張亞雄

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海 200063 ; 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海 200063)

一種新型浮船塢錨泊錨碇的設(shè)計(jì)和施工方法

張亞雄1,2

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海 200063 ; 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海 200063)

針對(duì)浮船塢錨泊錨碇設(shè)計(jì)和施工中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，總結(jié)分析不同錨泊方案和不同錨碇形式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新型的錨碇設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合巴西東南部某大型浮船塢工程的設(shè)計(jì)和咨詢案例，解決設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，并形成一套有效的設(shè)計(jì)方法。

浮船塢；錨泊系統(tǒng)；錨碇

0 引 言

與干船塢相比，浮船塢具有造價(jià)低、建造周期短、機(jī)動(dòng)靈活、便于遷移等優(yōu)點(diǎn)，且不占用陸域面積，適用于萬(wàn)噸以上船舶的小修、塢修和事故修理，受到船務(wù)公司的青睞。浮船塢的設(shè)計(jì)包括船體設(shè)計(jì)、浮塢坑和錨泊設(shè)施設(shè)計(jì)等3部分，船體設(shè)計(jì)由船舶設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)，浮塢坑和錨泊設(shè)施設(shè)計(jì)由土建設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)。因浮塢坑設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，本文關(guān)注的重點(diǎn)是錨泊設(shè)施設(shè)計(jì)。

浮船塢通常的系泊方式有錨泊錨碇和抱樁錨碇兩種，兩種方式的比較如表1所示[1]。

表1 浮船塢系泊方式優(yōu)缺點(diǎn)匯總

對(duì)于錨泊錨碇，在船塢的橫向和縱向拋出數(shù)根錨鏈，錨鏈的末端卸扣通過(guò)系鏈環(huán)與水底錨塊或錨樁連接[2]。錨塊為鋼筋混凝土沉石結(jié)構(gòu)，呈棱臺(tái)形狀，沉石頂部回填一定厚度的砂石(厚度根據(jù)計(jì)算確定)，目的是增加錨塊的垂直破土力和水平抗滑力。嵌巖錨樁一般適用于地質(zhì)條件較好(中風(fēng)化巖層層面較高)的區(qū)域，依靠樁周地層的水平抗力和樁側(cè)摩擦阻力來(lái)抵抗通過(guò)錨鏈傳來(lái)的系泊力。

近年來(lái)，隨著浮船塢朝大型化發(fā)展以及浮船塢在復(fù)雜海域中應(yīng)用增多，浮船塢傳給錨碇設(shè)施的錨泊力變得很大，傳統(tǒng)的錨塊/嵌巖錨樁已經(jīng)不能滿足浮船塢的錨泊需要。本文結(jié)合巴西某浮船塢錨泊設(shè)施設(shè)計(jì)咨詢項(xiàng)目，提出一種新型錨泊錨碇設(shè)計(jì)方案，并就設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行專題研究。

1 工程背景

擬建浮船塢項(xiàng)目位于巴西東南部圣埃斯皮里圖的阿拉克魯士(Aracruz)自治市，投資方是阿拉克魯士裕廊船廠，屬于新加坡裕廊船廠的全資子公司。擬建的浮船塢位于疏浚形成的港池內(nèi)，港池周圍建有防波堤對(duì)港池進(jìn)行掩護(hù)，港池口門(mén)位于東北側(cè)和南側(cè)。項(xiàng)目平面位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目平面位置

根據(jù)水文分析公司提供的資料，港池內(nèi)浮船塢附近的風(fēng)浪條件如表2所示。

表2 浮船塢附近風(fēng)浪要素匯總 m

2 方案選擇

首先考慮抱樁錨碇方案，要求通過(guò)模型試驗(yàn)分析抱樁系泊的外力，浮船塢設(shè)計(jì)單位對(duì)其進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 抱樁系泊力匯總 kN

對(duì)于抱樁，可采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)和重力式沉箱結(jié)構(gòu)。經(jīng)調(diào)研，工程區(qū)域附近沒(méi)有大型的沉箱預(yù)制場(chǎng)，故優(yōu)先考慮采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。經(jīng)初步計(jì)算分析，對(duì)單個(gè)抱樁平臺(tái)，需設(shè)置264根灌注樁，樁徑為1 200 mm，樁長(zhǎng)不小于36 m。抱樁的剖面圖和單個(gè)抱樁的樁基布置圖如圖2和圖3所示。

