履带吊上方驳施工可靠性分析

熊伟

（中交二航局第二工程有限公司，重庆 400000）

已完工的马尔代夫跨海大桥的施工，为本公司的外海跨海大桥施工积累了宝贵的施工经验，随着越来越多的跨海大桥施工要求与施工环境不同，以及对成本控制及使用安全的需求，同时，也是特定国别船机设备资源的限制，为了保证项目安全顺利施工，采取履带吊上驳船的特殊施工工艺。

1 履带吊上驳船可行性施工说明

针对巴西萨尔瓦多跨海大桥项目所考虑的履带吊上方驳形成组合方驳方案，进行施工窗口期、加固方案分析。

方驳在波浪、风、水流等作用下，产生纵摇、横摇等六自由度运动，履带吊在随方驳同步摇动时，应在船舶倾斜下能抵抗船体六自由度运动引起的惯性力，并不发生滑移和倾覆。

同时，履带吊的接地比压一般大于船舶甲板设计承载力，故考虑通过路基板等形式对履带吊进行荷载分摊。

履带吊在方驳上的布置图，如图1所示，考虑其通过路基板分摊荷载，路基板位于横舱壁以及船首横肋上，项目部考虑的极限工况为18m吊幅和50t吊重。

图1 履带吊在3000t方驳上的布置

2 履带吊上驳船施工基本条件

（1）生存工况波浪条件：H=2m，做加固分析时，周期取最危险工况下的周期和浪向角。

（2）作业工况波浪条件：H=1m，做加固分析时，周期取最危险工况下的周期和浪向角。

（3）履带吊为300t履带吊，站位规格参数13320×3000×3200mm。

（4）船舶基本参数如表1所示。

表1 船舶基本参数

3 调研

调研国内外已有项目案例，具体如图2所示。

图2 类似加固案例调研

除了结构安全外，履带吊在船舶上作业时，由于船舶存在一定的倾角，以及吊物在惯性力下的作用，一般需进行性能折减。从《300T履带起重机驳船作业作业安全研究与应用》论文中，可以得出履带吊吊重折减系数，在船舶摇摆幅度为1～3度时，吊重折减系数为0.9～0.8；在德马格CC1400 250T起重机的履带吊性能参数表中，指出在1°倾角下，履带吊负荷应折减15%；在2°倾角下，履带吊负荷应折减30%。在巴拿马项目经验中，履带吊在驳船上进行起重作业吊重折减系数为0.8。

4 工作下静水浮态分析

考虑在设计吃水下，通过Sesam/Gemie建模，建立模型图如图3所示。

图3 Sesam/Gemie创建模型图

根据Sesam/HydroD计算，18m吊幅和50t吊重下，引起纵倾角约0.49°，横倾角约0.93°。

5 波浪下的运动响应

计算方驳属于大尺度结构物，主要承受波浪的惯性力和绕射力，可采用绕射理论计算，应用三维势流理论和面元法求解方驳的运动响应及波浪载荷，计算可得船舶在波浪作用下的横摇、纵摇值，如图4、5所示。

图4 单位波高下的船舶横摇运动响应

图5 单位波高下的船舶纵摇运动响应

6 施工窗口期

根据马尔代夫项目实测数据，当横摇幅值大于0.6°或纵摇大于0.7°时，吊装作业完全无法进行；当横摇幅值小于0.5°且纵摇幅值小于0.55°时，起重船可以正常作业；其他情况视被吊物的重量及安装精度而定。考虑到吊装作业受工人操作风险承担能力影响比较大，同时样本点中，更多数据集中在0.45°纵摇范围内，故考虑0.45°作为设备选型的依据。

根据Matlab编制的波浪窗口期分析程序，考虑波浪后报数据中大波偏小，在大于1m波高范围内，后报数据统计的频率较实测有约5%的误差，计算窗口期结果中将扣除这5%的误差，以此作为合理的误差纠正。

