港珠澳大桥大节段钢箱梁海上运输关键技术研究

贺拴海(1962-),男,陕西洛川人,博士,长安大学教授,博士生导师.

港珠澳大桥大节段钢箱梁海上运输关键技术研究

刘鹏1,贺拴海1,赵英策2

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安710064; 2.中交公路规划设计院有限公司,北京100088)

摘要:针对青州航道桥边跨和连接线深水区非通航孔桥,采用了大节段整体吊装架设方法,驳船海上运输梁段数量多、超长、超重,且途经航区海况复杂,钢箱梁及附属支撑、限位结构局部受力现象突出。文章采用中国船级社(CSS)规则对复杂海况下钢箱梁船运三向受力进行了分析,考虑施工可行性进而确定支撑、限位装置的排布和构造,对工字梁船运支撑结构进行了优化设计;分析了大节段船运过程中支撑、限位装置和钢箱梁船船运期间的局部受力和稳定性,确保钢箱梁和支撑、限位构造受力处于可控状态。计算结果表明,在不采取钢箱梁内部加劲的前提下,通过合理布置、设计局部支撑限位构造,钢箱梁和支撑结构在复杂海况环境下驳船运输期间的强度、变形和局部稳定性满足要求。研究结果可为今后大节段钢箱梁海上运输提供有益参考。

关键词:大节段;钢箱梁;海上运输;关键技术

收稿日期：2014-03-11；修回日期：2014-07-15

基金项目：交通运输部西部交通建设科技资助项目(2011318812970);中央高校基本科研业务专项资金资助项目(CHD2012JC001)

作者简介：刘鹏(1988-),男,山东潍坊人,长安大学博士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.018

中图分类号:TU391文献标识码：A

Researchonkeytechnologyofmaritimetransportoflargesegments

ofsteelboxgirderinHongKong-Zhuhai-MacaoBridge

LIUPeng1，HE Shuan-hai1，ZHAO Ying-ce2

(1.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 2.CCCCHighwayPlanningandDesignInstituteCo.，Ltd.,Beijing100088,China)

Abstract:The overall lifting erection method is used in the construction of the side span of Qingzhou channel bridge and the non-navigation bridge in deep water district and a large number of segments of steel box girder are needed to transport by barge to construction site which are super long and overweighted, and the navigation area has complex conditions, and all these lead to the local stress of steel box girder and limit structures in an unfavorable state. In order to analyze the force state of box girder under the complex sea conditions, China Classification Society(CSS) rules are used to calculate the three-direction force state and the arrangement of support and limit devices is determined considering the construction feasibility. Further, the optimized design of the vertical support structure is carried out and the intensity and stability of support and limit devices are also calculated to ensure the force controllable. The results show that without taking internal stiffening of steel box girder, through the rational layout of support and limit structures, the intensity and stability of the steel box girders and support structures meet requirements during the maritime transport under complex sea conditions, which provides a useful reference for the maritime transport of large steel box girder segment in the future.

Keywords:largesegment;steelboxgirder;maritimetransport;keytechnology

港珠澳大桥东接香港特别行政区,西接广东省珠海市和澳门特别行政区,是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。青州航道桥为港珠澳大桥主体工程的3个通航孔桥之一。青州航道桥及附近深水区通航孔桥位于伶仃洋海域繁忙的海运航道之上,毗邻珠江入海口,常年大风天气较多,受台风影响严重,传统施工方法难以满足施工工期要求。大节段吊装架设方法能够大幅缩短工期,减小恶劣施工环境的影响[1-5],因此该方法在港珠澳大桥建设中被广泛应用。

青州航道桥及附近深水区通航孔桥共有70个梁段，均采用大节段吊装方法进行架设,其中青州航道桥边跨大节段长134.5m,梁宽41.8m,梁质量约为3 656t,质量为各梁段之首,其制造、运输和吊装规模在国内罕见。由于青州边跨大节段超长、超重，且沿途运输航道海况复杂,船运期间大节段钢箱梁及附属支撑、限位结构局部受力现象突出,因此保证钢箱梁大节段海上运输的安全性是青州航道桥大节段吊装施工中的关键环节。

本文以青州航道桥边跨大节段钢箱梁海上驳船运输为例,对钢箱梁船运支撑位置、局部承载能力和稳定性进行了研究,考虑施工可行性进而确定支撑、限位装置的排布和构造,分析了横向加劲肋数量、厚度,腹板厚度及顶板厚度等结构参数对工字梁式船上支撑强度、变形和局部稳定性的影响,确保钢箱梁和支撑、限位构造受力处于可控状态,研究结果为今后大节段钢箱梁海上运输提供有益参考。