圖2 抱樁系泊剖面

采用此方案的施工造價(jià)太高，業(yè)主無(wú)法接受，同時(shí)，當(dāng)?shù)爻邪讨荒荜懮献龉嘧?，如果采用此方案，將無(wú)法在防波堤處按設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行開(kāi)挖并施工護(hù)坡，也無(wú)法保證防波堤結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性，故建議建設(shè)單位采用錨泊錨碇的系泊方式。

圖3 抱樁平臺(tái)樁基布置

對(duì)于錨泊錨碇的系泊方式有兩種結(jié)構(gòu)形式可供選擇：錨樁和錨塊。根據(jù)浮船塢設(shè)計(jì)單位提供的資料，錨點(diǎn)處標(biāo)高-17.5 m，極端天文低潮時(shí)水深最小為17 m，若采用錨樁，則需在深水區(qū)施工灌注樁?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，當(dāng)?shù)爻邪虥](méi)有在深水區(qū)施工灌注樁的經(jīng)驗(yàn)和能力，故認(rèn)為錨樁方案不可行，最終采用錨塊的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)浮船塢船體設(shè)計(jì)單位提供的資料，浮船塢船體共設(shè)置20個(gè)錨點(diǎn)，錨點(diǎn)平面布置圖如圖4所示，錨點(diǎn)受力如表4所示。

圖4 浮船塢錨泊系統(tǒng)平面布置

表4 錨點(diǎn)受力一覽表 kN

如果采用傳統(tǒng)的棱臺(tái)形錨塊，由于港池的設(shè)計(jì)水深為-16.0 m，浮船塢錨泊錨塊系鏈環(huán)的標(biāo)高不得低于-17.5 m，在錨塊上方壓載砂石料可能會(huì)影響港池內(nèi)船舶的通行，但僅靠棱臺(tái)自重產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力又無(wú)法抵抗錨鏈傳來(lái)的系泊力。

因現(xiàn)場(chǎng)常年有3 600 t大型浮吊作業(yè)，且陸域有空余場(chǎng)地可供沉箱預(yù)制，計(jì)劃采用小型沉箱作為錨塊，在陸域進(jìn)行預(yù)制，預(yù)制完成之后采用浮吊吊運(yùn)至指定區(qū)域，下沉并安裝至先期施工完成的基床上。沉箱內(nèi)回填中粗砂或碎石增加壓重，以增加滑動(dòng)摩擦力，實(shí)現(xiàn)錨塊穩(wěn)定。方案典型剖面圖如圖5和圖6所示。

圖5 錨塊剖面(靠防波堤一側(cè))

圖6 錨塊剖面(遠(yuǎn)離防波堤一側(cè))

3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 錨塊設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)離防波堤的部分，錨塊為錨點(diǎn)I，受力為6 000 kN，與靠近防波堤一側(cè)的錨塊受力相同。對(duì)于靠近防波堤一側(cè)的錨塊，可以通過(guò)堆疊壓塊的方法來(lái)增加自重，增大滑動(dòng)摩擦力。遠(yuǎn)離防波堤一側(cè)的錨塊由于處于船舶通航區(qū)，故不能采用此方案，因此遠(yuǎn)離防波堤一側(cè)的錨塊需做得更大。本文選取遠(yuǎn)離防波堤一側(cè)的錨塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工分析，錨塊的平面模板和剖面模板如圖7和圖8所示。

圖7 錨塊平面模板

圖8 錨塊剖面模板

對(duì)安裝系鏈環(huán)的倉(cāng)隔填充混凝土，為降低錨塊吊裝的施工難度，在與系鏈環(huán)所在倉(cāng)隔對(duì)稱的倉(cāng)隔也填充混凝土，可保證錨塊的重心與形心重合。

3.2 錨塊穩(wěn)定分析

3.2.1 穩(wěn)定分析公式

經(jīng)過(guò)初步估算，抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算不是在控制工況的情況下，抗滑移穩(wěn)定計(jì)算是在控制工況的情況下，抗滑移穩(wěn)定計(jì)算直接決定了沉石的尺寸和設(shè)計(jì)。對(duì)于抗滑移穩(wěn)定的計(jì)算公式，各個(gè)國(guó)家的規(guī)范都有表述，如表5所示。從表5可知，不同國(guó)家規(guī)范下判斷抗滑移穩(wěn)定的計(jì)算公式區(qū)別很大。