分析可得各墩位月平均及年平均的施工波浪窗口期，计算结果未考虑因雷雨天气、节假日造成的窗口期折减，仅考虑由于波浪引起的窗口期要求。

7 履带吊在方驳上的荷载分摊

由于履带吊配重和扒杆长度不同，将导致履带吊不同的接地比压，在当前项目暂未租赁阶段，考虑最长扒杆长度和最大配重进行复核，即在90m扒杆下。

履带吊总重362.8t，考虑50t吊重，履带吊轮长10m、轮宽1.22m，则履带吊接地比压为：

远大于通常该规格方驳的50～80kPa。考虑采用2块12m长×4.58m宽的路基板分摊荷载，路基板自重共40t，则分摊后，荷载为

可以满足要求。同时，为了安全起见，履带吊位于船首横舱壁及加强肋骨上。

8 履带吊在方驳上的稳定性分析及加固设计

履带吊在方驳上，一方面，由于船舶在吊物吊重下会产生倾斜角；另一方面，由于纵横摇作用下会产生摇摆角，在两个角度叠加下，履带吊的回复力矩和抗滑力会变小。在船舶运动下，履带吊和重物会产生加速度，在惯性力作用下，履带吊也会存在更大的滑移力和倾覆力矩。

抗倾覆能力：在工作工况和生存工况中，由于生存工况不存在吊物引起的倾覆力矩，计算的极端工况属于工作工况下的最大极限吊装工况。

通过SESAM计算，可得出工作海况下重物的重力加速度为0.6m/s2，履带吊的重力加速度为0.525m/s2，在工作允许海况下，船舶横摇倾角0.45°，考虑存在起吊后无法安装的情况，考虑取安全值为1°，由于吊物自重导致的倾角为0.93°。

在船上吊装运动时，起倾覆力矩的重物会产生一定的加速度，起回复支撑作用的履带吊整体也会产生一定的加速度。最极限的工况是船上履带吊吊物时，起回复作用的履带吊，其存在向上的加速度，相当于存在向上的惯性力，从而折减了回复力和回复力矩；而吊物受到向下的加速度，相当于吊物自重增加，从而增加了倾覆力矩；与此同时，由于船舶倾角的影响，导致回复力臂发生了折减。

因项目尚处未开工阶段，履带吊选型未定，考虑履带吊配重在120t～160t，选取回复力矩更小的120t进行计算，考虑扒杆长度小于或等于72m。则根据履带吊性能参数表，其在平地上的最大回复力矩为：

考虑其自重约为325t，则履带吊的回复力臂约为3.6m。

在惯性加速度的影响下，同时，船舶共产生倾角1.93°，则可以考虑回复力臂存在一定折减，则履带吊回复力矩为：

而对于18m吊幅和50t重物而言，由于重物存在0.6m/s2的加速度，由于双摆共振下，吊物运动较为复杂，考虑1.2倍的安全系数，则重物产生的弯矩如下所示：

其中

存在倾覆风险，需额外补充165.8kN×m回复力矩。

考虑到履带吊下方已垫有路基板，当采用型钢将履带吊与路基板连成一体后，路基板相当于额外配重，起到了回复力矩的作用。由于路基板产生的回复力矩为：

采用工25型钢，对履带吊履带进行限位，当施加20t荷载时，考虑1.5倍的荷载组合，计算型钢应力162MPa。

考虑斜撑45°夹角，考虑焊脚高度5mm满焊，满焊下焊缝长度约为3m。

9 结语

本文以历史5年波浪后报数据为参照，计算了巴西萨尔瓦多跨海大桥300t履带吊在77m方驳上的施工窗口期、甲板荷载分摊和履带吊的加固方案。通过窗口期分析，以马代0.45°运动幅度下可施工为标准，该船在各墩位的年平均窗口期在80%以上；履带吊在方驳上的荷载分摊方面，拟采用2块12m长×4.58m宽的路基板分摊荷载；在船舶上加固方面，通过抗倾覆和抗滑移计算分析，通过左右两侧6根14t花篮螺栓设计，首尾两侧4根14t花篮螺栓设计，花篮螺栓水平夹角约40°，花篮螺栓长度不够时，与破断应力49t的钢丝绳连接，钢丝绳直径约30mm，同时，采用工25型钢在路基板上固定履带吊履带；履带吊上方驳后，履带吊性能参数按80%折减配型；通过以上配置与计算分析，满足安全使用要求。计算分析以履带吊配重120～160t为依据，扒杆长度不超过72m为依据，考虑极限工况为50t×18m进行分析；考虑极限生存工况的作业波高为2m，在2m波高及以上的海况来临之前，组合浮吊应前往锚区抛锚定位。