一種鋼制滑道塊的設(shè)計(jì)分析

姜立群，劉全剛，黃先超，楊明旺，李 強(qiáng)

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

我公司青島場(chǎng)地大型平臺(tái)導(dǎo)管架在滑道(滑塊壓樁式滑道)上進(jìn)行建造，完工后拖拉裝船，滑塊為平臺(tái)導(dǎo)管架拖拉裝船的滑移基礎(chǔ)?；缐K是平臺(tái)導(dǎo)管架拖拉裝船的滑移基礎(chǔ)，隨著海洋油氣開發(fā)向深水發(fā)展，海洋平臺(tái)導(dǎo)管架噸位不斷增大，現(xiàn)有的以固結(jié)混凝土連接的滑道塊已經(jīng)不能滿足大噸位平臺(tái)導(dǎo)管架拖拉裝船的作業(yè)要求，常常出現(xiàn)滑塊破壞現(xiàn)象[1]。

駁船在風(fēng)、浪、流以及船行波等載荷的影響下，不可避免的產(chǎn)生晃動(dòng)，促使滑道碼頭前沿幾個(gè)滑塊隨船體一起晃動(dòng)，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(huì)導(dǎo)致碼頭前沿的水泥滑道塊被剪斷。

作為滑移基礎(chǔ)的滑塊，必須滿足拖拉裝船的作業(yè)要求，為了改善鋼筋混凝土滑道塊的抗剪能力差，不滿足導(dǎo)管架拖拉裝船的要求的問(wèn)題，本文結(jié)合公司現(xiàn)有3#滑道的滑塊所承受荷載及各種工況，應(yīng)用有限元分析，成功設(shè)計(jì)了一種鋼制滑道塊。

1 設(shè)計(jì)理念

鋼制滑道塊的設(shè)計(jì)理念：

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

(2)從節(jié)能減排的原則出發(fā)，在綜合分析碼頭前沿地基承載能力和滑塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下，鋼制滑道塊將采取上窄下寬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式；

(3)考慮材料余廢料及材料循環(huán)利用，以及滑道塊預(yù)制的便利性，鋼制滑道塊全部采用余廢料，現(xiàn)場(chǎng)制作，并做好編號(hào)回收處理。

2 荷載分析

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)片預(yù)制完成后，在滑道上進(jìn)行總裝，滑道上擺放2條由鋼筋混凝土澆筑成的連續(xù)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(dǎo)管架的下水桁架通過(guò)滑靴放置于2條滑道塊上。滑靴與滑道塊之間鋪設(shè)特殊的減摩材料(特氟龍鋼板)用以降低拖拉時(shí)的摩擦系數(shù)[2]。

圖1 滑塊受力示意圖

在不考慮極端惡劣環(huán)境荷載的情況下，鋼結(jié)構(gòu)滑塊所受的荷載主要包括：滑塊自重G、導(dǎo)管架及滑靴對(duì)滑塊的豎直壓力N及摩擦力f、船搖臂對(duì)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(dǎo)管架拖拉過(guò)程中鋼制滑道塊主要承受導(dǎo)管架的重量，承受導(dǎo)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(shè)計(jì)為如圖2所示的鋼結(jié)構(gòu)滑道塊，并設(shè)計(jì)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(jiǎn)化模型

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)滑塊進(jìn)行計(jì)算分析，鋼板采用SHELL63的4節(jié)點(diǎn)殼單元建立有限元模型。建立滑塊結(jié)構(gòu)的力學(xué)簡(jiǎn)化模型，如圖3所示。

圖3 滑塊的力學(xué)簡(jiǎn)化模型

3.2 組合工況

由于在導(dǎo)管架拖拉過(guò)程中位置不斷發(fā)生變化，船在風(fēng)、浪、流以及船行波的影響下鋼制滑道塊的受力狀態(tài)存在不確定性，所以對(duì)其受力較為危險(xiǎn)的工況組合進(jìn)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(jié)構(gòu)各點(diǎn)一般為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)所采用的材料都是具有較好延性的鋼材，作為強(qiáng)度評(píng)判的準(zhǔn)則一般采用第四強(qiáng)度理論，其折算應(yīng)力或等效應(yīng)力按下式計(jì)算，稱為Von Mises等效應(yīng)力：

3.3 有限元結(jié)果分析

第一種工況的計(jì)算結(jié)果：

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

圖4 工況一下整體等效應(yīng)力云圖

圖5 工況一下整體等效變形云圖

第二種工況的計(jì)算結(jié)果：

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

圖6 工況二下整體等效應(yīng)力云圖

圖7 工況二下整體等效變形云圖

第三種工況的計(jì)算結(jié)果：

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

圖8 工況三下整體等效應(yīng)力云圖

圖9 工況三下整體等效變形云圖

3.4 校核結(jié)果

由于鋼制滑道塊選取的材質(zhì)為D36，屈服強(qiáng)度為σs=355MPa，按照美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建造學(xué)會(huì)(AISC)鋼結(jié)構(gòu)建筑物規(guī)范-許用應(yīng)力設(shè)計(jì)[3]，鋼板的容許應(yīng)力為[σ]=0.6σs=213MPa。

受力較大的工況三，最大等效應(yīng)力σmax=200.161MPa<[σ]=0.6σs=213MPa。由此，得出結(jié)論，本文所設(shè)計(jì)的一種碼頭前沿鋼制滑道塊結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 滑道塊配重

根據(jù)平衡原理，為了保證搖臂的摩擦力不會(huì)將鋼制滑道塊一端翹起，為安全起見，在拖拉裝船作業(yè)中，公司在考慮1.2倍的安全系數(shù)后，選取合適的鋼筋混凝土的墊塊，作為配重塊，對(duì)鋼制滑道塊進(jìn)行固定。

5 結(jié)論

隨著大型深水導(dǎo)管架的不斷增多，拖拉裝船對(duì)滑道塊及滑道的要求也越來(lái)越高。滑道前端滑塊僅靠固結(jié)混凝土與滑道粘接已不能滿足大噸位結(jié)構(gòu)滑移上船的作業(yè)要求。

通過(guò)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(jīng)過(guò)嚴(yán)密的分析計(jì)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(qiáng)并易于與滑道固定且整體性更好的鋼結(jié)構(gòu)滑道塊，已經(jīng)成功應(yīng)用于麗水導(dǎo)管架的滑移裝船作業(yè)。在對(duì)鋼制滑道塊進(jìn)行了加固和防腐處理后，也可以應(yīng)用于相似類型的其他導(dǎo)管架裝船的作業(yè)中，達(dá)到重復(fù)利用的目的，為公司承建后續(xù)大噸位導(dǎo)管架的順利滑移裝船提供保障。