駱寒冰，李東巖，賀 辰，劉順慶，謝 芃

(1.天津大學(xué) 船舶與海洋工程系，天津 300350；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

隨著我國(guó)海洋油氣資源的開發(fā)，海洋平臺(tái)往大型化發(fā)展，萬(wàn)噸級(jí)的大型結(jié)構(gòu)物越來越多。大型結(jié)構(gòu)物在陸地建造完成后，通常利用干拖法選用船舶從碼頭運(yùn)輸至海上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。將結(jié)構(gòu)物從陸地轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸船舶，國(guó)際通用的是滑移裝船技術(shù)[1]，即將船舶上滑道與碼頭滑道對(duì)齊，應(yīng)用拖拉設(shè)備將結(jié)構(gòu)物滑移拖拉上船。根據(jù)船舶在碼頭的?？糠绞?，滑移拖拉可分為縱向和橫向兩種方式，常用縱向滑移方法。為確?；蒲b船作業(yè)安全，前期需要進(jìn)行各方面分析評(píng)估。徐慧等[2]針對(duì)Truss Spar平臺(tái)研究滑移裝船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。黃曙光等[3]研究某自升式平臺(tái)滑移裝船，并成功完成該平臺(tái)的滑移裝船作業(yè)。許南等[4]針對(duì)萬(wàn)噸級(jí)大型組塊開展橫向滑移裝船計(jì)算分析。羅翃等[5]對(duì)某導(dǎo)管架滑移裝船時(shí)駁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。王闊等[6]對(duì)Spar平臺(tái)建造的滑道承載力進(jìn)行平臺(tái)建造完成時(shí)和平臺(tái)滑移裝船時(shí)的滑道承載力分析。

目前，對(duì)滑移裝船技術(shù)分析的研究較多，但在碼頭滑道承載力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的文獻(xiàn)較少。由于特殊原因，某萬(wàn)噸級(jí)海洋平臺(tái)大型組塊需要回到船廠維修，從運(yùn)輸駁船轉(zhuǎn)移至陸地碼頭，仍可應(yīng)用滑移裝船技術(shù)，回拖碼頭的作業(yè)情況與滑移裝船的技術(shù)和作業(yè)條件相同，僅作業(yè)順序相反。該船廠碼頭工程竣工于2003年，設(shè)計(jì)承載力可能不滿足作業(yè)要求。為確保作業(yè)安全，針對(duì)該組塊滑移回拖作業(yè)過程開展碼頭滑道載荷監(jiān)測(cè)研究，若監(jiān)測(cè)到的受力達(dá)到設(shè)計(jì)方提供的報(bào)警值，則及時(shí)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指揮管理人員采取措施，減少回拖過程中碼頭滑道的垂向力，為安全順利地回拖提供技術(shù)支持。

1 組塊縱向滑移回拖作業(yè)

圖1為作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備示例，左側(cè)為碼頭滑道，右側(cè)為駁船HSYS221，組塊在駁船上有4個(gè)大橫梁，分別標(biāo)為①、②、③、④，底部基座長(zhǎng)為70.0 m。從圖1右上方局部放大圖可以看出，駁船尾部滑道與碼頭滑道上表面的高度一致。

圖1 組塊滑移回拖碼頭準(zhǔn)備示例

作業(yè)駁船HSYS221主尺度如表1所示。

表1 HYSY221船舶主尺度

2 滑道載荷監(jiān)測(cè)方案

2.1 碼頭承載力情況

滑道總長(zhǎng)為228 m，其中碼頭區(qū)為30 m，碼頭面高程為2.5 m。碼頭為樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)，A、B兩座承臺(tái)的中心線間距為20 m。圖2為碼頭A、B承臺(tái)及其滑道布置俯視圖，左側(cè)為碼頭前端，右側(cè)為船廠陸地。2個(gè)滑道都由2塊寬為2.0 m的水泥滑塊組成，水泥滑塊橫向間隔為0.2 m，這樣每個(gè)滑道寬為4.2 m，滑道中間各鋪有1.2 m的鋼板。碼頭前端第1節(jié)水泥滑塊長(zhǎng)為9.0 m。

