大型预制墩台滚装运输关键问题研究

黄建富，李斌，陈儒发，李大勇，范云

（1.广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620；2.江苏泛洲船务有限公司，江苏 南京 210009；3.中国船级社广州分社，广东 广州 510235 ）

大型预制墩台滚装运输关键问题研究

黄建富1，李斌1，陈儒发1，李大勇2，范云3

（1.广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620；2.江苏泛洲船务有限公司，江苏 南京 210009；3.中国船级社广州分社，广东 广州 510235 ）

港珠澳大桥某标段大型预制墩台船舶运输采用滚装法上船，依据港珠澳大桥设计资料和海洋施工环境特点，对大型预制墩台运输船舶运用的关键问题进行分析和研究，提出合理的滚装码头设计、船体加固、船舶稳性核算方法和拖航方式，为大型预制墩台顺利运输提供保障。

港珠澳大桥；预制墩台；滚装；坐底；船舶运输

港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超级跨海通道，为降低海洋环境施工难度，保障施工质量，采用装配化设计和施工理念。大部分桥梁结构部件在陆地上预制加工，然后通过船舶运输至施工地装配连接。因此，大批量大吨位的桥梁结构部件运输成为港珠澳大桥施工建设非常关键的一个环节。选择合适的运输方式，对桥梁的施工建设有着重要意义。

1 方案比选

港珠澳大桥某标段预制墩台71件，其中整体式墩身承台55件，墩身16件。墩台构件高度18.25～26.65m；最大重量2794t。墩身构件高度7.55～15.7m；最大重量2064t。

固体货物装船一般分垂直装船法和水平装船法。垂直装船通常指包括各种起重设备的起吊装船，此方法需要大型起重设备和建设承载大型设备及货物重量的装卸码头，具有投资大，装卸货物效率偏低，并需要使用配套索具，受潮汐影响小等特点。水平装船法通常指滚装法，是相对经济和高效的货物装卸方法，大尺寸、大吨位货物装船通常会考虑滚装法装船。滚装法无需建造过于庞大装卸码头和大型的起重设备，但需要配套的移运设备。同时，船舶装货会受潮汐影响较大，船舶一般舱浅重心高，有时稳性会相对偏差。

该施工标段大型墩台预制生产基地选择在中山市火炬开发区，靠近横门水道，航线宽度窄、相对繁忙，选择垂直装船法需要配置横跨船舶造价昂贵的4000T超级龙门吊机，且船舶需要纵向进出码头，码头纵深将达100m。这样对航道、防洪堤坝和生产场地都将造成较大影响，同时不利于后期土地规划使用。因此不采用垂直装船法，而考虑选用水平装船法运输大型预制墩台。

2 关键问题

滚装上船选择大吨位轮轨式液压移运台车运输装船，台车轨道从陆地延伸至船舶甲板上，运输船舶选择箱型平底甲板无动力驳船。常规滚装船舶是通过潮汐高度和调节压载水控制船舶吃水深度提供尽可能水平的运输通道供货物上船。由于墩台重量大，荷载相对集中，导致控制难度大，危险系数高。因此大型预制墩台滚装码头采用船舶坐底方案，解决墩台滚装上船介于陆地和船舶之间的最危险工况问题。

预制墩台通过支墩承载和固定，为保障运输过程更加平稳，将墩台装载在船舶重心区域，并实施绑扎。通过计算，确定载货甲板区域，使预制墩台重心与船舶重心在垂直方向尽可能重合。墩台滚装上船工况和船舶运输过程支墩承载工况是滚装法船舶受力计算的关键部分，需要根据计算结果对需要加固的部分进行补强。

大型预制墩台装载上船后，船舶重量、重心和整体几何尺寸都发生变化，对船舶稳定性提出新的要求，需要重新核算船舶稳性。另外，船舶拖航过程中选择合适的拖航方式也很重要。该方案采用绑拖拖带方式，即两艘拖轮在船舶两侧绑缆拖带，与常规吊拖方式相比，可明显提高墩台运输过程中船舶稳性、机动性和安全性。

2.1 滚装码头

滚装码头采用驳船坐底方式供大型墩台滚装上船，船舶选用箱型钢质驳船。船长/型宽/型深：90m/26m/6.4m。滚装码头坐底部分采用桩基础上现浇钢筋混凝土框架梁结构。打设直径500mmPHC管桩，干施工法完成钢筋混凝土框架梁浇筑，并在两侧设置高1.0m、长30m的拦砂墙。底座平台下桩基布置对应选用船舶龙骨和肋骨结构，桩底入土深度至中粗砂层或强风化花岗岩层。框架梁底部铺设300mm厚碎石垫层和100mm厚素混凝土垫层，框架梁高1200mm。

