個(gè)海中人工島，人工島被稱為整個(gè)大橋技術(shù)難度最大、工期最長的主體工程。為降低施工過程對珠江口海、空運(yùn)輸?shù)挠绊懀_(dá)到最佳環(huán)保質(zhì)量，選擇采用大型鋼圓筒快速成島工藝，東、西人工島采用直徑22 m，高40～50 m不等，重量約500 t的鋼圓筒作為島壁結(jié)構(gòu)，鋼圓筒之間采用副格倉形成圍閉島體。鋼圓筒沿人工島岸壁前沿線布置，西人工島內(nèi)設(shè)置分隔圍堰，分為西小島和西大島，西小島圓筒個(gè)數(shù)為17個(gè)，西大島圓筒個(gè)數(shù)為44個(gè)，總數(shù)為61個(gè)；東人工島靠近香港側(cè)，西側(cè)與隧道銜接，東側(cè)與橋銜接，人工島平面基本呈橢圓形，鋼圓筒數(shù)量為59個(gè)[1-2]。鋼圓筒在上海某生產(chǎn)基地生產(chǎn)制造[3]，距筑島施工現(xiàn)場800 n mile，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船需航行4 d左右。本文利用Ansys軟件對鋼圓筒和運(yùn)輸船整體進(jìn)行有限元建模，根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)長期預(yù)測技術(shù)和波譜分析技術(shù)，預(yù)報(bào)貨物在既定環(huán)境中所受外力的方法，通過對鋼圓筒受力計(jì)算分析，參考相關(guān)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力衡準(zhǔn)對鋼圓筒強(qiáng)度和運(yùn)輸船甲板強(qiáng)度進(jìn)行校核，分析大直徑鋼圓筒豎直遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)目尚行浴?/p>

1 海運(yùn)方案

鋼圓筒直徑22.0 m，壁厚16 mm，筒頂標(biāo)高+3.5 m，筒底標(biāo)高為-37.0～-43.0 m，筒重451.44～513.04 t。裝載時(shí)，既要考慮最大限度利用運(yùn)輸船甲板有效裝載面積，同時(shí)又要考慮相鄰的鋼圓筒之間留有一定的空間，避免在吊裝過程中相互影響碰撞，鋼圓筒在船上左右交叉放置，一船可以豎直裝載9個(gè)鋼圓筒，見圖1。

圖1 鋼圓筒運(yùn)輸配載Fig.1 Layout of steel cylinder on transport vessel

2 海運(yùn)分析

該項(xiàng)目航線為上海至廣東珠海，航程總計(jì)約800 n mile，航期共計(jì)約4 d。根據(jù)國際海運(yùn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 GWS（Global Wave Statistics）風(fēng)浪數(shù)據(jù)庫[4]的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)整個(gè)航線中最惡劣的海區(qū)為南中國海（40區(qū)），最惡劣的季節(jié)為9到11月份。將該海區(qū)的海浪譜數(shù)據(jù)作為海上運(yùn)動計(jì)算的設(shè)計(jì)依據(jù)，最終取設(shè)計(jì)有義波高為6 m。

3 船舶運(yùn)動響應(yīng)

根據(jù)航行環(huán)境數(shù)據(jù)以及基于美國NSRDC的FRANK切片理論為基礎(chǔ)（假定船舶各個(gè)自由度運(yùn)動是線性和諧振的，船長比船寬和吃水大很多，可以將三維船體處理為二維切片），建立包括船舶升沉、縱搖、橫蕩、橫搖、艏搖5個(gè)線性耦合的運(yùn)動微分方程，具體方程如下：

方程中的船體水動力系數(shù)通過二維切片水動力系數(shù)的疊加獲得。二維切片水動力系數(shù)采用FRANK精密擬合法（Close Fit Method）計(jì)算，即以剖面周線上若干有限個(gè)點(diǎn)源代替該剖面，程序中1個(gè)剖面最多可允許使用21個(gè)結(jié)點(diǎn)，故具有足夠的計(jì)算精度。對橫搖阻尼中的黏性分量，則采用日本池田良穗等人提出的方法計(jì)算，一般認(rèn)為該方法適用于比較常規(guī)的船型。

利用上述切片理論可計(jì)算得到升沉、縱搖、橫蕩、橫搖、艏搖在規(guī)則波中的頻率響應(yīng)函數(shù)，然后再利用線性疊加原理得到船舶在不規(guī)則波中的響應(yīng)，即運(yùn)動幅值和加速度，見表1。

表1 航運(yùn)加速度線性化加速度方程Table 1 Linearized acceleration equation of shipping acceleration

4 鋼圓筒海運(yùn)綁扎

以運(yùn)輸船的航線海洋環(huán)境參數(shù)為基礎(chǔ)，如波浪、水流、風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)，利用軟件計(jì)算每航次運(yùn)輸船的加速度，作為海綁依據(jù)，并對鋼圓筒與運(yùn)輸船整體建模，以加速度為依據(jù)推導(dǎo)出海運(yùn)荷載，計(jì)算出相應(yīng)海況下的綁扎力。提出了以下綁扎形式：即鋼圓筒直接固定于甲板上，通過每隔10°設(shè)置1個(gè)三角板，將鋼圓筒與運(yùn)輸船固定，見圖2。既能滿足海綁強(qiáng)度要求，又能保證現(xiàn)場施工的方便性，同時(shí)材料利用率又能較高。運(yùn)輸船多航次運(yùn)輸，綁扎三角板可以重復(fù)利用，大大降低成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖2 鋼圓筒綁扎Fig.2 Seafastening on steel cylinder