當(dāng)組塊第2橫梁進(jìn)入碼頭滑道時(shí)，假設(shè)此時(shí)駁船HSYS221滑道比碼頭滑道低，組塊重量都作用在碼頭上，對(duì)碼頭壓力載荷達(dá)到最大。承臺(tái)由雙筋承臺(tái)和單筋承臺(tái)構(gòu)成，位于碼頭前端的雙筋承臺(tái)長(zhǎng)為15.6 m。此時(shí)，碼頭承臺(tái)承載力可能會(huì)超過原設(shè)計(jì)值，雙筋承臺(tái)橫向下層部分結(jié)構(gòu)彎矩超過其承載能力極限，結(jié)構(gòu)可能造成嚴(yán)重破環(huán)。

單位：m圖2 碼頭A、B承臺(tái)及其滑道布置俯視圖

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

為避免碼頭承臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞，需要對(duì)回拖過程中A、B承臺(tái)的雙筋承臺(tái)部分受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警。若監(jiān)測(cè)到的受力達(dá)到設(shè)計(jì)方提供的報(bào)警值，則及時(shí)上報(bào)中控室，調(diào)整船舶壓載水使船舶滑道高度高于碼頭滑道高度，在船體強(qiáng)度允許范圍內(nèi)使HYSY221多承受該組塊重量，減少回拖過程中碼頭承臺(tái)的垂向載荷，確保其小于設(shè)計(jì)值。

直接監(jiān)測(cè)雙筋承臺(tái)部分受力存在技術(shù)難度，而通過監(jiān)測(cè)承臺(tái)上部滑道的水泥滑塊受到該組塊的壓力以得到承臺(tái)所受上部壓力載荷是可行的。碼頭前端雙筋承臺(tái)部分上面第1節(jié)水泥滑塊的長(zhǎng)度為9.0 m，小于雙筋承臺(tái)長(zhǎng)度(15.6 m)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)A、B承臺(tái)第1節(jié)水泥滑塊上受到該組塊垂向壓力載荷FA、FB，得到組塊作用于碼頭雙筋承臺(tái)前端的載荷。

監(jiān)測(cè)第1節(jié)水泥滑塊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的垂向應(yīng)變，根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析建立應(yīng)變與滑塊垂向力之間的力學(xué)換算關(guān)系，可得到承臺(tái)上部垂向載荷。

監(jiān)測(cè)使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)專用的電阻應(yīng)變片傳感器，電阻為120 Ω，應(yīng)變片柵寬為3 mm，柵長(zhǎng)為100 mm。采用江蘇省東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司的DH3820高速靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀采集結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)，采樣頻率為10 Hz。

在碼頭滑道前端第1節(jié)水泥滑塊兩側(cè)布置鋼筋混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每個(gè)側(cè)面各布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，共32個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖3為4個(gè)水泥滑塊上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布及其編號(hào)，各測(cè)點(diǎn)縱向間距為1 m。水泥滑塊側(cè)面測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，應(yīng)變片中心距基線距離為0.3 m。

在全面預(yù)算管理實(shí)施中，許多房地產(chǎn)企業(yè)預(yù)算方案不能實(shí)效執(zhí)行，預(yù)算管理機(jī)構(gòu)僅在預(yù)算編制中發(fā)揮作用，在執(zhí)行過程中在重要的經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)中沒有建立起將預(yù)算指標(biāo)作為管控的標(biāo)準(zhǔn)，沒有相應(yīng)的費(fèi)用超支預(yù)警機(jī)制，發(fā)生成本費(fèi)用的偏差無(wú)法快速及時(shí)的處理。有的針對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，只做到事后評(píng)價(jià)，事中控制作用差。在預(yù)算考核上指標(biāo)固化，可變因素考慮不周，用預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)考核責(zé)任單位和責(zé)任人時(shí)，往往參雜太重個(gè)人感情，不公平、不合理、不到位，考核結(jié)果脫離實(shí)情，加上激勵(lì)機(jī)制不完善，考核變成形式。

圖3 第1節(jié)水泥滑塊應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

單位：m圖4 水泥滑塊應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置側(cè)視圖

2.3 滑道滑塊應(yīng)變與其垂向載荷之間力學(xué)關(guān)系

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量方案，為得到水泥滑塊應(yīng)變與其垂向載荷之間的力學(xué)關(guān)系，采用ANSYS有限元軟件[7]，開展水泥滑塊在垂向載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)有限元分析。

