重型模块总装船台地基基础承载力研究

朱波波

(启东中远海运海洋工程有限公司,江苏 启东 226200)

0 引言

天然气处理模块通常采用模块化方法建造,数十个模块并行建造完工后通过重型运输船将其运送到气田集成。随着气田产能不断提高,模块重量越来越大,模块单体重量已超过万吨,最大柱脚载荷高达15 354 kN。为防止模块总装船台地基下沉,引起建造精度失控和模块倾覆风险,总装船台地基基础承载力研究成为建造可行性分析的首要问题。

本文以某天然气模块建造船台地基为研究对象,对模块总装柱脚力的分载方法进行研究,并对地基承载能力和沉降量进行分析计算和校核。

1 天然气处理模块简介

某天然气处理模块长55.0 m,宽39.5 m,高41.0 m,单体重量10 785 t;共4层甲板,层高12 m;甲板采用工字梁桁架结构,立柱采用联排管柱结构。模块下方设计12只柱脚,整个模块重量全部由柱脚支撑,见图1。模块总装完工后,使用轴线车(SPMT)将其滚装到重型运输船上并坐墩。运输船将模块运输到气田,使用SPMT滚卸到安装位置,并与其他16个模块集成。

2 柱脚分载方法研究

模块柱脚在纵轴A、B、C、D与横轴b、d、g交汇处,天然气处理模块总重量由这12只柱脚支撑。通过有限元计算软件(SACS)建立该模块模型并计算出柱脚载荷,见表1。从表中可知,最大柱脚载荷为15 354 kN、最小柱脚载荷为6 622 kN、平均柱脚载荷为9 226 kN。船台设计承载能力为100 kN/m2,按照此设计要求,单个柱脚需要分散在12 m见方的区域。柱脚之间需要预留轴线车的布置空间,需压缩柱脚分载区域。

A～D—纵向定位轴线;a～g—横向定位轴线。

表1 模块柱脚载荷 单位：kN

经研讨,设计大刚度分载梁跨2列摩擦桩,通过柱角垫块和分载梁将柱角点载荷分散传递到船台桩基上,解决柱脚载荷对船台桩基上方梁板结构的破坏[1-3],见图2。

a～g—横向定位轴线。

2.1 大刚度分载梁设计

大刚度分载梁采用箱型梁结构,梁高1.40 m,梁宽5.53 m,其宽度方向跨2列桩,长度方向覆盖4排桩。单个柱脚下方的分载梁至少覆盖8根船台桩,通过分载梁将柱脚载荷传递到船台桩位上。

分载梁截面几何参数如下：高度1 400 mm,截面宽度5 530 mm,腹板等效厚度115 mm,上翼缘厚度30 mm,下翼缘厚度30 mm,上翼自由长度485 mm,下翼自由长度485 mm。

2.2 大刚度分载梁强度校核

分载梁截面材料为Q345,其力学参数如下：

形心距分载梁截面左边325 cm,形心距分载梁截面下边70 cm,截面面积6 982 cm2;x向剪切面积3 609 cm2,y向剪切面积3 220 cm2;x轴截面惯性矩2.291 44×107cm4,y轴截面惯性矩3.632 74×108cm4,截面抗扭惯性矩5.720 66×107cm4,xy轴截面惯性矩0 cm4;x轴截面抵抗矩327 349 cm3,x轴最大截面抵抗矩327 349 cm3,y轴截面抵抗矩1.117 77×106cm3,y轴最大截面抵抗矩1.117 77×106cm3;x轴回转半径57.28 cm,y轴回转半径228.10 cm;u轴截面惯性矩2.291 44×107cm4,u轴回转半径57.28 cm;x轴截面面积矩185 199 cm3;y轴截面面积矩734 101 cm3;u轴与y轴夹角正切值为0。

抗弯强度σ按下面公式核算：

式中：Mmax为最大弯矩,Mmax=1.46×1010N·mm;r为截面塑形发展系数,r=1.05;W为净界面模量,W=3.27×108mm3。

经计算,σ=42.6 MPa。小于许用弯曲应力248 MPa,符合规范要求。

抗剪强度τ按下面公式核算：

式中：V为沿腹板平面作用剪力,V=5.6×106N;S为截面对中和轴的面积矩,S=1.85×108mm3;I为界面惯性矩,I=2.29×1011mm4;tw为腹板厚度,tw=90 mm。

经计算,τ=50.2 MPa,小于许用抗剪应力142.0 MPa,符合规范要求。

分载梁局部强度和变形量使用有限元计算软件(ANSYS)计算,最大组合应力为241 MPa,最大变形量为4.6 mm,均满足要求[4],见图3、图4。

图3 分载梁应力云图(单位：MPa)

图4 分载梁变形云图(单位：mm)

3 桩基承载力和沉降量分析

采用有限元软件(PKPM)模拟大刚度分载梁和船台桩基,计算得出船台桩基反力和位移,见表2。

表2 船台桩反力和位移

3.1 船台桩反力计算

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)规定：平均桩反力Nk≤设计桩反力R, 最大桩反力Nk,max≤1.2R[5]。有限元计算结果显示：R=3 000 kN,Nk=1 875 kN,Nk,max=2 880 kN。因此Nk

3.2 船台桩位移计算

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)要求,建筑基础平均沉降量允许值为200 mm,相邻柱基的沉差允许值为0.002L(L为相邻柱基的中心距离)。计算结果显示：船台桩最大沉降梁为14.4 mm,相邻桩下沉差2.9 mm。船台桩位移满足规范要求。

4 结论

(1)大刚度分载梁可将模块柱角集中载荷有效分散到船台桩位上,规避对船台面板的破坏,实现了重型模块在普通水平船台上建造,为类似重型模块建造提供有益借鉴。

(2)通过大刚度分载梁分散集中载荷,桩基支反力和下沉量可以控制在设计范围内,模块建造精度可控。

(3)在模块建造过程中持续监控柱角位置下沉量,若柱角下沉不均匀且超过模块建造精度要求,需调整模块设备安装顺序,均衡模块上部载荷。