半潜式起重铺管船建造场地荷载分析

王 阔

(海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266520)

半潜式起重铺管船(以下简称铺管船)为深水海洋工程系列必要船型之一[1]，其具备在恶劣深水环境条件下进行海管铺设、结构物吊装等多种海洋作业的能力，在海洋工程领域有良好的应用前景[2-4]。铺管船因其特殊的结构形式，需采用特定的建造方式，对场地荷载能力提出了更高的要求。本文以青岛场地为例，通过对比各类总装合龙方式，确定最优建造方案，并对该总体建造方案不同工况下的场地荷载能力进行计算分析。

1 铺管船总体建造方案

1.1 铺管船结构形式

铺管船由下部船体、生活楼、轮机系统、吊机、铺管系统等组成。其船长为190 m，型宽为98 m，整体高度为76 m，下部船体质量约45 000 t，上部模块结构除生活楼及码头安装设备外，质量约为34 000 t，铺管船示意图如图1所示。

图1 铺管船示意图

1.2 铺管船总体建造合龙方案对比分析

目前，主要的合龙方式有以下几种：顶升滑移合龙、巨型总段吊装合龙、提升滑移合龙、分段吊装合龙等，各种合龙方式在工程中均有应用[5]。

根据该铺管船的尺寸及结构特点，结合青岛公司场地情况，因船坞宽度为110 m，而船体长度为190 m，所以该船体结构及上部模块结构只能在坞内纵向建造。

1)提升滑移合龙。提升滑移合龙是目前浮式平台建造常见的总装合龙方案之一。铺管船的型宽为98 m，建造中船体中心线与坞底中心线重合，两边各余6 m的宽度。针对此方案，必须在上部模块的两侧设置提升塔架。同时，提升方式举升能力比顶升方式弱，目前没有提升质量达到近4万t的成功工程案例。更重要的是，提升塔架本身具有一定的宽度，对于塔架的固定装置来说，6 m的距离偏小，所以提升滑移合龙方案不适合该项目。

2)巨型总段吊装合龙。即使不考虑起重机、J型架、生活楼、大型绞车等可以后期在舾装码头组装的设备质量，该船的上部模块质量也远超3万t，超过已有资源能力，所以不能采用巨型总段吊装合龙的方式建造。

3)合龙方案选取。通过以上分析，可以采用的合龙方式主要有2种，即分段吊装合龙和顶升滑移合龙。从建造总成本与建造周期2个方面考虑，顶升滑移合龙的建造方案均优于分段吊装合龙的建造方案。本文将以顶升滑移合龙方案为基础进行荷载分析。

1.3 铺管船顶升滑移方案

1)总段建造。利用龙门吊，将坞外预制总段在坞内合龙为3个巨型总段，即左右舷2个船体巨型总段和上部模块巨型总段。其中船体巨型总段包括底部船体与立柱，即一个船体巨型总段包括1个单船体和4个立柱。上部模块巨型总段在靠近坞门一侧合龙，船体总段在内侧合龙。3个巨型总段同时建造。

2)合龙流程。3个巨型总段建造完成之后，通过顶升设备，将上部模块顶升至略高于最大型深的高度。通过滑移设备，将2个船体总段滑移至指定位置后，船体总段合龙并坐墩，将滑靴和滑道块依次撤出，按照船体结构与上部模块合龙工况进行垫墩布置，布墩完成后，利用滑靴上的液压装置将船体结构质量转移至总装合龙墩上，然后利用顶升装备，降低上部模块高度，进行质量转移，完成船体结构与上部模块集成作业，顶升滑移合龙如图2所示。

图2 顶升滑移合龙示意图

2 铺管船建造船坞荷载分析

2.1 船坞荷载及坞墩样式

船坞坞底荷载是根据不同产品类型，不同工况进行设计的，在项目实际应用时，应根据具体实际位置进行核实。为简化计算流程，按照船坞坞底最小面荷载40 t /m2，最小线荷载220 t /m进行核算。坞墩具体尺寸如图3所示。

图3 坞墩尺寸图

2.2 地基荷载分析

由于船坞荷载限制，建造阶段坞墩采用双墩布置，合并后双墩长3.0 m，宽1.4 m。同时，依据结构尺寸，上部模块布置278个双墩，船体结构布置300个双墩，如图4所示,图4中黑色小方块为坞墩。

考虑到1.05倍荷载不均匀分布系数，上部模块结构和船体结构对船坞坞底的荷载为：

PTopside=mTopside/ATopside×1.05=34 000/

(3×1.4×278)×1.05≈30.6 t /m2，

(1)

PHull=mHull/AHull×1.05=45 000/

(3×1.4×300)×1.05≈37.5 t /m2，

(2)