表5 抗滑移穩(wěn)定計(jì)算公式匯總

表5中：PRH為系泊力的水平分力；PRV為系泊力的豎向分力；EH為錨塊后方水平土壓力；G為錨塊重力(包括沉箱內(nèi)填料自重)；f為錨塊與下部基床之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；γE為土壓力的分項(xiàng)系數(shù)，取1.35；γPR為系泊力的分項(xiàng)系數(shù)，取1.5。

由于系泊力的水平分力為6 000 kN，遠(yuǎn)大于錨塊后方的土壓力，可知：如果采用中國(guó)規(guī)范，抗滑安全系數(shù)接近1.5；如果采用歐洲規(guī)范，抗滑安全系數(shù)接近1.66；如果采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，抗滑安全系數(shù)為1.6。歐洲規(guī)范與美國(guó)石油協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)較為接近，較中國(guó)規(guī)范要求高，設(shè)計(jì)中采用歐洲規(guī)范，設(shè)計(jì)規(guī)范的選擇相對(duì)保守。

3.2.2 底部特殊設(shè)計(jì)

根據(jù)前文，錨塊底部的摩擦系數(shù)與所需錨塊的重量呈線性關(guān)系，增大摩擦系數(shù)可以有效減小錨塊的尺寸，從而降低施工難度，控制工程造價(jià)。此外，基槽底處水深最大為22.5 m，墊層整平困難，無(wú)法滿足±50 mm的允許偏差值。為增大錨塊底部的摩擦系數(shù)和保證錨塊與下臥墊層的充分接觸，設(shè)計(jì)人員在本工程中采用鋸齒狀的金屬模板作為沉箱預(yù)制的底模板，不拆模，使預(yù)制好的沉箱底部呈鋸齒狀，采用此措施可有效增大錨塊與基床的接觸面積。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋸齒形金屬模板在國(guó)內(nèi)沉箱設(shè)計(jì)中使用罕見(jiàn)，國(guó)內(nèi)規(guī)范也無(wú)類似文獻(xiàn)表述。

根據(jù)墨西哥本土已經(jīng)實(shí)施的某防波堤工程經(jīng)驗(yàn)，鋸齒的尺寸可采用300 mm × 100 mm的直角三角形的兩條直角邊，鋸齒斜邊上的垂線高度控制在90 mm左右。鋸齒形的金屬模板示意圖如圖9所示。

圖9 鋸齒形模板

3.2.3 墊層設(shè)計(jì)

疏浚完成后，基槽下臥層因擾動(dòng)和上方卸土的原因必然出現(xiàn)隆起和松動(dòng)，降低下臥層的內(nèi)摩擦角。另一方面，采用絞吸式挖泥船進(jìn)行疏浚，施工誤差為-400 mm～0 mm，部分基槽底可能呈臺(tái)階狀。要求設(shè)置500 mm厚的拋石墊層，填平疏浚形成的深點(diǎn)，在基槽底部形成一個(gè)剛度相對(duì)較大的墊層，控制不均勻沉降。拋石墊層拋填完成后，采用整平機(jī)對(duì)墊層進(jìn)行整平，整平原理如圖10所示。由于水太深無(wú)法使用潛水員輔助整平，因此適當(dāng)放寬整平的誤差限制，要求誤差控制在±200 mm，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在施工中此種誤差限值是可以達(dá)到的。

圖10 水下基床整平示例

根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 4349-2 中，“沉箱底部鋸齒狀的深度應(yīng)該與底部基床的平均塊石粒徑相匹配，沉箱底部與基床之間的滑動(dòng)摩擦角可以用基床的有效內(nèi)摩擦角代替”的要求，塊石墊層采用中值粒徑為100 mm的塊石。

對(duì)于底部抗滑力的計(jì)算，各個(gè)國(guó)家的規(guī)范都有表述，如表6所示。由表6可知，不同的國(guó)家規(guī)范在對(duì)于如何確定摩擦系數(shù)和相應(yīng)的安全系數(shù)方面存在較大差異。

