临港海洋重工建造基地组块滑道结构计算方法

李　梅，高万国

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222）

临港海洋重工建造基地组块滑道结构计算方法

李梅，高万国

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222）

临港海洋重工建造基地大多采用滑道作为海工产品的出运平台。海工产品的自重和滑道结构断面均较大，在滑道结构计算中存在水平摩擦力的处理和计算模型的选取两个难题。通过对组块出运过程的受力分析及采用相应结构缝的处理措施，排除了摩擦力对结构的不利影响；通过对比分析刚性桩台和柔性桩台的计算思路和结果，给出了合理的结构计算方法，可为类似工程提供参考。

海洋重工基地；海工产品；组块滑道；水平摩擦力；计算模型

随着深海油气资源开发和开采业务的蓬勃发展，需要建设越来越多的海工产品出运滑道作为组块或其他重件的运输平台。由于海工产品的自重很大，出运时会对滑道结构产生很大的荷载，因此，分析滑道结构的真实受力状况和受力特征，保证滑道结构的安全和正常使用，是保证海工产品安全出运的必要条件。

1　工程概述

本项目位于天津临港工业区内港池西侧，岸线总长400 m。分别建造3 000 t和6 000 t组块出运滑道各2条。其中3 000 t滑道长264 m，6 000 t滑道长260 m。滑道两侧场地可以满足组块预制组装的要求，码头前方水域也可满足组块装船时驳船的停泊要求。现以6 000 t组块出运为例进行分析。

6 000 t组块出运时滑道荷载：组块压力为728.8 kN/m（包括组块重力和滑靴重力）；摩擦力：偏于保守考虑采用静摩擦系数0.2，因此摩擦力为145.76 kN/m，立面见图1。

滑道共分5部分，从海侧到陆侧分别为出运墩台段、水域段、过渡段水域部分、过渡段陆域部分及陆域段。滑道梁高1.8m，为现浇钢筋混凝土梁，滑道梁下不做桩帽，直接浇筑在桩基上，滑道梁在陆域段及过渡段陆域部分宽8 m。为了适应轴线车出运小型组块的需要，在2条滑道的过渡段水域部分及水域段向内扩宽至12 m。除出运墩台外，滑道梁下桩基均为直桩。

图1　 6000 t滑道立面图Fig.1 Ver ticalview of 6 000 t slipw ay

2　设计中存在的难题

由于组块自重大，出运过程必然会对滑道产生很大的摩擦力，而桩基本身承受水平力的能力很差，特别是水域段桩基，均为直桩且自由长度较长，抗水平力能力更差。曾考虑布置斜桩的办法，但斜桩与出运墩台的斜桩及过渡段的灌注桩有发生碰桩现象；也曾考虑采用灌注桩，但水上进行灌注桩施工困难，费用高。因此需要解决如何处理水平力的问题。

滑道梁高1.8m，可将滑道梁视为刚体，按高桩墩台结构进行计算[1-3]。但由于滑道平面尺度很大，同时组块压力很大，横向局部应力集中现象严重，把滑道梁看成是完全刚性体又不是很准确，因此需要对计算模型进行探讨。

3　关于水平力的处理

处理水平力问题，首先需明确在组块出运及回拖等各个过程中，组块、滑道、驳船的水平向受力情况[4]。

3.1组块出运过程

1）建造完成的组块通过滑靴坐落在滑道上。

2）利用滑道前沿的地锚和陆上的前拖绞车系统将组块拉至滑道前沿。

3）待驳船就位后通过驳船上的卷扬系统将组块牵引至驳船上。

4）在组块上驳船过程中出现某些状况，需用陆上后拖绞车系统将组块拉回滑道。

3.2出运过程组块、滑道和驳船水平向受力分析

1）用滑道前沿的地锚和前拖绞车将组块拉至滑道前沿，受力情况见图2。

图2　受力图1Fig.2 Force diagram 1

组块在滑道上匀速滑动时，F摩擦=F拉；滑道在水平方向受力F=F摩擦-F拉=0。

2）通过驳船上的卷扬系统将组块牵引至驳船上，受力情况见图3。

组块在滑道和驳船上匀速滑动时，F拉=F摩擦滑道+ F摩擦船；驳船静止时，F拉=F顶推+F摩擦船，所以F摩擦滑道=F顶推，滑道在水平方向受力F=F摩擦滑道-F顶推=0。

3）陆上后拖绞车系统将组块拉回滑道，受力情况见图4。

组块在滑道和驳船上匀速滑动时，F拉=F摩擦滑道+ F摩擦船；驳船静止时，F顶推=F摩擦船，所以F拉= F摩擦滑道+F顶推，滑道在水平向受力F=F拉-F摩擦滑道-F顶推=0。

图3　受力图2Fig.3 Force diagram 2

图4　受力图3Fig.4 Force diagram 3

从上述受力分析可以看出，无论是在滑块的出运过程还是回拖过程中，滑道所受的水平力值都是相互抵消的，仅存在摩擦力对滑道中性轴的弯矩。这样就排除了巨大摩擦力对结构设计的干扰。

4　计算模型探讨

由于滑道梁高1.8m，以往设计中均将其视为刚体，按高桩墩台结构进行计算。但由于滑道的平面尺度很大，水域段梁的宽高比达6.7，同时组块压力很大，横向容易产生局部应力集中现象，滑道结构又不能完全看成是墩台结构，因此考虑将滑道梁看成薄板结构，按照柔性桩台结构进行计算，且和高桩墩台结构计算结果进行对比分析。对于高桩墩台计算在此不再赘述，下面仅介绍柔性桩台的计算。

