海工钢结构立片缆风绳设计

郭 宁，杨风艳，单吉华，牛建华，李国伟

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东 青岛 266520)

在海洋工程建造过程中，时常会遇到周围无侧向支撑的立片结构。例如，立式建造的导管架，在立起第1个分片时，周围没有任何结构物来支撑该立片，吊机摘钩后，为了能使第1个立片保持安全的矗立状态，需要在立片周围布置1组缆风绳。该组缆风绳必须有足够的强度来抵抗各个方向的风荷载的作用，保证分片顶部不会产生过大的挠度变形。导管架立片的缆风绳也可以用来调整立片倾斜角度，以保证建造精度。缆风绳的可靠性直接决定了立片结构的安全性，合理设计缆风绳的布设方案是项目顺利施工的重要保证。

1 缆风绳设计一般要求

布置缆风绳首先应确定缆风绳的数量和位置。一般1个立片用4根缆风绳固定，如图1所示。如果条件不允许，也可以设置3根，应确保所有的受风方向都有足够的抗风强度。缆风绳与地面的夹角30°为宜，最大不宜超过45°。缆风绳的位置应该充分考虑场地使用现状，尽可能的减少场地占用，不影响后续的总装施工工作，不影响吊机站位及行走，并且不影响项目对未来场地的需求。

图1 某四腿导管架立片缆风绳布设示意图

2 缆风绳的结构形式

在海洋工程建造领域，1套完善的缆风绳系统一般应由4部分组成：结构物端锚固点、地面锚固点、长度调整装置和钢丝绳索，图2为海工导管架立片缆风绳结构示意图。

图2 海工导管架立片缆风绳结构示意图

结构物端锚固点为缆风绳在结构立片的生根点，该位置处会受到缆风绳的作用荷载。如果是导管架立片，缆风绳可以兜拉在导管架的导管腿上，并且在下部焊接挡绳柱以防止缆风绳滑移。为避免高空挂缆风绳的困难，导管架立片在被立起之前，可以提前将缆风绳挂到结构物端锚固点上(挡绳柱)。如果空间限制，可以考虑兜拉管式吊点或者管径较大的拉筋。如果是组合梁结构，可以焊接板式吊点来固定缆风绳。但要注意对连接点局部强度核算，既要保证连接的可靠性，又要保证不会损坏主结构。

在地面没有预埋锚点的情况下，缆风绳地面端锚固点宜采用压放水泥块(钢制滑道块或者废旧滑靴)的方法。该方法灵活性强，使用较为方便，不受场地空间限制，可以根据需要随意进行布置。如果压放的水泥块数量较多时，需要核算场地承载能力。

缆风绳长度调整装置，用来预紧和松弛缆风绳，可以轻微调整立片的角度，以保证建造的安全性和精度。一般受力较小时可以用倒链，受力较大时需要用卷扬机、滑轮组组合的形式。

钢丝绳索宜采用吊装用钢丝绳吊索具，钢丝绳吊索具安全系数较高，两端带有绳扣，可以通过卸扣串接多根吊索具，灵活调整长度。

3 缆风绳的受力分析

确定缆风绳在工作过程中受到的最大拉力，即缆风绳系统的额定工作荷载，是作为选取钢丝绳索、卸扣、滑轮组及卷扬机等的依据。

单支缆风绳受到的最大拉力F(kN)即缆风绳系统的额定工作荷载：

F=Fg+Fc,

(1)

式中：Fg为缆风绳受到的最大工作拉力，kN，即结构物承受的风荷载从零变到最大设计值时，抗风方向缆风绳内张紧力的增量；Fc为缆风绳初始拉力，kN，缆风绳的初始拉力是缆风绳预先拉紧的力，一般取工作拉力的15%～20%[1]。

结构物的受力可以简化为如图3所示[2]。

图3 受力分析示意图

根据力矩平衡原理，缆风绳受到的最大工作拉力Tg、立片受到的最大风荷载Fw和结构物的自重荷载G，三者存在如下关系：

Fwhw+Ghgsinα=nFghtcosθcosγ,

(2)

得到缆风绳的工作拉力：

(3)

式中：Fw为最大风荷载，kN，未知量；hw为整体风力等效作用点高度，m，未知量；G为结构物的自重，kN，已知量；hg为结构物重心高度，m，已知量；ht为缆风绳结构物端锚固点高度，m，已知量；α为结构物由于风荷载可能发生的最大倾角， °，已知量，一般取5°；θ为缆风绳与地面的夹角， °，已知量；γ为缆风绳与来风方向所在垂直平面的夹角， °，已知量；n为同一抗风方向缆风绳数量，条，已知量。