大型墩台滚装通道采用高桩墩台结构，考虑减少对航道河堤部分抛石护坡影响，设置3根Φ1500 灌注桩，桩基以强风化花岗岩为持力层，桩基上部浇筑钢筋混凝土墩台，墩台高1.5m，并安装SA400×1500的靠船用橡胶护舷，在两侧端部各设置一个450kN的系船柱。完成施工，投入使用大型预制墩台滚装码头。

2.2 船体加固

大型预制墩台移运至船舶甲板，需要存放在一定高度的支墩结构上，移运台车通过收缩支撑液压缸降低高度，完成大型预制墩台坐落动作，然后撤离。

为确保墩台滚装上船的安全性，基于MSC.Patran有限元分析软件平台，对不同装载模式下船体的结构强度进行校核，并对局部结构进行加强。

（1）轨道位置加固。大型墩台重量在台车移运过程中，轮轨部分和支撑轮轨部分的结构是荷载最集中的地方，船舶甲板铺设支撑轨道的箱型结构钢梁，用于将荷载传递和分散至船舶甲板、船舶船肋、龙骨等结构。利用MSC.Patran有限元软件进行计算分析，根据分析结果，对载货区域船体内部结构进行加强，以至满足大型预制墩台滚装上船过程中的船体结构强度。钢轨承载箱梁横断面及MSC.Patran重力作用模型如图1所示。

（2）支墩位置加固。船舶甲板中部位置设置用于承载大型预制构件的钢结构叫支墩，此结构有两个作用：一是在几何尺寸上，满足移运台车装卸货物需求，提供进出空间。二是与船体结构形成整体，传递和分散荷载集中，减少船体结构的应力集中。支墩承载货物工况相对复杂，需要考虑装货过程和拖航过程，两个工况同时需要考虑波浪对船体的影响。主要承受荷载包括货物荷载、支墩结构自重、滑道支撑结构自重、船体结构自重、舷外水压力荷载、舱内压载水压力荷载等。采用质量单元模拟，并通过MPC的模拟方式与支墩结构受载区域耦合。对于不同类型的预制墩台及不同的工况，MPC耦合点的位置也有所不同。船体及支墩部分MSC.Patran模型如图2所示。

图2 船体及支墩部分MSC.Patran模型

通过对船船舶局部加固后的船体进行最大荷载加载和最不利工况分析，以至船体结构强度满足使用要求。

（3）固定绑扎。为提高货物运输安全，大型预制墩台需要进行一定的绑扎，在墩台底部设置限位装置，用于固定和限制预制墩台的水平方向移动。货物顶部设置固定架，用于向甲板四个位置牵引钢丝绳，预紧固定。然后形成一个空间的固定绑扎状态，如图3所示。

2.3 船舶稳性

船舶在航行过程中主要有三种运动形式，即横摇运动、纵摇运动和垂向运动。船舶装载货物后的稳性主要考虑横向倾覆。船舶倾斜中最危险的状态是船舶摇摆到最大摆幅正要回复时，受到与回复方向一致的突加力矩作用，船舶在两个同方向力矩作用下倾斜加剧。此时能使船舶倾覆的最小突加外力矩称为最小倾覆力矩。船舶最小倾覆力矩与风压倾斜力矩之比不能小于1，否则船舶将继续倾斜直至倾覆。受力模型如图4所示。

一般计算步骤：通过货物几何尺寸、船体结构等质量分布，计算出船舶载货后重量及重心位置。对照船舶静水力表计算出船舶吃水、横倾、纵倾、初稳性等参数。根据船体及货物投影面积、风心高度计算出风压倾斜力臂。

式中，Z为风力作用力臂；Af为受风面积；P为单位计算风压；Δ为核算情况排水量。

最小倾覆力臂计算过程复杂，此处不展开论述。目前通常使用中国船级社COMPASS船舶计算系统辅助计算，通过数据录入，可以相对简便的得出最大复原力臂lmax、最小倾覆力臂lq、复原力臂曲线消失角度（回复力矩为0值角度）和最大复原力臂对应角度复原力臂曲线下面积等船舶稳性所需要的相关参数。

3 结语

本文对跨海桥梁大型预制墩台装船方式、运输船舶加固、固定绑扎、拖航运输、船舶稳性核算等进行了介绍，阐述了方案设计思路和关键控制问题的解决方法，为该运输方式的成功运用提供了理论保障。同时给跨海桥梁大型预制墩台运输以及其他大吨位、大尺寸构件运输工程提供了参考经验。

[1]苏晨，谢新连，马梦知，等. 大件运输船舶发展现状与动态[J].船舶工程，2012(3):1-5.

[2]赵海涛，杨余. 某工程船坐底工况底座基梁荷载计算及船体结构强度校核[J]. 船海工程，2014(4):13-15.

[3]侯淑芳. 散货船结构强度的有限元分析[D]. 大连海事大学，2001,11.

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1671-0711（2017）06（下）-0068-03