李少斌,許建武,丁建軍

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

與普通的浮運(yùn)拖帶法相比，半潛駁干運(yùn)法運(yùn)輸效率高，抗風(fēng)、浪、流等作用的能力強(qiáng)，因此，國(guó)外項(xiàng)目中通常采用該法對(duì)預(yù)制沉箱進(jìn)行較長(zhǎng)距離的水上運(yùn)輸。隨著沉箱結(jié)構(gòu)的大型化，采用半潛駁運(yùn)輸時(shí)所要求的下潛區(qū)水深也越來(lái)越深。當(dāng)下潛區(qū)已有水深不足而在下潛區(qū)進(jìn)行浚深作業(yè)又比較困難時(shí)，可考慮采用起重船進(jìn)行助浮。

目前，當(dāng)利用起重船助浮對(duì)沉箱進(jìn)行吊裝施工時(shí)，大多采用在沉箱壁板預(yù)留吊孔并在吊裝之前采用人工穿銷的施工工藝，而人工穿銷施工效率低、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)巨大，因此采用人工穿銷工藝在國(guó)外工程中更是難以適用。

為簡(jiǎn)化施工，避免潛水員深潛作業(yè)，可考慮在沉箱頂部預(yù)埋吊耳對(duì)沉箱進(jìn)行吊裝施工。然而，吊耳工藝目前通常被應(yīng)用于化學(xué)設(shè)備的吊裝，起吊質(zhì)量一般小于20 t[1]，且關(guān)于吊耳的設(shè)計(jì)也主要集中于吊耳本體強(qiáng)度的復(fù)核。吊耳在大型預(yù)制混凝土沉箱吊裝中應(yīng)用目前尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)，這主要是因?yàn)榈醵c沉箱結(jié)構(gòu)間的錨固受力機(jī)理十分復(fù)雜，而沉箱又作為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，如果吊耳設(shè)計(jì)得不合理，可能導(dǎo)致吊耳及局部的沉箱混凝土破壞而造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文針對(duì)加納某工程案例，對(duì)該工程中的大型沉箱的吊耳進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，現(xiàn)采用該設(shè)計(jì)的吊耳已成功吊運(yùn)安裝該工程的全部7個(gè)大型沉箱。

1 工程概況

加納某液化天然氣碼頭工程包含2個(gè)靠船墩和5個(gè)系纜墩，墩臺(tái)采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)。其中，靠船墩沉箱長(zhǎng)19.41 m、寬11.62 m、高21.2 m，單個(gè)沉箱質(zhì)量1 851 t；系纜墩沉箱長(zhǎng)14.85 m、寬10.62 m、高18.7 m，單個(gè)沉箱質(zhì)量1 430 t。本工程沉箱預(yù)制場(chǎng)與安裝位置直線距離近5 km，且平日該工程海域存在波高1～2 m的涌浪，故考慮采用半潛駁進(jìn)行沉箱的遠(yuǎn)距離水上運(yùn)輸。半潛駁下潛區(qū)位于現(xiàn)有碼頭主航道附近，天然水深約-13.0 m，不能滿足半潛駁下潛的水深要求，且下潛區(qū)地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，若浚深則需要炸礁，而炸礁不僅工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，且對(duì)主航道上船舶航行安全不利，故考慮采用起重船助浮。根據(jù)沉箱起重助浮計(jì)算，并考慮一定的富余量，系、靠船墩沉箱助浮的吊力需要3 000 kN。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，最終選用八點(diǎn)吊方案，在沉箱頂部預(yù)埋吊耳，起吊時(shí)采用吊架或撐桿等吊具垂直起吊，吊耳板布置和細(xì)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、2。吊耳主體采用一層厚50 mm、寬360 mm的鋼板焊拼成，距頂部85 mm處開φ90 mm的吊孔，在吊孔兩側(cè)焊裝一鋼板加強(qiáng)吊孔，吊環(huán)吊孔處總厚90 mm。底部焊裝一塊長(zhǎng)600 mm、寬100 mm、厚50 mm的鋼板作為錨固。

圖1 吊耳布置(單位：mm)

圖2 吊耳板細(xì)部(單位：mm)