4 风荷载及整体风力等效作用点高度的计算

4.1 风荷载Fw计算

风荷载的计算参照GB 50135—2006《高耸结构物设计规范》[3]和GB 50009—2012《建造结构荷载规范》[4]中的方法，垂直作用于结构物表面单位面积上的风荷载标准值应按照式(4)进行计算：

ωk=βzμsμzω0,

(4)

式中：ωk为作用在结构物z高度处单位投影面积上的风荷载标准值,按风向投影，kN/m2；ω0为基本风压，kN/m2，其取值不得小于0.35 kN/m2；μz为z高度处的风压高度变化系数；μs为风荷载体型系数；βz为z高度处的风振系数。

由于μz、βz与受风区域的高度有关，因此对于高耸结构物，为了保证计算精度，需要将受风区域按照高度划分成不同的受风区间，垂直作用于结构物表面某特定受风区间上的风荷载Fi(kN)为：

Fi=ωkAi,

(5)

式中：Ai为高耸结构物表面某受风区间受风面积，m2。

整个结构物在某受风方向受到的垂直作用总风荷载Fw(kN)为：

Fw=∑Fi=∑(βzμsμzω0Ai),

(6)

式(6)中ω0、μz、μs、βz值可以参照GB 50009—2012《建造结构荷载规范》和GB 50135—2006《高耸结构物设计规范》中描述的方法计算确定或者查询规范中的附表得到。

以海工青岛场地建造的某导管架立片为例：

1)基本风压ω0。通过查GB 50009—2012《建造结构荷载规范》中E.5附表，得青岛地区50年重现期的基本风压ω0为0.6 kN/m2。

2)风压高度变化系数μz。根据GB 50135—2006《高耸结构物设计规范》海岸风压高度变化系数μz取值如表1所示。

表1 海岸风压高度变化系数μz

由表1可知，风压高度变化系数μz会随标高变化发生变化。

3)风荷载体型系数μs。该导管架立片可以划为圆截面构筑物，根据GB 50009—2012《建造结构荷载规范》表8.3.1中的规定，用表1的中间值按线性插值法计算风荷载整体系数μs为0.56。

4)z高度处的风振系数βz。βz为跟高度有关的变量，根据规范GB 50135—2006《高耸结构物设计规范》描述的方法计算不同受风高度区间的值，如表2所示。

表2 z高度处的风振系数βz

5)受风高度区间的受风面积Ai。按照所划分的受风区域，计算出每个区域对应的受风面积Ai，为该受风区间内结构物在受风方向上的投影面积。

分别将ω0、μz、μs、βz、Ai的值汇总到表3中，计算出该导管架立片每个受风区间受到风荷载Fi。

表3 风力计算表

4.2 整体风力等效作用点高度hw计算

该导管架立片每个受风区间的风力作用点距地面的距离分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8；结构物整体风荷载Fw等效作用点距地面的距离为hw。结构物整体风荷载Fw对地面产生的力矩等于每个受风区域受到的风力对地面产生的力矩之和，即：

Fwhw=∑Fihi,

(7)

得到：

(8)

将式(7)或式(8)代入式(3)即可求得每支缆风绳的工作拉力Fg，再将Fg代入式(1)，得到单支缆风绳受到的最大拉力F。F可被视为每支缆风绳系统的额定工作荷载，以额定工作荷载F作为地面锚固点及结构物端锚固点强度校核的输入值；同时，缆风绳绳索粗细、卸扣规格、滑轮组规格及其他工机具的规格均需要根据额定工作荷载F的值确定。

5 结束语

综上所述，海工钢结构立片缆风绳设计需要经过如下流程。

1)根据施工场地及项目的实际情况充分考虑施工空间的限制及后期使用，来确定缆风绳的数量和布设位置。

2)设计缆风绳的结构形式，包括：结构物端锚固点的形式、地面锚固点的锚固方式、长度调整装置的形式和钢丝绳索4个部分。

3)通过计算最大风荷载，来确定单支缆风绳最大拉力F，即缆风绳系统的额定工作荷载。

4)根据缆风绳系统的额定工作荷载来确定组成缆风绳系统的各类工机具规格。

5)根据缆风绳系统的额定工作荷载校核结构物端锚固点、地面锚固点的锚固强度。