1工程概述

1.1　总体概况

港珠澳大桥桥梁主体工程青州航道桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥,如图1所示,全桥采用半漂浮体系。桥跨布置为110+236+458+236+110=1 150m。仅在中跨和次边跨布设斜拉索,标准索距为15m。主梁采用流线型扁平钢箱梁,其标准断面如图2所示。主梁采用带风嘴的扁平流线型截面,主体结构除边跨跨中处梁段采用Q420qD外,其余均为Q345qD。钢箱梁梁顶宽为33.8m(不计风嘴),底板宽为21.2m,梁高为4.5m，风嘴长度为2.6m。箱梁截面内设置2道实腹式中腹板，其间距为10m。

图1　青州航道桥总体布置示意图

图2　青州航道桥钢箱梁标准断面

1.2　施工方案

根据构造,青州航道桥全桥钢箱梁划分A～S共18种类型、85个梁段,索区梁段采用悬臂拼装法安装,索塔塔区节段和边跨区梁段安装采用大节段整体吊装法架设,青州航道桥大节段梁段划分示意图如图3a所示。

大节段整体吊装法安装钢箱梁需要经历小节段制造、大节段拼装、装船运输、吊装架设和梁段安装5个阶段。大节段钢箱梁装船运输为重要工序,由于梁段超长、超重,考虑到航行区域风、浪、流等特点,船运时应合理布置支撑、限位设施以保证钢箱梁及临时结构的受力安全，并严格限制大节段在运输过程中纵横向滑移。此外,在装船、运输、吊卸过程中，梁体与支撑托架的接触处采取垫置方木和橡胶板等进行梁体结构和涂层防护。大节段钢箱梁船运工序如图3b所示。

图3　青州航道边跨大节段示意图及运输工况

2海上运输工况分析

2.1　航行线路

青州航道桥大节段运输船自中山拼装基地码头出发,经横门东水道至淇澳岛东侧,由横门东水道转向东南,沿广州港出港航道外缘航行至港珠澳大桥青州航道桥施工桥址。沿途运输航路位于珠江口海域,潮汐、余流和波浪特征较为复杂,常年大风天气较多,受台风影响非常严重。

2.2　装船运输工况

日本东京湾横断道路桥最大节段总质量约为5 300t,长为238m,从预拼场到施工现场的大节段海上运输使用了日本国内最大级别的35 000～70 000t的平底船[6]。

青州航道桥边跨大节段钢箱梁质量3 656t,借鉴国内外大节段钢箱梁船运经验,边跨大节段运输采用18 000t驳船装运,船体及甲板上临时结构根据运输大节段实际情况进行加固和改造,载运船舶计算参数如下:总长为120.5m,型宽为43.4m,型深为7.5m,满载吃水为5.2m,载质量为18 000t,甲板载货面积为120.5m×43.4m。

大节段运输时长度方向沿驳船甲板首尾中心线方向放置。钢箱梁节段采用单层、12点支撑方案,所有支撑点均为设计规定部位,以避免钢箱梁在船运过程中因局部刚度不够而发生变形破坏。运输船队采用4 000马力(1马力=735.499W)拖轮吊拖运输驳船、2条1 200马力锚艇在驳船右舷协助的编队方式,连续往返运输。运输队形总宽度约为60m,拖轮最大吃水4m,船队总长度为220～250m。

2.3　船运受力分析

船舶加速度是检验大节段驳船运输绑扎系固有效性的重要依据,是船运受力计算的基础。当驳船遭遇劣海况时，会在6个自由度上发生不规则运动,引起载于船上大节段钢箱梁的纵向、横向和垂向3个方向的加速度。若钢箱梁及临时支撑强度与稳定性不足,这些不同方向惯性力和环境荷载将引起钢箱梁过大位移、倾覆或损伤。

钢箱梁大节段船运期间横向受到船舶运动引起的惯性力、风荷载和浪溅力的作用。大节段钢箱梁船运期间受力计算可采用国际海事组织(IMO)规则、中国船级社(CCS)规则、挪威船级社(DNV)规则和传统方法等4种计算方法[7],对于青州航道桥大节段载运驳船长度小于200m,采用IMO规则和CCS规则计算其结果较为接近。根据航线、结合海域环境参数,本文采用CSS规则计算大节段钢箱梁纵向、横向和垂向受力,其中钢箱梁纵向、横向受力考虑驳船运输加速度升沉、纵摇、横荡、横摇、艏摇、风荷载和浪溅力作用,垂向加速度考虑船舶上下颠簸引起的大节段钢箱梁升沉加速度,同时考虑浪溅力、风荷载作用,计算得到大节段船运3项受力如下。