每個(gè)吊耳起吊力設(shè)計(jì)值，即最大垂直拉力F為623.2 kN；不均勻系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝取1.1，動(dòng)荷載系數(shù)根據(jù)BS EN 1991-3[2],吊運(yùn)級(jí)別為HC2,吊運(yùn)速度不超過(guò)0.1 m/s，根據(jù)計(jì)算結(jié)果動(dòng)荷載系數(shù)取1.1，荷載作用系數(shù)根據(jù)美標(biāo)ACI 318-2011[3]取1.4。吊繩沿沉箱長(zhǎng)邊方向與垂直方向最大夾角為20°(兩側(cè)吊耳處)，因此吊耳最大剪力Fh為226.8 kN。

2 吊耳鋼材強(qiáng)度驗(yàn)算

吊耳鋼材強(qiáng)度驗(yàn)算內(nèi)容包括：受拉強(qiáng)度、受剪強(qiáng)度、拉剪強(qiáng)度、吊耳孔承載力和錨固底板強(qiáng)度驗(yàn)算。吊耳孔承載力驗(yàn)算和錨固底板強(qiáng)度驗(yàn)算可參考文獻(xiàn)[3]和[4]進(jìn)行計(jì)算，不在此詳述。受拉、受剪和拉剪強(qiáng)度驗(yàn)算則參考美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)規(guī)范ACI 318-2011[5]，將吊耳當(dāng)作預(yù)埋錨栓進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 受拉強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，吊耳鋼材抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足以下條件：

F< φNsa

(1)

式中：φ為強(qiáng)度折減系數(shù)，對(duì)于受拉元件取0.80；Nsa為鋼材標(biāo)稱強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

Nsa=Ase,Nfuta/1 000

(2)

式中：Ase,N為受剪吊耳有效橫截面積(mm2)，孔洞考慮兩側(cè)鋼板加強(qiáng)后仍取18 000mm2；futa為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)，吊耳鋼材材質(zhì)為國(guó)標(biāo)Q355,設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為288 MPa。

根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算可得，φNsa(=4 147 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳鋼材的抗拉強(qiáng)度滿足要求。

2.2 受剪強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，吊耳鋼材抗剪強(qiáng)度應(yīng)滿足以下條件：

Fh< φVsa

(3)

式中：φ為強(qiáng)度折減系數(shù)，對(duì)于受剪元件取0.75；Vsa為鋼材標(biāo)稱強(qiáng)度，對(duì)于預(yù)埋的帶端頭的螺栓，計(jì)算公式為：

Vsa=0.6Ase,vfuta/1 000

(4)

式中：Ase,V為受剪吊耳的有效橫截面積(mm2)，取18 000 mm2；futa為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)，吊耳鋼材材質(zhì)為國(guó)標(biāo)Q355,設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度為166 MPa。

根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算，φVsa(=2 241 kN)> Fh(=226.8 kN),即吊耳鋼材的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

2.3 受拉剪強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，同時(shí)承擔(dān)剪力和拉力的吊耳應(yīng)滿足以下要求：

1)若起控制作用的受剪強(qiáng)度滿足Vua/(φVsa)≤0.2，則φNsa≥Nua；

2)若起控制作用的受拉強(qiáng)度滿足Nua/(φNsa)≤0.2，則φVsa≥Vua；

3)若起控制作用的受剪強(qiáng)度滿足Vua/(φVsa)>

0.2及起控制作用的受拉強(qiáng)度滿足Nua/(φNsa)>

0.2，則

(5)

式中:Vua為作用于吊耳的剪力設(shè)計(jì)值(kN),本工程Vua=Fh=226.8 kN；Nua為作用于吊耳拉力設(shè)計(jì)值(kN),本工程N(yùn)ua=F=623.2 kN。由此可得Vua/(φVsa)=0.10、Nua/(φNsa)=0.13，均滿足要求，即吊耳鋼材的拉剪強(qiáng)度滿足要求。

3 吊耳局部混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算

吊耳處混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算內(nèi)容包括：錨固底板處混凝土局部受壓強(qiáng)度、受拉吊耳混凝土抗崩裂強(qiáng)度、受拉吊耳抗拔出強(qiáng)度、受拉吊耳混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度和受剪吊耳的混凝土抗剪撬強(qiáng)度驗(yàn)算。其中錨固底板處混凝土局部受壓強(qiáng)度依據(jù)歐標(biāo)BS EN 1992-1-1[6]進(jìn)行驗(yàn)算，其他強(qiáng)度驗(yàn)算參考美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)規(guī)范ACI 318-2011,將吊耳當(dāng)作預(yù)埋錨栓進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 錨固底板處混凝土局部受壓強(qiáng)度驗(yàn)算

錨固板處混凝土局部抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足以下要求(按素混凝土考慮)：

F< Fp

(6)