5 海運(yùn)結(jié)構(gòu)計(jì)算

在鋼圓筒有限元建模中，鋼圓筒筒體及下部卡板采用shell63單元，筒體加強(qiáng)筋采用beam188單元，對卡板底邊采用全約束。風(fēng)載計(jì)算基于DNV船級社規(guī)范[5]，風(fēng)壓計(jì)算公式：

式中：ρa(bǔ)為空氣密度風(fēng)速；A為考慮形狀系數(shù)、遮蔽效應(yīng)之后垂直于風(fēng)向的投影面積。風(fēng)載最終折算成慣性加速度以慣性力的方式加入到計(jì)算模型中。

在有限元模型中加載采用最大加速度組合，見表2。

表2 最大加速度組合Table 2 Maximum acceleration combination

鋼圓筒和卡板均采用Q345材料，根據(jù)《歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，其對應(yīng)的許用正應(yīng)力：=313.64 MPa，許用剪應(yīng)力由計(jì)算結(jié)果可知，90°橫浪工況下圓筒本體最大正應(yīng)力為178 MPa，卡板最大正應(yīng)力為220.74 MPa，圓筒本體最大剪應(yīng)力為68.8 MPa，卡板最大剪應(yīng)力為21.76 MPa，均小于許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

6 運(yùn)輸船甲板強(qiáng)度計(jì)算

鋼圓筒豎立放置于船甲板上，通過卡板撐桿與運(yùn)輸船甲板焊接，對船體建立有限元模型進(jìn)行甲板強(qiáng)度有限元計(jì)算。坐標(biāo)系取OXYZ右手坐標(biāo)系，O為尾垂線與基線的交點(diǎn)，X方向?yàn)榇w的縱向，以向船首方向?yàn)檎?；Y方向?yàn)榇w的橫向，以船中線向左舷為正；Z方向?yàn)榇w的垂向，以基線向上為正。船體外板、甲板板、艙壁以及T型材的腹板采用面單元模擬，甲板縱骨、扶強(qiáng)材和T型材的面板采用梁單元模擬。

船體材料為一般強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼，材料最小屈服應(yīng)力：Fy=235 MPa，根據(jù)《散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南》[7]，相當(dāng)應(yīng)力許用值為[σe]=195 MPa，剪應(yīng)力許用值為 [τ]=95 MPa，從應(yīng)力分析結(jié)果可知，最大相當(dāng)應(yīng)力為133.55 MPa，最大剪應(yīng)力為43.42 MPa，未超過材料的許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

7 運(yùn)輸船的抗風(fēng)能力

9個(gè)鋼圓筒豎直放置于運(yùn)輸船上，橫向受風(fēng)面積為5 904 m2，縱向受風(fēng)面積1 755 m2，運(yùn)輸船橫向受風(fēng)面積2 542 m2，縱向受風(fēng)面積231 m2（其余部分被鋼圓筒覆蓋）；計(jì)算風(fēng)速取8級風(fēng)最大值20.7 m/s；根據(jù)風(fēng)作用力計(jì)算，則當(dāng)船速為2.5 m/s（約5 kn），即假定船在風(fēng)中仍以5 kn左右的航速航行，最大風(fēng)阻力為790 kN；運(yùn)輸船船體浸水面積S≈10 140 m2，根據(jù)縱向水流計(jì)算公式：Rf=0.14S×V2

式中：S為運(yùn)輸船船體浸水面積；V為船航行速度；最大水流阻力為282 kN；運(yùn)輸船以5 kn左右的航速航行，總阻力=790+282=1 072 kN；運(yùn)輸船主機(jī)最大持續(xù)功率為12 505 kW；轉(zhuǎn)速為75 r/min；螺旋槳直徑為7.8 m。運(yùn)輸船以5 kn航速能夠在8級風(fēng)中頂風(fēng)航行，船的主機(jī)功率滿足航行推進(jìn)的要求。

8 結(jié)語

某大橋島隧工程東、西人工島總計(jì)共120個(gè)大直徑鋼圓筒，經(jīng)過15個(gè)航次的海上運(yùn)輸，前后總共歷時(shí)8個(gè)月，航程約5萬km，已全部完成，并成功實(shí)現(xiàn)“當(dāng)年動工、當(dāng)年成島”目標(biāo)。15個(gè)航次的運(yùn)輸，貫穿了整個(gè)臺風(fēng)頻發(fā)的夏季，其中的5個(gè)航次受到了臺風(fēng)一定程度的影響，由于運(yùn)輸技術(shù)方案設(shè)計(jì)合理周到，應(yīng)急預(yù)案完善，最終都成功躲避臺風(fēng)的襲擊，順利抵達(dá)施工現(xiàn)場。

本文基于大直徑鋼圓筒結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，對大直徑鋼圓筒豎直運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了闡述和研究，證明了大直徑鋼圓筒遠(yuǎn)洋豎直運(yùn)輸?shù)目尚行院桶踩?。這種運(yùn)輸方式能夠大大縮短鋼圓筒交付時(shí)間，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，對其他類似貨物運(yùn)輸具有一定的借鑒意義。