青州航道边跨垂向作用力为:

Fz(-)=m(g-3.75e-0.003 3L)=26 653.7 kN;

Fz(+)=m(g+3.75e-0.003 4L)=45 077.1 kN。

青州航道边跨大节段横向作用力为:

Fy=may+Fq+Fw=10 146.8 kN。

青州航道边跨大节段纵向作用力为:

Fx=max+Fq+Fw=5 428.5 kN。

其中,m为一节段钢箱梁质量;ay、ax分别为横向、纵向加速度;Fq为风作用力;Fw为海水飞溅冲击力。

3支撑及限位构造

由于青州航道桥边跨大节段超长、超重,船运海况复杂,运输中应重视大节段和大临设施船运过程中局部受力和稳定性问题。对钢箱梁船运的控制工况和关键受力构件进行分析，以保证整个钢箱梁运输流程的安全。大节段钢箱船运过程中支撑结构需能够抵抗运输过程中风、浪、流联合作用的影响，且具有足够的承载力和稳定性。由于大节段钢箱梁船运工程量大、工期紧的特点,支撑结构应满足设计简单和具备较高承载能力,设计时对临时支撑进行优化,最终考虑施工可行性，进而确定支撑、限位装置的排布和构造。

为保证船运期间的钢箱梁受力安全兼顾甲板承载能力,充分分散悬出段处的支反力，并充分利用钢箱梁自身承载能力，不采取额外加劲的前提下合理排布支撑位置,采用12道支撑托架支承钢箱梁受力,其纵向、横向限位装置分别采用2组阻挡牛腿、8个斜撑,支顶在钢箱梁横隔板相应的位置，如图4所示。

图4　边跨大节段海上运输支撑布置

为评估支撑位反力对限位结构和钢箱梁局部受力的影响，建立杆系模型和板壳精细分析模型。

(1) 对134.45m大节段进行杆系有限元分析可知在最大不利状态下悬臂端位移为83mm,此处反力达到16 173kN,这是由于悬出段导致支反力不易分散造成的,此处支撑受力最为不利。

(2) 空间板壳有限元模型采用ABAQUSCAE6.13计算,板单元采用S8R八节点减缩积分板壳单元,网格划分采用四边形网格。

3.1　支撑结构

施工中竖向支撑采用带横向加劲肋板工字梁作为其支撑结构。工字梁支撑板件众多,设计时应进行优化,以期得到合理的板件厚度和相互位置关系。为研究不同支撑细部构造对最不利工况下支撑局部受力的影响,对顶板厚度为20～28mm,横向加劲肋数目为23～31道、厚度为10～18mm,腹板厚度为16～24mm时最不利工况下支撑结构局部应力进行计算,由计算结果可知,上述4种因素对局部应力的影响程度为:顶板厚度>横向加劲肋数目>横向加劲肋厚度>腹板厚度。以此为基础并考虑施工可行性,确定支撑结构细部构造为:顶板厚度18mm,加劲肋数目25道、厚度10mm,腹板厚度16mm。此时支撑结构局部Mises应力为230MPa,满足设计容许应力要求。

由于工字梁结构稳定性较差,为保证竖向支撑能够在运输过程中钢箱梁自重和环境荷载联合作用下具有足够的稳定性,对支撑结构最不利受力工况进行板壳单元稳定分析,其失稳模态如图5所示，为支撑结构跨中区格内的横向加劲肋发生失稳破坏,支撑结构稳定安全系数为6.58,满足规范要求,确保其船运工况下的稳定性。

图5　临时支撑板壳单元稳定性分析

由于在船运过程中,梁段超重导致支撑结构受力巨大,应防止产生下列受力不均匀现象。

(1) 工字梁顶板对传递支撑反力起关键作用,在钢箱梁与支撑结构之间垫入较厚的木块,将支撑顶板和木块以顶紧方式连接,防止顶板局部受力不均匀。

(2) 支撑结构在传力焊缝区域均出现应力集中,但应力集中区域范围较小且横向支撑为全焊结构,多条焊缝为受力焊缝,应严格保证焊接质量。

3.2　横向限位

钢箱梁大节段船运期间,横向受到船舶运动引起的惯性力、风荷载和浪溅力的作用,为保证钢箱梁船运横向受力的安全,在驳船甲板设置横向限位斜撑来抵抗船运过程中的横向外力,斜撑采用Q235钢材。经计算斜撑需承受的最大质量为80t。为考察其在最不利工况下的局部受力和稳定性,对横向限位斜撑进行板壳单元受力计算,计算结果如图6a所示,斜撑在最不利受力状态下的局部Mises应力最大为178MPa,满足容许应力要求。

