一种高瘦沉箱半潜驳拖航加固方法

白 俊，江岳松

1.中国港湾西部非洲区域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524000

1 工程概况

加纳特码LNG项目位于非洲西部，加纳南部沿海，濒临几内亚湾的北侧，特码港西防波堤外侧。2017年6—8月，每月最大有效波高在1.5m以上的天数可达10d以上，波高在2m以上的天数累计不小于5d，而全天波高在1.1m以下的天数月均不到一周，波浪周期在7～19s变化，季风期的海况条件较为恶劣。项目码头结构采用离岸重力式独立墩沉箱结构，共有靠船墩沉箱2件，系缆墩沉箱5件。沉箱出运码头至安装现场直线距离为4.6km，实际半潜驳拖航路径长约7km，其中经过无掩护海域约5km。

因离岸重力式码头沉箱的设计一般高宽比较大，在使用半潜驳拖航沉箱经过近岸无掩护海域时，其宽度方向的抗滑和抗倾覆稳定性较差。根据力和力矩的平衡原理，需要对沉箱横纵方向的受力和抗滑抗倾稳定性进行核算。当其抗滑抗倾稳定性不满足要求时，必须对沉箱进行拖航加固，并限定拖航的作业条件，以保证整个拖航作业的安全。基于加纳特码LNG码头工程项目的高瘦沉箱在长周期波且无掩护海域拖航的成功经验，文章介绍了沉箱拖航稳定计算和简易的加固方法，以为类似施工提供参考。

2 沉箱拖航稳定性计算

2.1 沉箱对甲板的作用力计算

两种沉箱的主体尺寸不同，以高宽比较大的靠船墩沉箱为例，该沉箱重约1991t，长为19.41m，底宽为12.62m，实宽为9.62m，高为18m，重心位置分别为Xc=5.85m、Yc=9.71m、Zc=7.09m；横向风作用面积为349.38m2，纵向风作用面积为176.16m2。沉箱底部支垫0.4m厚的枕木，半潜驳装载沉箱后吃水3.6m，甲板面到水线高为2m。靠船墩沉箱参数如表1所示，沉箱上半潜驳后的位置如图1所示。项目采用四航湛江号为拖航半潜驳，其船长为67.8m，型宽为37.2m，型深（至举升甲板）为5.6m，设计吃水4.34m，载重量为4500t，坞墙宽为3.6m。

图1 沉箱上半潜驳后的位置图（单位：mm）

表1 靠船墩沉箱参数 单位：m

2.2 沉箱平衡计算

平衡计算应分别校核横向滑动、横向翻转和纵向滑动。因干木板与钢板间的摩擦系数一般小于其与光滑混凝土面间的摩擦系数，故将沉箱与木方假定为一个整体计算[1]。

（1）横向滑动。横向滑动平衡应满足下式：

式中：Fy为拖航时沉箱作用于甲板的水平横向力；Fz为拖航时沉箱垂直于甲板的竖向作用力；μ为钢与干木板的摩擦系数，取0.3。纵向滑动与横向滑动计算方式相似。

（2）横向翻转。横向翻转平衡应满足下式：

式中：a为横向力Fy绕转动重心翻转的力臂，a=7.09m；b为垂向力Fz绕转动重心翻转的力臂，b=12.62÷2=6.31m。

根据沉箱拖航工况要求计算的结果如表2所示。根据表2计算结果和结论，在拖航时，沉箱不会产生纵向滑动和翻转，但因为其横向力Fy=5012kN＞μFz=4068kN，所以必须在横向采取加固限位措施，保证沉箱的拖航稳定。

表2 根据沉箱拖航工况要求计算的结果

3 沉箱加固方式

3.1 三角架平、立面布置

在沉箱上半潜驳后，沿沉箱长度方向每边各布置4个钢支撑，钢支撑由双拼20a#槽钢三角架和厚16mm的钢板底座组合而成。底座与船体甲板焊接，三角架加贴沉箱的一侧安装1cm厚的胶皮，以便其可与沉箱保持紧密接触[2]。

3.2 钢支撑强度验算

（1）底座验算。钢板分为底座和三角两种，钢板尺寸为1000mm×300mm×40mm，厚度为16mm，焊接在船体甲板上，其水平面和双拼20#槽钢三角架焊接。沉箱在上驳过程中，气囊额定工作压强为0.4MPa，远小于钢板受力215N/mm2，即215MPa，故钢板强度满足要求[3]。

（2）焊缝强度验算。第一，焊脚尺寸计算，根据如下公式：

式中：tmax为钢板厚度，tmin为槽钢的厚度，分别为16mm、11mm；hf为焊缝焊脚尺寸，经计算，此次hf取9mm。

第二，焊缝长度计算。钢板长L=1000mm，则焊缝有效长度为

第三，角焊缝有效截面面积计算。角焊缝有效截面面积为

第四，应力计算。经计算，截面抵抗矩Ww为2025080.4mm3，拉力Nti为154kN，剪力Nu为236kN，弯矩M为118079.49kN·mm，拉力Nti所产生的应力σfn=12.41N/mm2，剪力Nu所产生的应力τfv=19.09N/mm2，弯矩M所产生的应力σfM=58.31N/mm2。

第五，角焊缝强度验算。三脚架在受到沉箱对其拉力、剪力、弯矩的共同作用下，在角焊缝的有效截面上，对受力最大的应力点进行强度验算，公式如下：

式中：βf为斜向角焊缝强度增大系数，直接承受动力荷载时，取1.0；ffw为角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值，查表可得为160N/mm2。

经计算得，73.25N/mm2＜160N/mm2，角焊缝满足强度要求。π型钢板与甲板焊接焊缝强度验算同上，均满足强度要求。现假设在不利的情况下，有一23.6t（236kN）的作用力作用在每一个三角架上，三角架同时受剪力和拉力作用。经验算，每个三角架可承受23.6t（236kN）作用力，且各个强度均满足要求，沉箱在拖航时保持稳定，不产生滑移。沉箱采用三角架加固后，横向滑动、纵向滑动以及翻转情况计算数据具体如表3所示。

表3 加固三角架后横、纵向滑动及翻转计算结论

4 结束语

文章结合半潜驳的允许作业条件和拖航经验，界定了半潜驳在拖航沉箱时横纵方向最大摇摆角（纵向5°、横向10°）和摇摆周期（10s），以及在拖航时当日最大有效波高不超过1.3m，平均波浪周期在12s和14s之间的参数条件，并据此进行了沉箱拖航时抗滑抗倾核算和加固三角架的设计。利用此简易加固方法，成功完成了所有加纳特码LNG码头工程项目全部沉箱的拖航施工，可为类似项目提供参考。此外，该三角架是采用焊接方法固定在π型底座上，也可以使用螺栓连接的方式，通过一定的计算复核确定螺栓的数量和规格。以螺栓拆装替代三角架的焊接和割除，施工起来更为简单，用时更少，是进一步优化加固的途径之一。