关于大型海工构件的海上浮运受力计算

王海峰

【摘要】海工建设过程中往往需要进行大型构件海上浮运，例如沉箱浮运、沉管浮运等，本文就以正在建设中的港珠澳大桥为载体，对大型海工构件海上浮运进行受力计算。

【关键词】沉管管节；力学计算；港珠澳大桥

1 、管节几何尺寸

以《港珠澳大桥主体工程初步设计投标文件》、《港珠澳大桥总体方案深化研究阶段深化设计研究报告》和《港珠澳大桥技术建议书》等文件为基本依据，进行了浮运和沉放施工方案的初步设定，并在此基础上进行后续研究。

管节截面尺寸如图1，标准管节长初定为180m ，L×W×H=180×39.5×9.85m。

图1 沉管节横截面图（单位：cm）

2、管节自重（标准段）

管节的自重必须按实际统计，预制时总用混凝土方量及其容重，总钢筋用量、钢材、预埋件、测量塔架、人孔护筒、舾装件及管口临时安装设备等都应专门记录统计，以便最后计算和核实管节的实际总重，而浮力计算，确定干舷值高度，抗浮系数，决定压载水量及水箱大小的依据。

对本隧道沉管节初步设计给出的尺寸（标准段）L×W×H =180×39.5×9.85m者，管顶防锚层设定为0.15m，管体混凝土容重 =2.25t/m3，防锚层混凝土容重 =2.0t/m3 ，钢筋重以相关设计资料提供的含筋量进行计算。

2.1钢筋混凝土重G1

设管体混凝土实体截面积为F1，管节端部实体截面积为F2，防锚层截面积为F3，则根据报告文献可知：

F1=155.72m2

F2=（39.5+8.85）×2×0.5-（0.5×0.5+0.8×0.8）=47.46m2

F3=38.5×0.15=5.78m2

根据报告文献给出参数，计算得本体混凝土重G01、防锚层混凝土重G02、钢筋重G03和底模防水钢板重G04分别如下：

G01=62823t

G02=2070t

钢筋含量为每m3混凝土含钢筋165kg。

G03=0.165×G01/γ1=0.165×62823/2.25=4607t

则钢筋混凝土（含防锚层）总重为G1

G1=G01+G02+G03 =69500t

2.2舾装件重G2

估计：两钢端封门G2m=200t 测量控制塔加人孔护筒G2t=100t

缆桩、吊点、拉合座、滑软座等G2d=100t

合计 G2=G2m+G2t+G2d=400t

2.3压载水箱重（连水管等）G3

G3=220t

3、拖航重量Gy

3.1采用四方驳扛吊法或浮吊法或非骑吊法沉放

Gy1=G1+G2+G3=70120t

3.2采用双浮驳骑吊法沉放

骑吊法双浮驳重G4：G4=230×2=460t 。

Gy2=G1+G2+G3+G4=70580t

4、管节自浮力及干舷值

4.1自浮力Gf

总自浮力 （2-1）

式中：Vf——总浮体积，含本体、两端、防锚层及GINA橡胶带；

γ=1.02，实际施工时应取海水上中下层实测值之平均值；

Vf=39.5×9.85×179+（39.5+8.85）×2×2×0.5×0.5+39.5×0.15×179+（39+9.3） ×20.2×0.18-0.8×0.8×180=70640m3；

=70640×1.02=72050t

4.2干舷值H0

（1） 对于四方驳扛吊、浮吊等沉放方法，其浮运重量Gy1=70120t时

=（72050-70120）/（180×39.5）=0.271m

（2） 对于双浮驳骑吊法沉放者，浮运重量Gy1=70580t

=0.207m

一般拖航时要求干舷H0=0.15～0.25m，对照上述计算，可以在管内预加一层镇重混凝土（按γ=2.0t/m3计）。对（1）种沉放法者，预加0.11m厚镇重混凝土层、其重G0z=176×11.3×0.11×2.0=880t

