大型組塊滑移回拖作業過程碼頭滑道載荷監測

駱寒冰，李東巖，賀 辰，劉順慶，謝 芃

(1.天津大學 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

隨著我國海洋油氣資源的開發，海洋平臺往大型化發展，萬噸級的大型結構物越來越多。大型結構物在陸地建造完成后，通常利用干拖法選用船舶從碼頭運輸至海上進行現場安裝。將結構物從陸地轉移至運輸船舶，國際通用的是滑移裝船技術[1]，即將船舶上滑道與碼頭滑道對齊，應用拖拉設備將結構物滑移拖拉上船。根據船舶在碼頭的?？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船作業安全，前期需要進行各方面分析評估。徐慧等[2]針對Truss Spar平臺研究滑移裝船設計的關鍵技術問題。黃曙光等[3]研究某自升式平臺滑移裝船，并成功完成該平臺的滑移裝船作業。許南等[4]針對萬噸級大型組塊開展橫向滑移裝船計算分析。羅翃等[5]對某導管架滑移裝船時駁船結構強度進行有限元分析。王闊等[6]對Spar平臺建造的滑道承載力進行平臺建造完成時和平臺滑移裝船時的滑道承載力分析。

目前，對滑移裝船技術分析的研究較多，但在碼頭滑道承載力實時監測方面的文獻較少。由于特殊原因，某萬噸級海洋平臺大型組塊需要回到船廠維修，從運輸駁船轉移至陸地碼頭，仍可應用滑移裝船技術，回拖碼頭的作業情況與滑移裝船的技術和作業條件相同，僅作業順序相反。該船廠碼頭工程竣工于2003年，設計承載力可能不滿足作業要求。為確保作業安全，針對該組塊滑移回拖作業過程開展碼頭滑道載荷監測研究，若監測到的受力達到設計方提供的報警值，則及時上報現場作業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支持。

1 組塊縱向滑移回拖作業

圖1為作業現場準備示例，左側為碼頭滑道，右側為駁船HSYS221，組塊在駁船上有4個大橫梁，分別標為①、②、③、④，底部基座長為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備示例

作業駁船HSYS221主尺度如表1所示。

表1 HYSY221船舶主尺度

2 滑道載荷監測方案

2.1 碼頭承載力情況

滑道總長為228 m，其中碼頭區為30 m，碼頭面高程為2.5 m。碼頭為樁基承臺結構，A、B兩座承臺的中心線間距為20 m。圖2為碼頭A、B承臺及其滑道布置俯視圖，左側為碼頭前端，右側為船廠陸地。2個滑道都由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節水泥滑塊長為9.0 m。

當組塊第2橫梁進入碼頭滑道時，假設此時駁船HSYS221滑道比碼頭滑道低，組塊重量都作用在碼頭上，對碼頭壓力載荷達到最大。承臺由雙筋承臺和單筋承臺構成，位于碼頭前端的雙筋承臺長為15.6 m。此時，碼頭承臺承載力可能會超過原設計值，雙筋承臺橫向下層部分結構彎矩超過其承載能力極限，結構可能造成嚴重破環。

單位：m圖2 碼頭A、B承臺及其滑道布置俯視圖

2.2 監測內容及測點布置

為避免碼頭承臺結構破壞，需要對回拖過程中A、B承臺的雙筋承臺部分受力進行實時監測，對危險情況進行報警。若監測到的受力達到設計方提供的報警值，則及時上報中控室，調整船舶壓載水使船舶滑道高度高于碼頭滑道高度，在船體強度允許范圍內使HYSY221多承受該組塊重量，減少回拖過程中碼頭承臺的垂向載荷，確保其小于設計值。

直接監測雙筋承臺部分受力存在技術難度，而通過監測承臺上部滑道的水泥滑塊受到該組塊的壓力以得到承臺所受上部壓力載荷是可行的。碼頭前端雙筋承臺部分上面第1節水泥滑塊的長度為9.0 m，小于雙筋承臺長度(15.6 m)，實時監測A、B承臺第1節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前端的載荷。

監測第1節水泥滑塊鋼筋混凝土結構的垂向應變，根據結構有限元分析建立應變與滑塊垂向力之間的力學換算關系，可得到承臺上部垂向載荷。

監測使用鋼筋混凝土結構專用的電阻應變片傳感器，電阻為120 Ω，應變片柵寬為3 mm，柵長為100 mm。采用江蘇省東華測試技術股份有限公司的DH3820高速靜態應變數據采集儀采集結構應變信號，采樣頻率為10 Hz。

在碼頭滑道前端第1節水泥滑塊兩側布置鋼筋混凝土應變測點，每個側面各布置8個測點，共32個測點。圖3為4個水泥滑塊上應變測點分布及其編號，各測點縱向間距為1 m。水泥滑塊側面測點布置如圖4所示，應變片中心距基線距離為0.3 m。

在全面預算管理實施中，許多房地產企業預算方案不能實效執行，預算管理機構僅在預算編制中發揮作用，在執行過程中在重要的經營環節中沒有建立起將預算指標作為管控的標準，沒有相應的費用超支預警機制，發生成本費用的偏差無法快速及時的處理。有的針對結果進行分析，只做到事后評價，事中控制作用差。在預算考核上指標固化，可變因素考慮不周，用預算標準考核責任單位和責任人時，往往參雜太重個人感情，不公平、不合理、不到位，考核結果脫離實情，加上激勵機制不完善，考核變成形式。

