一種鋼制滑道塊的設計分析

姜立群，劉全剛，黃先超，楊明旺，李 強

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

我公司青島場地大型平臺導管架在滑道(滑塊壓樁式滑道)上進行建造，完工后拖拉裝船，滑塊為平臺導管架拖拉裝船的滑移基礎。滑道塊是平臺導管架拖拉裝船的滑移基礎，隨著海洋油氣開發向深水發展，海洋平臺導管架噸位不斷增大，現有的以固結混凝土連接的滑道塊已經不能滿足大噸位平臺導管架拖拉裝船的作業要求，常常出現滑塊破壞現象[1]。

駁船在風、浪、流以及船行波等載荷的影響下，不可避免的產生晃動，促使滑道碼頭前沿幾個滑塊隨船體一起晃動，駁船在鋼絲繩的拖拉作用下，碼頭前沿位置處的滑道塊所承受的水平壓力較大，極端情況下會導致碼頭前沿的水泥滑道塊被剪斷。

作為滑移基礎的滑塊，必須滿足拖拉裝船的作業要求，為了改善鋼筋混凝土滑道塊的抗剪能力差，不滿足導管架拖拉裝船的要求的問題，本文結合公司現有3#滑道的滑塊所承受荷載及各種工況，應用有限元分析，成功設計了一種鋼制滑道塊。

1 設計理念

鋼制滑道塊的設計理念：

(1)鋼材具有更為良好的抗疲勞，抗沖擊，抗剪切性能，結構的安全性高，選取D36材質；

(2)從節能減排的原則出發，在綜合分析碼頭前沿地基承載能力和滑塊結構強度下，鋼制滑道塊將采取上窄下寬的結構設計形式；

(3)考慮材料余廢料及材料循環利用，以及滑道塊預制的便利性，鋼制滑道塊全部采用余廢料，現場制作，并做好編號回收處理。

2 荷載分析

導管架結構片預制完成后，在滑道上進行總裝，滑道上擺放2條由鋼筋混凝土澆筑成的連續滑道塊，滑道塊與滑道板之間，滑道塊之間均抹水泥砂漿找平，導管架的下水桁架通過滑靴放置于2條滑道塊上。滑靴與滑道塊之間鋪設特殊的減摩材料(特氟龍鋼板)用以降低拖拉時的摩擦系數[2]。

圖1 滑塊受力示意圖

在不考慮極端惡劣環境荷載的情況下，鋼結構滑塊所受的荷載主要包括：滑塊自重G、導管架及滑靴對滑塊的豎直壓力N及摩擦力f、船搖臂對滑塊的水平壓力Ft及摩擦力Fv。滑塊的受力及約束示意圖，如圖1所示。

麗水導管架拖拉過程中鋼制滑道塊主要承受導管架的重量，承受導管架拖拉的摩擦力，船搖臂的頂壓作用和搖臂與滑塊間的摩擦力作用。因此，把滑塊設計為如圖2所示的鋼結構滑道塊，并設計了托盤，以便于固定，防止滑移。

圖2 鋼制滑塊三維視圖

3 有限元分析

3.1 簡化模型

應用有限元分析軟件ANSYS對該鋼結構滑塊進行計算分析，鋼板采用SHELL63的4節點殼單元建立有限元模型。建立滑塊結構的力學簡化模型，如圖3所示。

圖3 滑塊的力學簡化模型

3.2 組合工況

由于在導管架拖拉過程中位置不斷發生變化，船在風、浪、流以及船行波的影響下鋼制滑道塊的受力狀態存在不確定性，所以對其受力較為危險的工況組合進行如下分析：

第一種工況，滑道塊主要承受，向上摩擦力、頂靠力；

第二種工況，滑道塊主要承受，向上摩擦力、頂靠力、頂面壓力、摩擦力；

第三種工況，滑道塊主要承受，向左摩擦力、頂靠力、頂面壓力、摩擦力。

由于在滑塊表面壓力荷載、摩擦力和重力的作用下，結構各點一般為復雜應力狀態，結構所采用的材料都是具有較好延性的鋼材，作為強度評判的準則一般采用第四強度理論，其折算應力或等效應力按下式計算，稱為Von Mises等效應力：

3.3 有限元結果分析

第一種工況的計算結果：

如圖4和圖5分別為滑塊在工況一下的整體等效應力及總位移圖。最大等效應力σmax=124.916MPa，發生在滑塊與托盤的連接處；最大綜合位移Umax=4.537 mm，發生在托盤最外端。

圖4 工況一下整體等效應力云圖

圖5 工況一下整體等效變形云圖

第二種工況的計算結果：

圖6和圖7分別為滑塊在工況二下的整體等效應力及總位移圖。最大等效應力σmax=118.133MPa，發生在滑塊與托盤的連接處；最大綜合位移Umax=5.133 mm，發生在托盤最外端。

圖6 工況二下整體等效應力云圖

圖7 工況二下整體等效變形云圖

第三種工況的計算結果：

圖8和圖9分別為滑塊在工況三下的整體等效應力及總位移圖。最大等效應力σmax=200.161MPa，發生在滑塊與托盤的連接處；最大綜合位移Umax=5.717 mm，發生在托盤最外端。

圖8 工況三下整體等效應力云圖

圖9 工況三下整體等效變形云圖

3.4 校核結果

由于鋼制滑道塊選取的材質為D36，屈服強度為σs=355MPa，按照美國鋼結構建造學會(AISC)鋼結構建筑物規范-許用應力設計[3]，鋼板的容許應力為[σ]=0.6σs=213MPa。

受力較大的工況三，最大等效應力σmax=200.161MPa<[σ]=0.6σs=213MPa。由此，得出結論，本文所設計的一種碼頭前沿鋼制滑道塊結構滿足強度要求。

4 滑道塊配重

根據平衡原理，為了保證搖臂的摩擦力不會將鋼制滑道塊一端翹起，為安全起見，在拖拉裝船作業中，公司在考慮1.2倍的安全系數后，選取合適的鋼筋混凝土的墊塊，作為配重塊，對鋼制滑道塊進行固定。

5 結論

隨著大型深水導管架的不斷增多，拖拉裝船對滑道塊及滑道的要求也越來越高。滑道前端滑塊僅靠固結混凝土與滑道粘接已不能滿足大噸位結構滑移上船的作業要求。

通過滑道塊荷載分析，考慮滑道塊常見的三種工況，本文借助有限元工具，經過嚴密的分析計算，將原3#滑道碼頭前沿的鋼筋混凝土滑道塊改造成抗剪、抗壓能力強并易于與滑道固定且整體性更好的鋼結構滑道塊，已經成功應用于麗水導管架的滑移裝船作業。在對鋼制滑道塊進行了加固和防腐處理后，也可以應用于相似類型的其他導管架裝船的作業中，達到重復利用的目的，為公司承建后續大噸位導管架的順利滑移裝船提供保障。