表6 各國(guó)規(guī)范摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)值匯總

表中，僅有中國(guó)規(guī)范推薦了拋石基床底面與地基土之間摩擦系數(shù)的建議值，對(duì)地基為砂質(zhì)粉土或是細(xì)沙-粗砂的情況，摩擦系數(shù)可取0.35 ～ 0.50。

日本規(guī)范中推薦的滑動(dòng)摩擦系數(shù)是通過(guò)大量的模型試驗(yàn)驗(yàn)證得到的。試驗(yàn)方法為在混凝土塊體上施加水平力，通過(guò)記錄施加水平力的大小和混凝土試塊的位移來(lái)測(cè)算混凝土塊體與基床之間的滑動(dòng)摩擦力系數(shù)。模型試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖11所示。

圖11 抗滑模型試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

在“屈服點(diǎn)”處，將最大的水平拉力除以重力即可得到滑動(dòng)摩擦系數(shù)。必須注意的是，在工程初期，滑動(dòng)摩擦系數(shù)較低，隨著時(shí)間的推移，在錨塊自重(包括填料)的作用下，拋石基床下基槽下臥層會(huì)沉降固結(jié)，內(nèi)摩擦角增大，下臥層與拋石基床之間的摩擦系數(shù)會(huì)增大。

3.2.4 滑動(dòng)內(nèi)摩擦角

3.2.5 滑動(dòng)摩擦系數(shù)驗(yàn)證

雖然英國(guó)規(guī)范BS 6349中規(guī)定得很明確，但底部摩擦系數(shù)對(duì)錨塊尺寸的確定影響很大，摩擦系數(shù)選擇過(guò)低會(huì)造成造價(jià)過(guò)高，也給工程實(shí)施帶來(lái)困難；摩擦系數(shù)選擇過(guò)高則會(huì)造成工程不安全。設(shè)計(jì)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以確定所選擇的摩擦系數(shù)是否可信以及是否需要調(diào)整。

在試驗(yàn)中，要求用原狀土開(kāi)挖的誤差為-400 mm～0 mm，塊石墊層填筑后的整平誤差為±200 mm，等同工程實(shí)施采用的控制要求?；炷猎噳K底部設(shè)置鋸齒，鋸齒的尺寸與沉箱錨塊底部的鋸齒相同。試驗(yàn)采用液壓千斤頂施加水平力，記錄實(shí)時(shí)位移和水平力的大小，直至出現(xiàn)屈服點(diǎn)。

由于混凝土沉箱與碎石基床間的摩擦力直接受到一系列因素的影響，包括碎石基床的密度和沉箱的放置位置等，因此要求對(duì)混凝土試塊反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以產(chǎn)生足夠多的數(shù)據(jù)樣本并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)。

3.3 沉箱吊運(yùn)分析

3.3.1 錨塊重量限值的確定

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)可供使用的浮吊如圖12所示，此浮吊的最大起重量為3 600 t。由于兩根吊桿的間距遠(yuǎn)大于錨塊，采用兩吊桿聯(lián)合起吊會(huì)給吊運(yùn)方案設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，因此決定利用單根吊桿吊運(yùn)錨塊。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)可供使用的浮吊

現(xiàn)場(chǎng)可供使用的沉箱預(yù)制區(qū)域距岸邊50 m，查閱吊運(yùn)荷載圖可知起吊重量不應(yīng)超過(guò)1 750 t，故本工程要求單個(gè)錨塊的重量不超過(guò)1 650 t。