图4 坞墩布置图

式中，PTopside为上部模块结构面荷载，t /m2;PHull为船体结构的面荷载，t /m2；mTopside为上部模块结构质量，t;mHull为船体结构质量，t；ATopside为上部模块坞墩受力面积，m2;AHull为船体坞墩受力面积，m2。

船坞坞底最小面荷载为40 t /m2，建造阶段坞墩布置满足荷载要求。

2.3 顶升阶段地基荷载分析

1)顶升时地基受力。顶升阶段地基受力是合龙阶段的一个关键问题，在顶升上部模块时，上部模块的全部质量都由顶升设备传递到坞底或滑道的地基上，加上顶升设备自身的质量，会造成地基局部受力较大的问题。使用有限元软件计算获取每个设备传递给地基的力，结合地基的许用荷载，可以得出需要何种尺寸及形式的顶升基座，以确保地基在顶升过程中不被破坏。

2)顶升设备支撑点布置问题。顶升设备支撑点的布置要考虑顶升设备和下部沉箱的干涉问题，同时设备支撑点布置在不同的位置，会影响顶升设备和上部模块结构的受力，进而上部模块需要的结构加强也会不同。

根据上部模块质量，设计了顶升塔架底座12个。底座长10.5 m，沿船坞长度方向；宽8 m，沿船坞宽度方向。顶升塔架底座布置示意图见图5。

图5 顶升塔架底座布置示意图

考虑到1.05倍的荷载不均匀分布系数，顶升塔架质量为12 000 t，顶升阶段，顶升塔架底座对船坞坞底的荷载为：

PJack=mJack/AJack×1.05=(34 000+12 000)/

(10.5×8×12)×1.05=47.9 t /m2，

(3)

式中,PJack为顶升塔架底座的面荷载，t /m2；mJack为顶升阶段总结构质量，t；AJack为顶升塔架底座面积，m2。

船坞坞底最小面荷载为40 t /m2，塔架底座对地基最大荷载大于船坞坞底最小面荷载。因船坞坞底部分区域面荷载为60 t /m2，如顶升设备塔架位于40 t /m2区域，就需要对船坞坞底进行局部改造，以满足顶升阶段工况要求。

2.4 滑移阶段地基荷载分析

船体结构滑移方案中，2个船体分段分别设置40个液压滑靴，提供的纵向有效支撑总长度为220 m(横向8行)，考虑到1.05倍的荷载不均匀分布系数，认为左右两侧的液压滑靴分担的质量相同,液压滑靴对坞底的线荷载为：

QSkid=mHull/LSkid×1.05=45 000/220×1.05≈214.8 t /m，

(4)

式中，QSkid为液压滑靴对坞底线荷载，t /m；mHull为船体结构质量，t；LSkid为滑靴纵向有效支撑长度，m。

船坞坞底最小线荷载220 t /m2，滑移阶段船坞坞底荷载满足要求。

2.5 合龙阶段地基荷载分析

顶升作业开始时，撤上部模块的建造坞墩，结合合龙后的质量，布置660个双墩，合龙阶段坞墩布置示意图如图6所示，图6中黑色小方块为坞墩。

图6 合龙阶段坞墩布置示意图

考虑到1.05倍的荷载不均匀分布系数，合龙后的坞墩对坞底的荷载为：

PTotal=mTotal/ATotal×1.05=79 000/(3×1.4×660)×1.05≈29.9 t /m2，

(5)

式中,PTotal为合龙后坞墩的面荷载，t /m2；mTotal为合龙后的结构质量，t；ATotal为合龙后坞墩的受力面积，m2。

船坞坞底最小面荷载为40 t /m2，合龙阶段坞墩布置满足荷载要求。

3 其他注意事项

1)顶升。顶升点处结构加强，顶升过程必然对上部模块结构造成一定影响，为了缩短工期，上部模块设计时就应考虑顶升过程的影响。对上部模块进行有限元分析，如需要应对上部模块进行局部结构加强。顶升设备基座主要由砂箱和箱型梁构成，首先布置砂箱，然后在砂箱上布置箱型梁，再设计该结构时，需充分考虑地基荷载及顶升操作空间等因素。顶升方案需要按照顶升高度进行合理性论证，如顶升塔架需要根据项目实际情况进行有限元分析，选取最优布置方案；顶升操作时，需有防风措施，规避安全风险。

2)坞墩。由于船体质量分布、船体结构强度以及垫墩布置的不均匀性，部分单墩的压力要大于均值。为保证坞墩压力小于许用值，在初步进行垫墩布置后，应根据结构质量等实际情况，进一步进行有限元分析确保坞底强度满足要求。