式中：Fp為混凝土局部抗壓承載力(kN)，根據(jù)歐標(biāo)BS EN 1992-1-1計(jì)算如下：

(7)

(8)

式中：Ac0為荷載作用面積(mm2)；Ac1為荷載作用分布面積(mm2)，見(jiàn)圖3，由于沉箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)，荷載擴(kuò)散面積有限，偏安全考慮取Ac1=Ac0；fck為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度特征值，取35 MPa；fcd為混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度(MPa)；αcc為考慮了抗壓強(qiáng)度長(zhǎng)期效應(yīng)及加載方式不利影響的系數(shù)，根據(jù)BS EN 1992-1-1取1.0；γc為混凝土強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)BS EN 1992-1-1取1.5。

根據(jù)式(7)、(8)計(jì)算Fp(=980 kN)> F(=623.2 kN)，即錨固底板處混凝土局部受壓強(qiáng)度滿足要求。

圖3 Ac0計(jì)算示意圖(陰影部分)(單位： mm)

3.2 受拉吊耳混凝土抗崩裂強(qiáng)度驗(yàn)算

混凝土抗崩裂強(qiáng)度考慮斷裂力學(xué)的概念，假定吊耳受拉時(shí)混凝土破壞椎體為約35°傾斜面，見(jiàn)圖4。

圖4 受拉錨栓混凝土崩裂破壞

根據(jù)ACI 318-2011計(jì)算，混凝土抗崩裂強(qiáng)度應(yīng)滿足：

F< φNcb

(9)

式中：φ為折減系數(shù), 根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Ncb為單個(gè)受拉吊耳的混凝土標(biāo)稱抗崩裂強(qiáng)度(kN)，計(jì)算公式為：

(10)

圖5 受拉錨栓混凝土崩裂破壞投影面積

在已開裂混凝土中，單個(gè)吊耳的混凝土基本抗崩裂強(qiáng)度Nb可由下式計(jì)算：

(11)

式中：kc為混凝土破壞強(qiáng)度修正系數(shù)，取10；λa為輕混凝土修正系數(shù)，取1.0；fck為混凝土圓柱體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)，取35 MPa。

根據(jù)式(9)～(11)計(jì)算，φNcb(=253 kN)< F(=623.2 kN),即吊耳的混凝土抗崩裂強(qiáng)度未考慮沉箱配筋時(shí)不能滿足要求?？紤]沉箱壁板配筋，根據(jù)ACI 318-2011規(guī)定，當(dāng)在崩裂面的兩側(cè)均設(shè)置配筋時(shí)，可取吊耳配筋的標(biāo)稱強(qiáng)度。此時(shí)應(yīng)注意，有效的配筋(箍筋或拉筋等)滿足在距離吊耳中心線0.5hef范圍內(nèi)，見(jiàn)圖6。本文吊耳配筋為17根直徑16 mm的B500B鋼筋，鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為435 MPa,因此φNcb(=1 263.2 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳混凝土抗崩裂強(qiáng)度滿足要求。

圖6 受拉錨栓混凝土崩裂破壞投影面積

3.3 受拉吊耳的抗拔出強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)美標(biāo)ACI 318-2011計(jì)算，受拉吊耳混凝土拔出強(qiáng)度應(yīng)滿足：

F< φNpn

(12)

式中：φ為折減系數(shù), 根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Npn為單個(gè)受拉錨栓的標(biāo)稱抗拔出強(qiáng)度(kN)，計(jì)算公式為：

Npn=ψc,PNp

(13)

式中：ψc,P為調(diào)整系數(shù)，結(jié)構(gòu)在水平荷載下不開裂，取1.4，開裂則取1.0，本文取1.0；Np為未考慮吊耳靠近邊緣影響的單個(gè)吊耳抗拔出強(qiáng)度(kN)，計(jì)算公式為：

Np=8Abrgfck/1 000

(14)

式中：Abrg為吊耳的凈受力面積(mm2)，為18 000 mm2；fck為混凝土圓柱體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)，取35 MPa。

根據(jù)式(13)、(14)計(jì)算，φNpn(=4 284 kN)> F(=623.2kN),即吊耳的抗拔出強(qiáng)度滿足要求。由于該吊耳靠近邊緣，因此須進(jìn)一步驗(yàn)算受拉吊耳的混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度。

3.4 受拉吊耳的混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度

受拉吊耳混凝土自由邊側(cè)面爆裂破壞見(jiàn)圖7。

圖7 受拉吊耳混凝土側(cè)面爆裂破壞

根據(jù)ACI 318-2011計(jì)算，受拉混凝土拔側(cè)面爆裂強(qiáng)度應(yīng)滿足：

F< φNsb

(15)