3.3.2 吊運(yùn)工藝分析

參考國(guó)內(nèi)大型沉箱的起吊工藝[3]，建議吊索具及起吊工藝如圖13所示，此吊裝工藝得到專業(yè)起吊單位的認(rèn)可。

圖13 錨塊吊裝示例

吊索具由吊孔、吊索、轉(zhuǎn)接卸扣、支撐桿和吊梁等5部分組成，支撐桿本身由8根吊索掛到與吊梁相接的吊鉤上。

在沉箱吊孔處設(shè)置起吊鋼管，起吊鋼管兩端超出沉箱隔墻一定距離，方便分支鋼絲繩穿過(guò)。設(shè)置分支鋼絲繩分別繞過(guò)兩端，向上掛到轉(zhuǎn)接卸扣，轉(zhuǎn)接卸扣通過(guò)主吊鋼絲繩掛到吊梁大鉤上。在轉(zhuǎn)接卸扣與吊梁大鉤之間的區(qū)域，設(shè)置支撐桿以保證鋼絲繩垂直狀態(tài)，避免鋼絲繩的互相干涉。與采用傳統(tǒng)支撐架的方法相比，采用分叉梁既可縮小鋼絲繩的直徑，又可避免使用大型卸扣[4]。鋼絲繩經(jīng)過(guò)支撐桿分叉后，掛到吊梁大鉤上，吊梁掛住主吊鉤。

3.3.3 吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

錨塊重量為1 650 t，按8個(gè)吊點(diǎn)起吊計(jì)算，考慮吊點(diǎn)間不均勻系數(shù)為1.1，根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute, API)浮式結(jié)構(gòu)錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，海上進(jìn)行吊裝時(shí)的吊運(yùn)動(dòng)力系數(shù)取2.0(已考慮自重的分項(xiàng)系數(shù))，則有：吊點(diǎn)力為4 540 kN。

本工程中，在吊孔處預(yù)埋鋼套管，鋼套管兩端超出沉箱壁一定距離，每端穿過(guò)1根鋼絲繩，鋼管端頭焊接鋼板對(duì)鋼絲繩進(jìn)行限位。在最大沉箱的起吊工況下，選取吊孔鋼管長(zhǎng)度的一半進(jìn)行有限元分析。吊孔鋼管的米塞氏應(yīng)力最大值為225 MPa，低于允許值320 MPa，可知采用本吊孔方案滿足要求。吊點(diǎn)鋼管的應(yīng)力云圖如圖14和圖15所示。

圖14 吊孔應(yīng)力云圖1

圖15 吊孔應(yīng)力云圖2

3.3.4 吊運(yùn)內(nèi)力分析

用支座模擬錨塊的各個(gè)吊點(diǎn)，采用ROBOT Structure Analysis軟件建立模型，對(duì)錨塊進(jìn)行吊運(yùn)工況的分析。分析的控制目標(biāo)是錨塊不出現(xiàn)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的拉力。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，吊點(diǎn)墻與沉箱隔墻的相交處拉力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，故設(shè)計(jì)要求在隔墻相交處設(shè)置500 mm×500 mm 的加強(qiáng)角，以確保吊運(yùn)時(shí)的混凝土拉應(yīng)力小于混凝土允許值，保證混凝土沉箱式錨塊在吊運(yùn)時(shí)的耐久性。

3.3.5 混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在混凝土吊運(yùn)過(guò)程中，吊點(diǎn)處隔墻是否能承受混凝土自重所產(chǎn)生的效應(yīng)是關(guān)鍵。一方面，吊點(diǎn)上方的隔墻在極端的情況下不至于被吊點(diǎn)力剪切破壞；另一方面，吊點(diǎn)下方的隔墻能將沉箱的重量傳遞至各個(gè)吊點(diǎn)。

3.3.5.1 頂部隔墻抗沖切承載力分析

歐洲標(biāo)準(zhǔn)混凝土規(guī)范沒(méi)有專用的公式計(jì)算吊孔頂部隔墻的抗沖切承載力，因此按照我國(guó)的《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，公式為

(1)

(2)

式中：F1u為受沖切承載力設(shè)計(jì)值，kN；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.1；um為距局部荷載作用面積周邊h0/2 處的周長(zhǎng)，對(duì)于沉箱壁取um=2B=1 200 mm；h0為受沖切作用高度，按吊孔中心距沉箱上口的高度計(jì)算，取h0=2 800 mm；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，CA-50鋼筋取434 MPa；As為配置在同一截面內(nèi)受力鋼筋的全部截面面積，mm2；nn為配置在同一截面內(nèi)同種規(guī)格受力鋼筋的根數(shù)，沉箱壁外側(cè)水平受力主筋規(guī)格Φ16，間距150 mm，故吊孔以上共配置2 800 mm/150 mm=18根，沉箱壁內(nèi)側(cè)水平受力主筋規(guī)格Φ16，間距150 mm,則吊孔以上共配置2 800 mm/150 mm=18根；Asn為單種規(guī)格單根受力鋼筋的截面面積，mm2；Φ16取201.06 mm2。