由于斜撑结构面外刚度较为薄弱,对斜撑结构最不利受力工况进行了稳定分析,其失稳模态如图6b所示,支撑结构稳定安全系数为6.58,满足规范要求,确保其船运工况下稳定性。

图6　最不利工况下斜撑的局部 Mises应力及失稳模态

3.3　纵向限位

大节段船运期间须在纵向设置限位装置以抵挡船舶运动引起的惯性力、风荷载和浪溅力的作用,以保证钢箱梁船运纵向受力的安全,纵向限位构造如图7所示,采用牛腿结构形式和Q235钢材。挡块包括2种牛腿结构：牛腿1与钢箱梁中腹板和横隔板相连接;牛腿2与牛腿1相对应,形成咬合状。单个牛腿需承受的荷载为1 715kN,运输过程中同方向共设置2组阻挡牛腿。

为考察牛腿结构的局部受力，建立板壳模型并分析其在最不利受力状态下的局部应力,计算结果如图8所示,纵向牛腿1、2在最不利受力状态下，其局部Mises应力最大为186、189MPa,满足规范要求。

图7　纵向限位装置

图8　纵向牛腿在最不利工况下的局部应力

4钢箱梁局部受力分析

为确保钢箱梁在复杂海况运输过程中的局部受力和稳定性,对大节段钢箱梁船上支撑及纵、横向限位位置处钢箱梁受力进行了分析计算。

4.1　局部受力分析

对大节段钢箱梁进行局部分析时采用ABAQUS子模型法,从大节段钢箱梁模型上截取小节段,小节段模型边界采用大节段模型切割线。通过设置驱动变量程序，利用大节段整体模型在小节段模型边界处的位移结果作为边界条件引入[8],计算模型如图9所示。采用子模型法能充分考虑子模型边界,节点数量合理,节省计算开销,能更好地模拟结构的真实受力状况。

图9　青州航道边跨节段有限元模型

竖向临时支撑处(悬臂端)反力为16 173kN,但由于该处为成桥支座处,钢箱梁内部设有加劲板，其承载能力满足受力要求。而S22节段临时支撑处的受力为3 206kN,钢箱梁内部未采取内部加劲,此处为其最不利受力位置。同时对大节段竖向、横向和纵向受力进行局部板壳单元分析。局部板壳单元计算结果如图10所示。

图10　局部板壳在最不利受力状态下的局部应力

由图10可看出,竖向、横向和纵向在最不利工况下局部应力分别为161、231、229MPa,满足容许应力要求。

4.2　整体稳定分析

为保证大节段钢箱梁能够抵抗运输过程中环境荷载联合作用影响下具有足够的稳定性,对大节段钢箱梁船上支撑及横、纵向限位位置处钢箱梁受力进行局部稳定分析计算。大节段钢箱梁最不利受力状态下的失稳模态见表1所列,由表1可知，竖向、横向和纵向最不利工况下稳定安全系数分别为7.00、5.74和7.60,满足规范要求,确保其船运工况下的稳定性。

表1　大节段钢箱梁失稳模态

5结束语

针对驳船海上运输梁段数量多、超长、超重,且途经航区海况复杂,钢箱梁及附属支撑、限位结构局部受力现象突出,本文采用CSS规则对钢箱梁船运受力进行了分析,对钢箱梁船运支撑位置、局部承载能力和稳定性进行了研究,考虑施工可行性进而确定支撑、限位装置的排布和构造,分析了其顶板厚度、横向加劲肋数量与厚度、腹板厚度对工字梁式船上支撑强度、变形和局部稳定性等主要结构参数的影响,确保钢箱梁和支撑、限位构造受力处于可控状态。计算结果表明:在不采取钢箱梁内部加劲的前提下,通过合理布置、设计局部支撑限位构造,钢箱梁和支撑结构在复杂海况环境下，驳船运输期间的强度、变形和局部稳定性满足要求,研究结果可为大节段钢箱梁海上运输提供参考。

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(责任编辑闫杏丽)