利用分離式建模方法建立鋼筋混凝土模型，鋼筋和混凝土單獨(dú)建模，混凝土采用Solid65單元模擬，鋼筋采用Link8單元模擬。為保證鋼筋與混凝土的位移協(xié)調(diào)，建模時(shí)將鋼筋與混凝土共節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼筋和混凝土節(jié)點(diǎn)自由度的耦合。同時(shí)認(rèn)為鋼筋與混凝土之間黏結(jié)性良好，不存在滑移現(xiàn)象?？紤]到碼頭滑道在橫向由2列水泥滑塊組成，為簡(jiǎn)化分析，取其中的1塊開展有限元分析，圖5為滑塊有限元網(wǎng)格模型。坐標(biāo)系定義如下：沿水泥滑道長(zhǎng)度方向定義為y軸，水泥滑塊橫向定義為x軸，水泥滑塊垂向定義為z軸。在滑塊一側(cè)，即在內(nèi)側(cè)面(yoz平面)施加對(duì)稱面邊界條件。在混凝土滑塊底面(xoy平面)施加z向約束。

圖5 水泥滑塊結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分圖

考慮到該組塊下方木頭寬為1.2 m，認(rèn)為組塊重量作用在碼頭滑道中間1.2 m寬度位置，去除碼頭水泥滑塊中間0.2 m間隙，則水泥滑道上方組塊重量載荷施加在水泥滑塊內(nèi)側(cè)各0.5 m寬度范圍內(nèi)，假設(shè)為均布載荷作用。假設(shè)作用在1塊水泥滑塊上的垂向載荷分別為500 t、1 000 t、1 500 t，即施加在1條水泥滑道上的垂向載荷為1 000 t、2 000 t、3 000 t，則作用在水泥滑塊上部0.5 m×9.0 m區(qū)域上的均布載荷分別為1.11×106N/m2、2.22×106N/m2、3.33×106N/m2。

根據(jù)上述網(wǎng)格、邊界條件、加載設(shè)置可進(jìn)行水泥滑塊有限元分析。圖6為1 500 t計(jì)算工況鋼筋混凝土滑臺(tái)結(jié)構(gòu)垂向應(yīng)變?cè)茍D。

圖6 1 500 t工況滑塊結(jié)構(gòu)垂向應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)測(cè)量得到碼頭滑道上的水泥滑塊上各測(cè)點(diǎn)的垂向(z向)應(yīng)變，通過上述有限元分析，建立應(yīng)變與垂向力之間的力學(xué)關(guān)系，公式為

(1)

3 滑移回拖過程監(jiān)測(cè)結(jié)果及其分析

該組塊前端將從駁船HYSY221滑道進(jìn)入碼頭A、B承臺(tái)滑道區(qū)域，第1節(jié)水泥滑塊將受到垂向載荷，應(yīng)變監(jiān)測(cè)工作正式開始，記錄時(shí)間為0 min，試驗(yàn)過程每15 min記錄1次組塊相對(duì)滑道的位置。當(dāng)上部組塊完全離開承臺(tái)前9 m水泥滑塊，即該處水泥滑塊完全不受力時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)束。表2為各回拖步驟組塊位置。

表2 回拖步驟與組塊碼頭滑道位置對(duì)應(yīng)表

對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，剔除部分不佳的測(cè)點(diǎn)，得到可用于載荷結(jié)果分析的測(cè)點(diǎn)，如表3所示?，F(xiàn)場(chǎng)部分應(yīng)變測(cè)點(diǎn)不佳的原因如下：一是現(xiàn)場(chǎng)天氣不佳，在應(yīng)變片粘貼階段遇到連續(xù)陰雨天氣，不利于應(yīng)變片的粘貼和密封；二是考慮到現(xiàn)場(chǎng)水泥滑塊是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，盡管水泥滑塊表面也進(jìn)行了打磨處理，但內(nèi)部水泥、沙子攪拌無(wú)法像在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)那么均勻、理想。有效測(cè)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)18個(gè)。

表3 水泥滑塊上有效應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

基于式(1)，選擇表3中的有效應(yīng)變測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)，得到A、B各滑道第1節(jié)9 m的2個(gè)水泥滑塊上所受到的組塊垂向載荷結(jié)果，如圖7和圖8所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：