綜上所述：As=7 236 mm2，

2×435MPa×7 236mm)=7 500kN

因F

3.3.5.2 底部隔墻抗拉分析

吊孔中心距離沉箱底板頂面1 700 mm，沿吊孔中心往下作35°擴(kuò)散線，可求得有2 380 mm寬度的隔墻將參與承擔(dān)吊孔力，取2 400 mm。對(duì)吊運(yùn)工況下錨塊的混凝土應(yīng)力進(jìn)行分析，可知吊點(diǎn)附近的混凝土拉應(yīng)力會(huì)有集中現(xiàn)象，受影響范圍的寬度為3 000 mm。因此，認(rèn)為有2 400 mm寬度的隔墻將參與承擔(dān)吊孔力。由于混凝土不承擔(dān)拉力，考慮僅有鋼筋來(lái)承擔(dān)拉力，則公式為

(3)

(4)

式中：Ftu為受拉承載力設(shè)計(jì)值，kN；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.1；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，CA-50鋼筋取434 MPa；As為配置在2 400 mm范圍內(nèi)受力鋼筋的全部截面面積，mm2；nn為配置在同一截面內(nèi)同種規(guī)格受力鋼筋的根數(shù)，沉箱壁外側(cè)豎向受力主筋規(guī)格Φ20，間距100 mm，因吊孔直徑為500 mm，故吊孔以上共配置(2 400 mm-500 mm)/100 mm=19根；沉箱壁內(nèi)側(cè)豎向受力主筋規(guī)格Φ20，間距100 mm，因吊孔直徑為500 mm，故吊孔以上共配置(2 400 mm-500 mm)/100 mm=19根；Asn為單種規(guī)格單根受力鋼筋的截面面積，Φ20取314 mm2。

綜上所述：As=19×314 mm2×2=11 932 mm2

因F

3.4 系鏈環(huán)設(shè)計(jì)

在系鏈環(huán)所處的倉(cāng)隔處填實(shí)混凝土，系鏈環(huán)錨入倉(cāng)隔混凝土結(jié)構(gòu)處，系鏈環(huán)在混凝土結(jié)構(gòu)外的部分與錨鏈的末端卸扣連接。錨鏈傳來(lái)的系泊力通過(guò)卸扣傳至系鏈環(huán)，系鏈環(huán)通過(guò)埋在混凝土中的部分協(xié)調(diào)錨塊參與抵抗系泊力。本工程中單個(gè)錨碇所受最大系泊力的水平分力達(dá)到6 000 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)內(nèi)已有浮船塢的錨泊錨碇受力，比如是大連中遠(yuǎn)船務(wù)3×105t浮船塢錨碇受力的3倍。為了抵抗如此大的水平力，系鏈環(huán)埋入混凝土結(jié)構(gòu)的部分一般有2種方案：方案一是利用預(yù)埋螺栓矩陣傳遞水平力，通過(guò)矩陣的方式將水平力轉(zhuǎn)化成部分螺栓受拉和部分螺栓受壓；方案二是直接將系鏈環(huán)混凝土結(jié)構(gòu)外的部分埋入混凝土結(jié)構(gòu)，并通過(guò)焊接加強(qiáng)肋板等方式形成鋼結(jié)構(gòu)，以調(diào)整系鏈環(huán)結(jié)構(gòu)的受力和傳力的特性。方案一和方案二的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表7所示。

表7 系鏈環(huán)2種方案比較匯總

因錨塊處于16 m深的海底，在運(yùn)營(yíng)期無(wú)法對(duì)錨塊進(jìn)行日常維護(hù)，故選擇可靠度更高的預(yù)埋鋼結(jié)構(gòu)方案。

方案二的缺點(diǎn)是受力分析不明確，如何較為準(zhǔn)確地分析受力是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。系鏈環(huán)的埋藏深度和倉(cāng)隔的大小是否能保證錨鏈水平力的充分傳遞給整個(gè)沉箱，系鏈環(huán)結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同作用以一種什么樣的表現(xiàn)形式，采用傳統(tǒng)的桿系分析方法已經(jīng)無(wú)法回答這些問(wèn)題。由于系鏈環(huán)和錨塊的連接是本工程成功的關(guān)鍵，準(zhǔn)確分析系鏈環(huán)與混凝土結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用是非常重要的。

