一種高瘦沉箱半潛駁拖航加固方法

白 俊，江岳松

1.中國港灣西部非洲區域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524000

1 工程概況

加納特碼LNG項目位于非洲西部，加納南部沿海，瀕臨幾內亞灣的北側，特碼港西防波堤外側。2017年6—8月，每月最大有效波高在1.5m以上的天數可達10d以上，波高在2m以上的天數累計不小于5d，而全天波高在1.1m以下的天數月均不到一周，波浪周期在7～19s變化，季風期的海況條件較為惡劣。項目碼頭結構采用離岸重力式獨立墩沉箱結構，共有靠船墩沉箱2件，系纜墩沉箱5件。沉箱出運碼頭至安裝現場直線距離為4.6km，實際半潛駁拖航路徑長約7km，其中經過無掩護海域約5km。

因離岸重力式碼頭沉箱的設計一般高寬比較大，在使用半潛駁拖航沉箱經過近岸無掩護海域時，其寬度方向的抗滑和抗傾覆穩定性較差。根據力和力矩的平衡原理，需要對沉箱橫縱方向的受力和抗滑抗傾穩定性進行核算。當其抗滑抗傾穩定性不滿足要求時，必須對沉箱進行拖航加固，并限定拖航的作業條件，以保證整個拖航作業的安全?；诩蛹{特碼LNG碼頭工程項目的高瘦沉箱在長周期波且無掩護海域拖航的成功經驗，文章介紹了沉箱拖航穩定計算和簡易的加固方法，以為類似施工提供參考。

2 沉箱拖航穩定性計算

2.1 沉箱對甲板的作用力計算

兩種沉箱的主體尺寸不同，以高寬比較大的靠船墩沉箱為例，該沉箱重約1991t，長為19.41m，底寬為12.62m，實寬為9.62m，高為18m，重心位置分別為Xc=5.85m、Yc=9.71m、Zc=7.09m；橫向風作用面積為349.38m2，縱向風作用面積為176.16m2。沉箱底部支墊0.4m厚的枕木，半潛駁裝載沉箱后吃水3.6m，甲板面到水線高為2m?？看粘料鋮等绫?所示，沉箱上半潛駁后的位置如圖1所示。項目采用四航湛江號為拖航半潛駁，其船長為67.8m，型寬為37.2m，型深（至舉升甲板）為5.6m，設計吃水4.34m，載重量為4500t，塢墻寬為3.6m。

圖1 沉箱上半潛駁后的位置圖（單位：mm）

表1 靠船墩沉箱參數 單位：m

2.2 沉箱平衡計算

平衡計算應分別校核橫向滑動、橫向翻轉和縱向滑動。因干木板與鋼板間的摩擦系數一般小于其與光滑混凝土面間的摩擦系數，故將沉箱與木方假定為一個整體計算[1]。

（1）橫向滑動。橫向滑動平衡應滿足下式：

式中：Fy為拖航時沉箱作用于甲板的水平橫向力；Fz為拖航時沉箱垂直于甲板的豎向作用力；μ為鋼與干木板的摩擦系數，取0.3。縱向滑動與橫向滑動計算方式相似。

（2）橫向翻轉。橫向翻轉平衡應滿足下式：

式中：a為橫向力Fy繞轉動重心翻轉的力臂，a=7.09m；b為垂向力Fz繞轉動重心翻轉的力臂，b=12.62÷2=6.31m。

根據沉箱拖航工況要求計算的結果如表2所示。根據表2計算結果和結論，在拖航時，沉箱不會產生縱向滑動和翻轉，但因為其橫向力Fy=5012kN＞μFz=4068kN，所以必須在橫向采取加固限位措施，保證沉箱的拖航穩定。

表2 根據沉箱拖航工況要求計算的結果

3 沉箱加固方式

3.1 三角架平、立面布置

在沉箱上半潛駁后，沿沉箱長度方向每邊各布置4個鋼支撐，鋼支撐由雙拼20a#槽鋼三角架和厚16mm的鋼板底座組合而成。底座與船體甲板焊接，三角架加貼沉箱的一側安裝1cm厚的膠皮，以便其可與沉箱保持緊密接觸[2]。

3.2 鋼支撐強度驗算

（1）底座驗算。鋼板分為底座和三角兩種，鋼板尺寸為1000mm×300mm×40mm，厚度為16mm，焊接在船體甲板上，其水平面和雙拼20#槽鋼三角架焊接。沉箱在上駁過程中，氣囊額定工作壓強為0.4MPa，遠小于鋼板受力215N/mm2，即215MPa，故鋼板強度滿足要求[3]。

（2）焊縫強度驗算。第一，焊腳尺寸計算，根據如下公式：

式中：tmax為鋼板厚度，tmin為槽鋼的厚度，分別為16mm、11mm；hf為焊縫焊腳尺寸，經計算，此次hf取9mm。

第二，焊縫長度計算。鋼板長L=1000mm，則焊縫有效長度為

第三，角焊縫有效截面面積計算。角焊縫有效截面面積為

第四，應力計算。經計算，截面抵抗矩Ww為2025080.4mm3，拉力Nti為154kN，剪力Nu為236kN，彎矩M為118079.49kN·mm，拉力Nti所產生的應力σfn=12.41N/mm2，剪力Nu所產生的應力τfv=19.09N/mm2，彎矩M所產生的應力σfM=58.31N/mm2。

第五，角焊縫強度驗算。三腳架在受到沉箱對其拉力、剪力、彎矩的共同作用下，在角焊縫的有效截面上，對受力最大的應力點進行強度驗算，公式如下：

式中：βf為斜向角焊縫強度增大系數，直接承受動力荷載時，取1.0；ffw為角焊縫抗拉、抗壓和抗剪強度設計值，查表可得為160N/mm2。

經計算得，73.25N/mm2＜160N/mm2，角焊縫滿足強度要求。π型鋼板與甲板焊接焊縫強度驗算同上，均滿足強度要求?，F假設在不利的情況下，有一23.6t（236kN）的作用力作用在每一個三角架上，三角架同時受剪力和拉力作用。經驗算，每個三角架可承受23.6t（236kN）作用力，且各個強度均滿足要求，沉箱在拖航時保持穩定，不產生滑移。沉箱采用三角架加固后，橫向滑動、縱向滑動以及翻轉情況計算數據具體如表3所示。

表3 加固三角架后橫、縱向滑動及翻轉計算結論

4 結束語

文章結合半潛駁的允許作業條件和拖航經驗，界定了半潛駁在拖航沉箱時橫縱方向最大搖擺角（縱向5°、橫向10°）和搖擺周期（10s），以及在拖航時當日最大有效波高不超過1.3m，平均波浪周期在12s和14s之間的參數條件，并據此進行了沉箱拖航時抗滑抗傾核算和加固三角架的設計。利用此簡易加固方法，成功完成了所有加納特碼LNG碼頭工程項目全部沉箱的拖航施工，可為類似項目提供參考。此外，該三角架是采用焊接方法固定在π型底座上，也可以使用螺栓連接的方式，通過一定的計算復核確定螺栓的數量和規格。以螺栓拆裝替代三角架的焊接和割除，施工起來更為簡單，用時更少，是進一步優化加固的途徑之一。