采用弹性嵌固法进行计算：滑道梁用板单元进行模拟，桩基用梁单元进行模拟，桩的长度取嵌固点以上至板中心的长度；桩底除竖向外其他方向自由度均为0，竖向用弹簧单元来模拟弹性支撑，模型见图5。

图5　计算模型Fig.5 Com putingm odel

为了适应不同尺度组块的出运要求，滑道上钢板宽6 m，宽度方向上滑靴放置范围为滑道中心线两侧2.5m，因此进行了2种工况的计算：

工况1：自重+组块压力+摩擦力对板中心的弯矩。

工况2：自重+组块偏压（偏移中心2.5 m）+偏移摩擦力对板中心的弯矩（偏移中心2.5m）。

以1 m步长移动控制荷载，搜索滑道结构各构件在整个滑移过程中的最大内力。

通过增大板单元弹性模量至3.15×1015，来增大板单元刚度，使其接近于刚性体，再进行计算。然后将上述2种情况的计算结果与高桩墩台结构的计算结果进行对比，典型区段计算结果统计见表1。

表1　φ1 000钻孔灌注桩过渡段计算结果统计表Tab le1 Summary of calculated resultsofφ1 000 cast-in-p lace piles in transition section

从表1可以看出按刚性墩台结构进行计算的桩基轴力值和桩顶弯矩值都比按柔性桩台结构进行计算的值偏小，当滑靴偏离滑道梁中心线时两者的差别更大；但当板单元的刚度增到很大的数量级时，板单元接近于刚性体，按柔性墩台结构计算的结果都非常接近于刚性墩台的计算结果。

这主要是由于滑道梁本身的刚度不能达到刚性体的程度，在荷载很大的情况下，滑道梁不能将荷载均匀地分配到桩上，引起局部桩基受力过大。因此，按高桩墩台模型进行计算不能完全反映滑道结构实际受力情况且是偏于不安全的；采用柔性桩台模型进行滑道结构计算是比较合理的，它可以充分反映出滑道梁和桩基之间的相对刚度对内力的影响。

5　结构缝处理

为防止滑道产生过大的不均匀沉降影响组块的出运，设计中滑道结构缝间采用榫槽进行连接，榫槽内填充沥青木丝板。同时，为了保证滑道各结构段间形成一个整体，避免组块出运过程中滑道结构变位的累加效应对桩基产生不利影响。设计中采取了以下措施：将20 mm厚6 m宽的滑道钢板与滑道梁内预埋的7条工字钢进行焊接，滑道钢板从陆域段一直铺设到出运墩台段，跨过每个结构缝，使滑道结构段间永远处于护顶状态，形成一个良好的整体，避免了变位对桩基的不利影响。

6　结论与建议

随着我国海洋石油产业的蓬勃发展，采油平台组块结构越来越向大型化发展。滑道结构的计算模式不能照搬以往小型滑道的计算模式，本文提供的计算思路为类似工程提供了可以借鉴的工程经验：

1）滑道结构是一种介于墩台和板之间的结构。在荷载非常大，滑道平面尺度也较大的情况下，按照高桩墩台结构进行计算是不够安全的。因此，在计算中应充分考虑滑道梁和桩基之间的相对刚度及荷载情况，使荷载与结构相互匹配，以保证滑道计算模式的合理性。

2）设计中认真分析了组块拖运的操作工艺，发现无论是在组块的出运过程还是回拖过程中，滑道水平方向的合力都为0，构成一个平衡的受力系统，排除巨大摩擦力对结构设计的干扰，明确了结构的受力情况。

3）为了维持这种水平受力平衡状态，设计中采取了一定的构造措施，以保证滑道结构的整体性；同时在组块出运过程中，不宜有突启或突止的情况发生，应确保组块操作的各个过程缓慢、平稳、安全。

4）滑靴偏离滑道梁中心线时为滑道设计的最不利工况，计算中应充分考虑这一工况，严禁滑靴偏离中心线超过设计限值。

[1]JTS 167-1—2010，高桩码头设计与施工规范[S]. JTS 167-1—2010,Design and construction code for open type wharfon piles[S].

[2]JTS 167-4—2012，港口工程桩基规范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].

[3]JTS 151—2011，水运工程混凝土结构设计规范[S]. JTS 151—2011,Design code for concrete structures of port and waterway engineering[S].

[4]雷鹏，谢长文.海工产品拖拉滑移装置设计[J].中国港湾建设，2015，35（1）：43-46. LEIPeng,XIEChang-wen.Design of dragging and slipping device for marine products[J].China Harbour Engineering,2015,35(1): 43-46.

M ethod for structural calculations of block slipways for heavy industry base in harbor areas

LIMei,GAOWan-guo
（CCCCFirstHarbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Slipways are often taken as shipment base formarine products from heavy industry base in harbor areas.As the huge deadweightofmarine productsand the large crosssection ofa slipway,there are two problems in calculating the structure of slipway.The first is how to handle the horizontal friction and the second one is how to set up a proper computingmodel.By force analysis of shipment process and taking constructionalmeasures,adverse effectof friction force has been eliminated.By comparing the calculation concept and the results of rigid and flexible pile capping,a proper computingmethod is proposed, which are references for similar projects.

ocean heavy industry base;marine products;block slipway;horizontal friction;computingmodel

U673.32

A

2095-7874（2016）06-0015-04

10.7640/zggw js201606004

2016-01-27

2016-03-21

李梅（1983—），女，吉林蛟河人，硕士，工程师，港口海岸及近海工程专业，主要从事水工结构设计工作。E-mail：limei@fdine.net