则H01=（Gf-Gy1-G0z）/ 180×39.5=0.15，可以。

对于（2）种沉放法可以按需要预加镇重砼层的量，仍然保持约H02=0.15m干舷浮运。

本章管节的自重和干舷计算是根据初步的设计资料计算出的结果，实际重量及干舷值应在预制完成时由混凝土用量、容量，钢筋等所有材料的用量，舾装件重量等总量值，由实际总重计算出干舷值，如实际计出干舷值在推荐范围（即15～25cm）时，甚至低至13cm也可不用助浮浮筒，若太低，即视干舷需提高多少而决定助浮力和助浮浮筒的尺寸。由此，压载水箱及水量也随之改变，应按实际复核增减变更。

5、压载水及水箱

沉管内采用压载水来进行施工阶段抗浮系数的调整，所以会布放水箱，水箱一般两排对称布置。水箱的置放原测：（a）应有利于管节在拖航及吊放安装时的平衡。（b）为减少吊装时管节的附加弯矩，水箱应尽量均布于4个吊位置下。（c）水箱的自由水面的晃荡效应会对管节的横、纵向人倾斜产生影响，水箱的布置位置应使这种影响作用尽量缩小。（d）水箱的位置应不防碍管节内的测量标法，不影响拖航或沉放安装作业时的监测、测量工作。（e）水箱的数量及大小，由总需最大压载水重（抗浮系数≥1.05时）而定，同时在管节数量较多者，水箱要重复使用，所以水箱应易于安装连接，方便折卸，人员方便上下水箱作业，可方便管内进出运输。（f）有时管节两边或中间通风道也可和用作为压水舱，但应将水舱分若干间格。

当然，如果为达到沉放安装完成时要求抗浮系数1.05者，若单纯用水压载致水量过大而使水箱数量及体积过大，有时可考虑预先加一层镇重砼或砼块代替。而且若采用砼块，一般是做成方便搬移的方块或碎石，以便堆砌及在浇筑压重层及路面时在水箱卸载和移位时临时代替与平衡水箱压载。

针对初步设计的管节尺度，压载水箱按抗浮系数f=1.05时，尺寸如下：

（2-2）

式中，Gw——水箱贮水量，G——管体总重，Gf——总浮力。

G=Gy1+G0z=70120+880=71000t，

则 =1.05×72050-（70120+880）=4653t。

水箱总容积： =4653/1.02=4562m3。

如分成2排，每排22个，总计44个，每个容积 =104m3。

设单个水箱尺寸为： =6×6×2.9=104m3，Hw=2.9m为水箱最大水深。考虑斜坡3%，水箱应留干舷約0.4m，则单箱尺寸为： =6×6×3.3m。沉放时抗浮系数f=1.02时，水箱装水重为 =2496t，即 。

此时水箱水深： =1.55m。

6、小结

本章首先对港珠澳大桥沉管隧道管节的浮运环境进行了调研，内容包括地理位置、气象环境和水文环境等，并结合工程经验总结出影响浮运拖航施工的环境条件。

其次在《港珠澳大桥主体工程初步设计投标文件》、《港珠澳大桥总体方案深化研究阶段深化设计研究报告》和《港珠澳大桥技术建议书》等前期设计资料基本确定了管节尺寸、重量等参数，并结合以往的工程经验初步设定了可能的拖航浮运方案，在设定的方案基础上进行了管节拖航重量、自浮力、干舷值以及压载水和水舱等参数的计算，为后续的分析奠定了基础。

参考文献

[1] 中交公路规划设计院有限公司，港珠澳大桥技术建议书[R]，2009。

[2] 中交公路规划设计院有限公司，《港珠澳大桥主体工程初步设计投标文件》[R]，2009。

[3] 中国科学院南海海洋研究所，华南理工大学，港珠澳大桥桥位现场波浪观测专题研究年度报告（2007年4月1日-2008年3月31日）[R]，2008