(1)A滑道最大垂向載荷為19 500 kN，B滑道最大垂向載荷為23 840 kN，分別出現(xiàn)在圖7和圖8中170～180 min，對(duì)照表2可知，在第11步，碼頭滑道第1節(jié)受到的垂向載荷最大。此時(shí)碼頭結(jié)構(gòu)處于最危險(xiǎn)工況。

(2)當(dāng)組塊第2橫梁剛回拖上碼頭滑道時(shí)，對(duì)應(yīng)圖7和圖8中的90 min，即表2中的第8步，此時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果中出現(xiàn)了較大的峰值，A滑道最大載荷為11 400 kN，B滑道最大載荷為14 400 kN。原來預(yù)計(jì)該時(shí)刻碼頭最危險(xiǎn)，在實(shí)際回拖過程中并沒有監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)載荷。主要原因是現(xiàn)場(chǎng)通過合理調(diào)整駁船HYSY221的壓載水改變駁船浮態(tài)，調(diào)整駁船滑道與碼頭滑道高度差，使船舶HYSY221多承受組塊的重量，減少回拖過程中碼頭承臺(tái)的垂向力。

圖7 A滑道受到的垂向載荷合力

圖8 B滑道受到的垂向載荷合力

(3)在整個(gè)回拖過程中，B滑道受到的垂向力略大于A滑道。這是由于組塊的重心不在A、B兩個(gè)滑道的中間線上，稍微偏向B滑道一些。

(4)在回拖初期，時(shí)間小于60 min過程中，監(jiān)測(cè)到滑塊垂向壓力為負(fù)，即垂向拉力的情況?？赡茉蛉缦拢涸诨赝蟿傞_始時(shí)，滑道摩擦因數(shù)較大，所需要拖拉設(shè)備的拖拉力也較大；為確保駁船滑道與駁船滑道對(duì)齊，駁船受到碼頭系纜力也較大，導(dǎo)致碼頭滑道第1節(jié)滑塊受到較大的縱向壓力，根據(jù)泊松定律，此時(shí)在垂向有拉應(yīng)變成分產(chǎn)生，即受到拉力作用。這不是滑塊所受到組塊垂向載荷的真實(shí)數(shù)值，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)也觀察到碼頭第1節(jié)滑塊前端被駁船頂起來又落下來的現(xiàn)象。當(dāng)回拖作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，摩擦因數(shù)減小，拖拉力相應(yīng)也較小，碼頭系纜力也減小了，因此碼頭第1節(jié)滑塊受縱向壓力可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 論

對(duì)某大型組塊從HYSY221回拖至碼頭滑道的過程開展碼頭滑道載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，以避免滑移回拖過程中碼頭承臺(tái)垂向載荷超過其設(shè)計(jì)值，避免碼頭結(jié)構(gòu)破壞，為安全順利地回拖提供技術(shù)支持。

提出滑道載荷監(jiān)測(cè)方案。對(duì)碼頭滑道前端第1節(jié)滑塊表面垂向粘貼專用應(yīng)變片傳感器，測(cè)量得到水泥滑塊垂向應(yīng)變，再對(duì)鋼筋混凝土滑塊結(jié)構(gòu)開展有限元分析，建立結(jié)構(gòu)應(yīng)變與垂向載荷之間的力學(xué)關(guān)系，可推算得到碼頭A、B滑道第1節(jié)滑塊受到的垂向載荷，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控在組塊回拖過程中的滑道垂向載荷情況。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，A滑道最大垂向載荷為19 500 kN，B滑道最大垂向載荷為23 840 kN，出現(xiàn)在第3橫梁回拖上碼頭滑道時(shí)，碼頭滑道第1節(jié)受到的垂向載荷最大。由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)很好地控制了船舶滑道和碼頭滑道的高度差值，使HYSY221船舶多承受組塊的重量，減小回拖過程中碼頭承臺(tái)的垂向力，原來估計(jì)最危險(xiǎn)的第2橫梁回拖上碼頭工況載荷并不大，A滑道最大載荷為11 400 kN，B滑道最大載荷為14 400 kN。

本次碼頭滑道監(jiān)測(cè)方案及其試驗(yàn)結(jié)果可為今后大型平臺(tái)組塊滑移回拖的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持，并為該碼頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供依據(jù)。