在本工程中，設(shè)計(jì)人員采用非線性有限元的分析方法對(duì)系鏈環(huán)和錨塊進(jìn)行分析，分析工具為國(guó)際通用有限元軟件ANSYS，分析的目的是評(píng)價(jià)系鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)和埋深是否能滿足系泊力傳遞的要求和系鏈環(huán)埋入混凝土的部分結(jié)構(gòu)內(nèi)力是否能滿足強(qiáng)度要求。

經(jīng)ANSYS軟件分析可知，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度和等效應(yīng)力最大為73 MPa (混凝土以下部分)，混凝土最大拉應(yīng)力為1.78 MPa，混凝土最大壓應(yīng)力為20.3 MPa，均滿足要求。

4 沉箱預(yù)制

選擇在后方陸域預(yù)制錨塊，預(yù)制前要求承包商對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理并形成硬化地坪，要求處理后的地基承載力不小于80 kPa。經(jīng)調(diào)研，如果直接在預(yù)制場(chǎng)地預(yù)制沉箱而不采取任何額外措施，沉箱與預(yù)制地坪間存在附著力，而附著力將給錨塊吊裝帶來(lái)很大困難。目前工程界對(duì)如何計(jì)算附著力沒(méi)有明確的公式。錨塊的重量為1 650 t，很接近吊桿的最大起重重量，如不采取措施有可能無(wú)法正常起吊。經(jīng)研究，要求首先在預(yù)制地坪上等間距布置工字鋼，工字鋼之間填砂并密實(shí)，之后安裝底模板，建造錨塊。建造完成后，輔以高壓水挖除填砂。錨塊建造圖如圖16所示。

圖16 沉箱建造示例

5 吊運(yùn)錨塊下水

在浮吊吊運(yùn)沉箱之前，3 600 t浮吊在拖船的輔助下下后錨，將纜繩帶到碼頭上的系船柱，浮吊通過(guò)絞動(dòng)錨纜停靠碼頭前沿。浮吊大致定位后，下落起重大鉤，起重工掛上吊裝架和索具，然后浮吊啟動(dòng)大鉤，在指揮人員的統(tǒng)一指揮下準(zhǔn)確對(duì)位，通過(guò)浮吊起、浮吊桿及起降大鉤，起重工將起重吊索的另一端套住吊孔預(yù)埋鋼管，并焊接防脫鋼板，隨即浮吊啟動(dòng)大鉤，平穩(wěn)起吊沉箱，沉箱吊起距地面約1 m后，浮吊絞動(dòng)錨纜后墩，下落大鉤使沉箱落于水中約4 m，然后，浮吊在拖船的輔助下起錨，自航至指定位置，下錨后安裝錨塊。

6 結(jié) 語(yǔ)

大型浮船塢采用的沉箱式錨塊與傳統(tǒng)棱臺(tái)形錨塊的基本設(shè)計(jì)原理相同，是在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，具有整體性強(qiáng)和施工可行性高的特點(diǎn)。該技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，并首次采用非線性有限元分析方法分析大型埋件與混凝土結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，解決了大型浮船塢錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，在沒(méi)有錨樁施工能力的區(qū)域尤其有效，為浮船塢錨泊設(shè)施的設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。本文也詳述了從設(shè)計(jì)到施工中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析和解決方法，可為其他類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

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A Design and Construction Method of a New Type of Anchorage for Floating Dock

ZHANG Yaxiong1，2

(1.China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd.， Shanghai 200063, China;2.Shanghai Research Centre of Ocean & Shipbuilding Maritime Engineering, Shanghai 200063, China)

The key problems in design and construction of mooring anchor for floating dock are discussed,and a new design of anchorage is put forward by analyzing the advantages and disadvantages of different anchoring schemes and anchorage forms. The key points in design case of a large floating dock project in the southeast of Brazil and a set of effective methods are formed.

floating dock; mooring system; anchorage

張亞雄(1983-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇瑝]、船臺(tái)等水工建筑物工程設(shè)計(jì)

1000-3878(2017)04-0056-09

U673

A