履帶吊上方駁施工可靠性分析

熊偉

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 400000）

已完工的馬爾代夫跨海大橋的施工，為本公司的外海跨海大橋施工積累了寶貴的施工經驗，隨著越來越多的跨海大橋施工要求與施工環(huán)境不同，以及對成本控制及使用安全的需求，同時，也是特定國別船機設備資源的限制，為了保證項目安全順利施工，采取履帶吊上駁船的特殊施工工藝。

1 履帶吊上駁船可行性施工說明

針對巴西薩爾瓦多跨海大橋項目所考慮的履帶吊上方駁形成組合方駁方案，進行施工窗口期、加固方案分析。

方駁在波浪、風、水流等作用下，產生縱搖、橫搖等六自由度運動，履帶吊在隨方駁同步搖動時，應在船舶傾斜下能抵抗船體六自由度運動引起的慣性力，并不發(fā)生滑移和傾覆。

同時，履帶吊的接地比壓一般大于船舶甲板設計承載力，故考慮通過路基板等形式對履帶吊進行荷載分攤。

履帶吊在方駁上的布置圖，如圖1所示，考慮其通過路基板分攤荷載，路基板位于橫艙壁以及船首橫肋上，項目部考慮的極限工況為18m吊幅和50t吊重。

圖1 履帶吊在3000t方駁上的布置

2 履帶吊上駁船施工基本條件

（1）生存工況波浪條件：H=2m，做加固分析時，周期取最危險工況下的周期和浪向角。

（2）作業(yè)工況波浪條件：H=1m，做加固分析時，周期取最危險工況下的周期和浪向角。

（3）履帶吊為300t履帶吊，站位規(guī)格參數13320×3000×3200mm。

（4）船舶基本參數如表1所示。

表1 船舶基本參數

3 調研

調研國內外已有項目案例，具體如圖2所示。

圖2 類似加固案例調研

除了結構安全外，履帶吊在船舶上作業(yè)時，由于船舶存在一定的傾角，以及吊物在慣性力下的作用，一般需進行性能折減。從《300T履帶起重機駁船作業(yè)作業(yè)安全研究與應用》論文中，可以得出履帶吊吊重折減系數，在船舶搖擺幅度為1～3度時，吊重折減系數為0.9～0.8；在德馬格CC1400 250T起重機的履帶吊性能參數表中，指出在1°傾角下，履帶吊負荷應折減15%；在2°傾角下，履帶吊負荷應折減30%。在巴拿馬項目經驗中，履帶吊在駁船上進行起重作業(yè)吊重折減系數為0.8。

4 工作下靜水浮態(tài)分析

考慮在設計吃水下，通過Sesam/Gemie建模，建立模型圖如圖3所示。

圖3 Sesam/Gemie創(chuàng)建模型圖

根據Sesam/HydroD計算，18m吊幅和50t吊重下，引起縱傾角約0.49°，橫傾角約0.93°。

5 波浪下的運動響應

計算方駁屬于大尺度結構物，主要承受波浪的慣性力和繞射力，可采用繞射理論計算，應用三維勢流理論和面元法求解方駁的運動響應及波浪載荷，計算可得船舶在波浪作用下的橫搖、縱搖值，如圖4、5所示。

圖4 單位波高下的船舶橫搖運動響應

圖5 單位波高下的船舶縱搖運動響應

6 施工窗口期

根據馬爾代夫項目實測數據，當橫搖幅值大于0.6°或縱搖大于0.7°時，吊裝作業(yè)完全無法進行；當橫搖幅值小于0.5°且縱搖幅值小于0.55°時，起重船可以正常作業(yè)；其他情況視被吊物的重量及安裝精度而定。考慮到吊裝作業(yè)受工人操作風險承擔能力影響比較大，同時樣本點中，更多數據集中在0.45°縱搖范圍內，故考慮0.45°作為設備選型的依據。

根據Matlab編制的波浪窗口期分析程序，考慮波浪后報數據中大波偏小，在大于1m波高范圍內，后報數據統(tǒng)計的頻率較實測有約5%的誤差，計算窗口期結果中將扣除這5%的誤差，以此作為合理的誤差糾正。

