一种钢制滑道块的设计分析

姜立群，刘全刚，黄先超，杨明旺，李 强

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东 青岛 266520)

我公司青岛场地大型平台导管架在滑道(滑块压桩式滑道)上进行建造，完工后拖拉装船，滑块为平台导管架拖拉装船的滑移基础。滑道块是平台导管架拖拉装船的滑移基础，随着海洋油气开发向深水发展，海洋平台导管架吨位不断增大，现有的以固结混凝土连接的滑道块已经不能满足大吨位平台导管架拖拉装船的作业要求，常常出现滑块破坏现象[1]。

驳船在风、浪、流以及船行波等载荷的影响下，不可避免的产生晃动，促使滑道码头前沿几个滑块随船体一起晃动，驳船在钢丝绳的拖拉作用下，码头前沿位置处的滑道块所承受的水平压力较大，极端情况下会导致码头前沿的水泥滑道块被剪断。

作为滑移基础的滑块，必须满足拖拉装船的作业要求，为了改善钢筋混凝土滑道块的抗剪能力差，不满足导管架拖拉装船的要求的问题，本文结合公司现有3#滑道的滑块所承受荷载及各种工况，应用有限元分析，成功设计了一种钢制滑道块。

1 设计理念

钢制滑道块的设计理念：

(1)钢材具有更为良好的抗疲劳，抗冲击，抗剪切性能，结构的安全性高，选取D36材质；

(2)从节能减排的原则出发，在综合分析码头前沿地基承载能力和滑块结构强度下，钢制滑道块将采取上窄下宽的结构设计形式；

(3)考虑材料余废料及材料循环利用，以及滑道块预制的便利性，钢制滑道块全部采用余废料，现场制作，并做好编号回收处理。

2 荷载分析

导管架结构片预制完成后，在滑道上进行总装，滑道上摆放2条由钢筋混凝土浇筑成的连续滑道块，滑道块与滑道板之间，滑道块之间均抹水泥砂浆找平，导管架的下水桁架通过滑靴放置于2条滑道块上。滑靴与滑道块之间铺设特殊的减摩材料(特氟龙钢板)用以降低拖拉时的摩擦系数[2]。

图1 滑块受力示意图

在不考虑极端恶劣环境荷载的情况下，钢结构滑块所受的荷载主要包括：滑块自重G、导管架及滑靴对滑块的竖直压力N及摩擦力f、船摇臂对滑块的水平压力Ft及摩擦力Fv。滑块的受力及约束示意图，如图1所示。

丽水导管架拖拉过程中钢制滑道块主要承受导管架的重量，承受导管架拖拉的摩擦力，船摇臂的顶压作用和摇臂与滑块间的摩擦力作用。因此，把滑块设计为如图2所示的钢结构滑道块，并设计了托盘，以便于固定，防止滑移。

图2 钢制滑块三维视图

3 有限元分析

3.1 简化模型

应用有限元分析软件ANSYS对该钢结构滑块进行计算分析，钢板采用SHELL63的4节点壳单元建立有限元模型。建立滑块结构的力学简化模型，如图3所示。

图3 滑块的力学简化模型

3.2 组合工况

由于在导管架拖拉过程中位置不断发生变化，船在风、浪、流以及船行波的影响下钢制滑道块的受力状态存在不确定性，所以对其受力较为危险的工况组合进行如下分析：

第一种工况，滑道块主要承受，向上摩擦力、顶靠力；

第二种工况，滑道块主要承受，向上摩擦力、顶靠力、顶面压力、摩擦力；

第三种工况，滑道块主要承受，向左摩擦力、顶靠力、顶面压力、摩擦力。

由于在滑块表面压力荷载、摩擦力和重力的作用下，结构各点一般为复杂应力状态，结构所采用的材料都是具有较好延性的钢材，作为强度评判的准则一般采用第四强度理论，其折算应力或等效应力按下式计算，称为Von Mises等效应力：

3.3 有限元结果分析

第一种工况的计算结果：

如图4和图5分别为滑块在工况一下的整体等效应力及总位移图。最大等效应力σmax=124.916MPa，发生在滑块与托盘的连接处；最大综合位移Umax=4.537 mm，发生在托盘最外端。

图4 工况一下整体等效应力云图

图5 工况一下整体等效变形云图

第二种工况的计算结果：

图6和图7分别为滑块在工况二下的整体等效应力及总位移图。最大等效应力σmax=118.133MPa，发生在滑块与托盘的连接处；最大综合位移Umax=5.133 mm，发生在托盘最外端。

图6 工况二下整体等效应力云图

图7 工况二下整体等效变形云图

第三种工况的计算结果：

图8和图9分别为滑块在工况三下的整体等效应力及总位移图。最大等效应力σmax=200.161MPa，发生在滑块与托盘的连接处；最大综合位移Umax=5.717 mm，发生在托盘最外端。

图8 工况三下整体等效应力云图

图9 工况三下整体等效变形云图

3.4 校核结果

由于钢制滑道块选取的材质为D36，屈服强度为σs=355MPa，按照美国钢结构建造学会(AISC)钢结构建筑物规范-许用应力设计[3]，钢板的容许应力为[σ]=0.6σs=213MPa。

受力较大的工况三，最大等效应力σmax=200.161MPa<[σ]=0.6σs=213MPa。由此，得出结论，本文所设计的一种码头前沿钢制滑道块结构满足强度要求。

4 滑道块配重

根据平衡原理，为了保证摇臂的摩擦力不会将钢制滑道块一端翘起，为安全起见，在拖拉装船作业中，公司在考虑1.2倍的安全系数后，选取合适的钢筋混凝土的垫块，作为配重块，对钢制滑道块进行固定。

5 结论

随着大型深水导管架的不断增多，拖拉装船对滑道块及滑道的要求也越来越高。滑道前端滑块仅靠固结混凝土与滑道粘接已不能满足大吨位结构滑移上船的作业要求。

通过滑道块荷载分析，考虑滑道块常见的三种工况，本文借助有限元工具，经过严密的分析计算，将原3#滑道码头前沿的钢筋混凝土滑道块改造成抗剪、抗压能力强并易于与滑道固定且整体性更好的钢结构滑道块，已经成功应用于丽水导管架的滑移装船作业。在对钢制滑道块进行了加固和防腐处理后，也可以应用于相似类型的其他导管架装船的作业中，达到重复利用的目的，为公司承建后续大吨位导管架的顺利滑移装船提供保障。