圖3 第1節水泥滑塊應變測點布置

單位：m圖4 水泥滑塊應變片測點布置側視圖

2.3 滑道滑塊應變與其垂向載荷之間力學關系

針對現場應變測量方案，為得到水泥滑塊應變與其垂向載荷之間的力學關系，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構應變響應有限元分析。

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調，建模時將鋼筋與混凝土共節點，實現鋼筋和混凝土節點自由度的耦合。同時認為鋼筋與混凝土之間黏結性良好，不存在滑移現象?？紤]到碼頭滑道在橫向由2列水泥滑塊組成，為簡化分析，取其中的1塊開展有限元分析，圖5為滑塊有限元網格模型。坐標系定義如下：沿水泥滑道長度方向定義為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，即在內側面(yoz平面)施加對稱面邊界條件。在混凝土滑塊底面(xoy平面)施加z向約束。

圖5 水泥滑塊結構有限元網格劃分圖

考慮到該組塊下方木頭寬為1.2 m，認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側各0.5 m寬度范圍內，假設為均布載荷作用。假設作用在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區域上的均布載荷分別為1.11×106N/m2、2.22×106N/m2、3.33×106N/m2。

根據上述網格、邊界條件、加載設置可進行水泥滑塊有限元分析。圖6為1 500 t計算工況鋼筋混凝土滑臺結構垂向應變云圖。

圖6 1 500 t工況滑塊結構垂向應變云圖

根據測量得到碼頭滑道上的水泥滑塊上各測點的垂向(z向)應變，通過上述有限元分析，建立應變與垂向力之間的力學關系，公式為

(1)

3 滑移回拖過程監測結果及其分析

該組塊前端將從駁船HYSY221滑道進入碼頭A、B承臺滑道區域，第1節水泥滑塊將受到垂向載荷，應變監測工作正式開始，記錄時間為0 min，試驗過程每15 min記錄1次組塊相對滑道的位置。當上部組塊完全離開承臺前9 m水泥滑塊，即該處水泥滑塊完全不受力時，監測結束。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應表

對應變監測結果進行分析，剔除部分不佳的測點，得到可用于載荷結果分析的測點，如表3所示?，F場部分應變測點不佳的原因如下：一是現場天氣不佳，在應變片粘貼階段遇到連續陰雨天氣，不利于應變片的粘貼和密封；二是考慮到現場水泥滑塊是鋼筋混凝土結構，盡管水泥滑塊表面也進行了打磨處理，但內部水泥、沙子攪拌無法像在實驗室內那么均勻、理想。有效測點數量共計18個。

表3 水泥滑塊上有效應變測點

基于式(1)，選擇表3中的有效應變測試結果進行相應統計，得到A、B各滑道第1節9 m的2個水泥滑塊上所受到的組塊垂向載荷結果，如圖7和圖8所示。由監測結果可知：

(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，分別出現在圖7和圖8中170～180 min，對照表2可知，在第11步，碼頭滑道第1節受到的垂向載荷最大。此時碼頭結構處于最危險工況。

(2)當組塊第2橫梁剛回拖上碼頭滑道時，對應圖7和圖8中的90 min，即表2中的第8步，此時監測結果中出現了較大的峰值，A滑道最大載荷為11 400 kN，B滑道最大載荷為14 400 kN。原來預計該時刻碼頭最危險，在實際回拖過程中并沒有監測到危險載荷。主要原因是現場通過合理調整駁船HYSY221的壓載水改變駁船浮態，調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兩個滑道的中間線上，稍微偏向B滑道一些。

(4)在回拖初期，時間小于60 min過程中，監測到滑塊垂向壓力為負，即垂向拉力的情況?？赡茉蛉缦拢涸诨赝蟿傞_始時，滑道摩擦因數較大，所需要拖拉設備的拖拉力也較大；為確保駁船滑道與駁船滑道對齊，駁船受到碼頭系纜力也較大，導致碼頭滑道第1節滑塊受到較大的縱向壓力，根據泊松定律，此時在垂向有拉應變成分產生，即受到拉力作用。這不是滑塊所受到組塊垂向載荷的真實數值，監測現場也觀察到碼頭第1節滑塊前端被駁船頂起來又落下來的現象。當回拖作業繼續進行時，摩擦因數減小，拖拉力相應也較小，碼頭系纜力也減小了，因此碼頭第1節滑塊受縱向壓力可忽略不計。

4 結 論

對某大型組塊從HYSY221回拖至碼頭滑道的過程開展碼頭滑道載荷實時監測工作，以避免滑移回拖過程中碼頭承臺垂向載荷超過其設計值，避免碼頭結構破壞，為安全順利地回拖提供技術支持。

提出滑道載荷監測方案。對碼頭滑道前端第1節滑塊表面垂向粘貼專用應變片傳感器，測量得到水泥滑塊垂向應變，再對鋼筋混凝土滑塊結構開展有限元分析，建立結構應變與垂向載荷之間的力學關系，可推算得到碼頭A、B滑道第1節滑塊受到的垂向載荷，從而實時監控在組塊回拖過程中的滑道垂向載荷情況。

現場監測結果表明，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，出現在第3橫梁回拖上碼頭滑道時，碼頭滑道第1節受到的垂向載荷最大。由于現場作業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的垂向力，原來估計最危險的第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。

本次碼頭滑道監測方案及其試驗結果可為今后大型平臺組塊滑移回拖的設計和施工提供技術支持，并為該碼頭結構強度校核提供依據。