分析可得各墩位月平均及年平均的施工波浪窗口期，計算結果未考慮因雷雨天氣、節(jié)假日造成的窗口期折減，僅考慮由于波浪引起的窗口期要求。

7 履帶吊在方駁上的荷載分攤

由于履帶吊配重和扒桿長度不同，將導致履帶吊不同的接地比壓，在當前項目暫未租賃階段，考慮最長扒桿長度和最大配重進行復核，即在90m扒桿下。

履帶吊總重362.8t，考慮50t吊重，履帶吊輪長10m、輪寬1.22m，則履帶吊接地比壓為：

遠大于通常該規(guī)格方駁的50～80kPa。考慮采用2塊12m長×4.58m寬的路基板分攤荷載，路基板自重共40t，則分攤后，荷載為

可以滿足要求。同時，為了安全起見，履帶吊位于船首橫艙壁及加強肋骨上。

8 履帶吊在方駁上的穩(wěn)定性分析及加固設計

履帶吊在方駁上，一方面，由于船舶在吊物吊重下會產生傾斜角；另一方面，由于縱橫搖作用下會產生搖擺角，在兩個角度疊加下，履帶吊的回復力矩和抗滑力會變小。在船舶運動下，履帶吊和重物會產生加速度，在慣性力作用下，履帶吊也會存在更大的滑移力和傾覆力矩。

抗傾覆能力：在工作工況和生存工況中，由于生存工況不存在吊物引起的傾覆力矩，計算的極端工況屬于工作工況下的最大極限吊裝工況。

通過SESAM計算，可得出工作海況下重物的重力加速度為0.6m/s2，履帶吊的重力加速度為0.525m/s2，在工作允許海況下，船舶橫搖傾角0.45°，考慮存在起吊后無法安裝的情況，考慮取安全值為1°，由于吊物自重導致的傾角為0.93°。

在船上吊裝運動時，起傾覆力矩的重物會產生一定的加速度，起回復支撐作用的履帶吊整體也會產生一定的加速度。最極限的工況是船上履帶吊吊物時，起回復作用的履帶吊，其存在向上的加速度，相當于存在向上的慣性力，從而折減了回復力和回復力矩；而吊物受到向下的加速度，相當于吊物自重增加，從而增加了傾覆力矩；與此同時，由于船舶傾角的影響，導致回復力臂發(fā)生了折減。

因項目尚處未開工階段，履帶吊選型未定，考慮履帶吊配重在120t～160t，選取回復力矩更小的120t進行計算，考慮扒桿長度小于或等于72m。則根據履帶吊性能參數表，其在平地上的最大回復力矩為：

考慮其自重約為325t，則履帶吊的回復力臂約為3.6m。

在慣性加速度的影響下，同時，船舶共產生傾角1.93°，則可以考慮回復力臂存在一定折減，則履帶吊回復力矩為：

而對于18m吊幅和50t重物而言，由于重物存在0.6m/s2的加速度，由于雙擺共振下，吊物運動較為復雜，考慮1.2倍的安全系數，則重物產生的彎矩如下所示：

其中

存在傾覆風險，需額外補充165.8kN×m回復力矩。

考慮到履帶吊下方已墊有路基板，當采用型鋼將履帶吊與路基板連成一體后，路基板相當于額外配重，起到了回復力矩的作用。由于路基板產生的回復力矩為：

采用工25型鋼，對履帶吊履帶進行限位，當施加20t荷載時，考慮1.5倍的荷載組合，計算型鋼應力162MPa。

考慮斜撐45°夾角，考慮焊腳高度5mm滿焊，滿焊下焊縫長度約為3m。

9 結語

本文以歷史5年波浪后報數據為參照，計算了巴西薩爾瓦多跨海大橋300t履帶吊在77m方駁上的施工窗口期、甲板荷載分攤和履帶吊的加固方案。通過窗口期分析，以馬代0.45°運動幅度下可施工為標準，該船在各墩位的年平均窗口期在80%以上；履帶吊在方駁上的荷載分攤方面，擬采用2塊12m長×4.58m寬的路基板分攤荷載；在船舶上加固方面，通過抗傾覆和抗滑移計算分析，通過左右兩側6根14t花籃螺栓設計，首尾兩側4根14t花籃螺栓設計，花籃螺栓水平夾角約40°，花籃螺栓長度不夠時，與破斷應力49t的鋼絲繩連接，鋼絲繩直徑約30mm，同時，采用工25型鋼在路基板上固定履帶吊履帶；履帶吊上方駁后，履帶吊性能參數按80%折減配型；通過以上配置與計算分析，滿足安全使用要求。計算分析以履帶吊配重120～160t為依據，扒桿長度不超過72m為依據，考慮極限工況為50t×18m進行分析；考慮極限生存工況的作業(yè)波高為2m，在2m波高及以上的海況來臨之前，組合浮吊應前往錨區(qū)拋錨定位。