式中：φ為折減系數(shù)，根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Nsb為其標(biāo)稱抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度(kN)，對(duì)于一個(gè)埋置長(zhǎng)度較大且靠近一個(gè)邊緣(hef> 2.5ca1)的單個(gè)底板的吊耳，其計(jì)算公式為：

(16)

式中：ca1距邊緣較小的距離(mm)；Adrg為吊耳端頭靠近爆裂破壞邊緣一側(cè)的面積(mm2),見(jiàn)圖8,取A1和A2中的較小值12 000 mm2(A1為吊耳長(zhǎng)邊方向靠近破壞邊緣的面積，為15 000 mm2，A2為吊耳短邊方向靠近破壞邊緣的面積,為12 000 mm2)；λa為輕混凝土修正系數(shù)，取1.0；fck為混凝土圓柱體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)，取35 MPa。

若帶端錨頭錨栓的距離自由邊較大距離ca2< 3ca1，根據(jù)式(16)計(jì)算的Nsb的值應(yīng)乘以系數(shù)(1+ca2/ca1)/4，其中1.0≤ca2/ca1≤3.0。如圖9所示，ca2(=235 mm)< 3ca1(=450 mm)，因此乘以系數(shù)0.64。

根據(jù)式(15)、(16)計(jì)算，φNsb(=1 074 kN)> F(=623.2 kN),即吊耳的抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度滿足要求。

圖8 受拉吊耳混凝土側(cè)面爆裂破壞(單位：mm)

3.5 受剪吊耳的混凝土抗剪撬強(qiáng)度

根據(jù)AC I318-2011計(jì)算，受剪吊耳混凝土剪撬強(qiáng)度應(yīng)滿足：

Fh< φVcp

(17)

式中：φ為折減系數(shù)，根據(jù)ACI 318-2011取0.85；Vcp為標(biāo)稱抗剪撬強(qiáng)度(kN)，計(jì)算如下：

Vcp=kcpNcb

(18)

式中：Ncb為單個(gè)受拉吊耳的混凝土標(biāo)稱抗崩裂強(qiáng)度(kN),對(duì)于預(yù)埋型吊耳，根據(jù)式(10)計(jì)算得Ncb=297.8 kN；kcp為相關(guān)系數(shù)，hef< 63.5mm時(shí)取1.0，hef≥63.5mm時(shí)取2.0，本工程取2.0。

根據(jù)式(17)、(18)計(jì)算，φVcp(=506 kN)> Fh(=226.8 kN),即吊耳的抗剪撬強(qiáng)度滿足要求。

4 吊運(yùn)技術(shù)要求

為保證施工質(zhì)量和安全，施工作業(yè)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求[7]：

1)沉箱浮游穩(wěn)定應(yīng)滿足規(guī)范要求，不滿足時(shí)，應(yīng)調(diào)整壓艙水等措施。

2)起重機(jī)吊鉤的吊點(diǎn)，應(yīng)盡量與起吊重心在同一條鉛垂線上，使重物處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，否則起吊前應(yīng)進(jìn)行試吊，直至重物達(dá)到平衡為止，防止提升時(shí)產(chǎn)生傾斜。

3)為避免沉箱壁板在起吊過(guò)程中水平雙向受力，應(yīng)使用撐桿或吊架，撐桿或吊架上的吊具應(yīng)對(duì)稱分布，且吊架與吊具承載點(diǎn)之間的垂直距離應(yīng)相等，以保證吊架在承載和空載時(shí)保持平衡狀態(tài)。

4)沉箱吊運(yùn)安裝作業(yè)應(yīng)選擇良好天氣進(jìn)行，起吊的最大速度不能超過(guò)0.1 m/s。

5 結(jié)語(yǔ)

1)大型沉箱通常采用預(yù)留吊孔并進(jìn)行人工穿銷的助浮吊裝施工工藝，采用頂部預(yù)埋吊耳的工藝能夠簡(jiǎn)化施工工藝，避免深潛作業(yè)。

2)吊耳設(shè)計(jì)應(yīng)首先對(duì)其本體鋼材強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，再對(duì)吊耳與沉箱壁連接處的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，本工程所有強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足要求。

3)吊運(yùn)作業(yè)各方面應(yīng)滿足相關(guān)要求，以保證吊運(yùn)穩(wěn)定、施工的質(zhì)量和安全。