大直径钢圆筒竖直海运技术研究与应用

卢勇，冯腊初

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

自20世纪80年代初，大直径钢圆筒结构引入我国后，因其特有的优势，引起人们的重视。采用钢圆筒沉入海底，可快速形成人工岛，大大减少船机及海上作业时间，大圆筒良好的稳定性和止水性能，为后续工作提供了一个稳定的环境。同时由于筒内不开挖，减少了对海水的污染，利于环保，具有显著的经济效益和社会效益。以往的钢圆筒直径均在15 m左右，长度在25 m左右，施工方式采用在施工水域附近选择制造场地，制造完成后用驳船装载1或2根钢圆筒，由拖轮拖带驳船至施工现场进行振沉施工。这种施工方式往往受到制造厂商生产能力和场地条件限制，驳船受天气因素影响较大，钢圆筒振沉施工周期往往不能按计划完成。某大桥工程主体采用桥隧结合方案，穿越航道段约6.7 km为隧道方案，隧道两端各设置一个海中人工岛，人工岛被称为整个大桥技术难度最大、工期最长的主体工程。为降低施工过程对珠江口海、空运输的影响，达到最佳环保质量，选择采用大型钢圆筒快速成岛工艺，东、西人工岛采用直径22 m，高40～50 m不等，重量约500 t的钢圆筒作为岛壁结构，钢圆筒之间采用副格仓形成围闭岛体。钢圆筒沿人工岛岸壁前沿线布置，西人工岛内设置分隔围堰，分为西小岛和西大岛，西小岛圆筒个数为17个，西大岛圆筒个数为44个，总数为61个；东人工岛靠近香港侧，西侧与隧道衔接，东侧与桥衔接，人工岛平面基本呈椭圆形，钢圆筒数量为59个[1-2]。钢圆筒在上海某生产基地生产制造[3]，距筑岛施工现场800 n mile，远洋运输船需航行4 d左右。本文利用Ansys软件对钢圆筒和运输船整体进行有限元建模，根据海洋环境参数长期预测技术和波谱分析技术，预报货物在既定环境中所受外力的方法，通过对钢圆筒受力计算分析，参考相关规范规定的应力衡准对钢圆筒强度和运输船甲板强度进行校核，分析大直径钢圆筒竖直远洋运输的可行性。

1 海运方案

钢圆筒直径22.0 m，壁厚16 mm，筒顶标高+3.5 m，筒底标高为-37.0～-43.0 m，筒重451.44～513.04 t。装载时，既要考虑最大限度利用运输船甲板有效装载面积，同时又要考虑相邻的钢圆筒之间留有一定的空间，避免在吊装过程中相互影响碰撞，钢圆筒在船上左右交叉放置，一船可以竖直装载9个钢圆筒，见图1。

图1 钢圆筒运输配载Fig.1 Layout of steel cylinder on transport vessel

2 海运分析

该项目航线为上海至广东珠海，航程总计约800 n mile，航期共计约4 d。根据国际海运业标准的 GWS（Global Wave Statistics）风浪数据库[4]的数据，预计整个航线中最恶劣的海区为南中国海（40区），最恶劣的季节为9到11月份。将该海区的海浪谱数据作为海上运动计算的设计依据，最终取设计有义波高为6 m。

3 船舶运动响应

根据航行环境数据以及基于美国NSRDC的FRANK切片理论为基础（假定船舶各个自由度运动是线性和谐振的，船长比船宽和吃水大很多，可以将三维船体处理为二维切片），建立包括船舶升沉、纵摇、横荡、横摇、艏摇5个线性耦合的运动微分方程，具体方程如下：

方程中的船体水动力系数通过二维切片水动力系数的叠加获得。二维切片水动力系数采用FRANK精密拟合法（Close Fit Method）计算，即以剖面周线上若干有限个点源代替该剖面，程序中1个剖面最多可允许使用21个结点，故具有足够的计算精度。对横摇阻尼中的黏性分量，则采用日本池田良穗等人提出的方法计算，一般认为该方法适用于比较常规的船型。

利用上述切片理论可计算得到升沉、纵摇、横荡、横摇、艏摇在规则波中的频率响应函数，然后再利用线性叠加原理得到船舶在不规则波中的响应，即运动幅值和加速度，见表1。

表1 航运加速度线性化加速度方程Table 1 Linearized acceleration equation of shipping acceleration

4 钢圆筒海运绑扎

以运输船的航线海洋环境参数为基础，如波浪、水流、风速风向等数据，利用软件计算每航次运输船的加速度，作为海绑依据，并对钢圆筒与运输船整体建模，以加速度为依据推导出海运荷载，计算出相应海况下的绑扎力。提出了以下绑扎形式：即钢圆筒直接固定于甲板上，通过每隔10°设置1个三角板，将钢圆筒与运输船固定，见图2。既能满足海绑强度要求，又能保证现场施工的方便性，同时材料利用率又能较高。运输船多航次运输，绑扎三角板可以重复利用，大大降低成本，经济效益显著。

图2 钢圆筒绑扎Fig.2 Seafastening on steel cylinder

5 海运结构计算

在钢圆筒有限元建模中，钢圆筒筒体及下部卡板采用shell63单元，筒体加强筋采用beam188单元，对卡板底边采用全约束。风载计算基于DNV船级社规范[5]，风压计算公式：

式中：ρa为空气密度风速；A为考虑形状系数、遮蔽效应之后垂直于风向的投影面积。风载最终折算成惯性加速度以惯性力的方式加入到计算模型中。

在有限元模型中加载采用最大加速度组合，见表2。

表2 最大加速度组合Table 2 Maximum acceleration combination

钢圆筒和卡板均采用Q345材料，根据《欧洲起重机械设计规范》[6]，其对应的许用正应力：=313.64 MPa，许用剪应力由计算结果可知，90°横浪工况下圆筒本体最大正应力为178 MPa，卡板最大正应力为220.74 MPa，圆筒本体最大剪应力为68.8 MPa，卡板最大剪应力为21.76 MPa，均小于许用应力，满足规范要求。

6 运输船甲板强度计算

钢圆筒竖立放置于船甲板上，通过卡板撑杆与运输船甲板焊接，对船体建立有限元模型进行甲板强度有限元计算。坐标系取OXYZ右手坐标系，O为尾垂线与基线的交点，X方向为船体的纵向，以向船首方向为正；Y方向为船体的横向，以船中线向左舷为正；Z方向为船体的垂向，以基线向上为正。船体外板、甲板板、舱壁以及T型材的腹板采用面单元模拟，甲板纵骨、扶强材和T型材的面板采用梁单元模拟。

船体材料为一般强度船体结构用钢，材料最小屈服应力：Fy=235 MPa，根据《散货船结构强度直接计算分析指南》[7]，相当应力许用值为[σe]=195 MPa，剪应力许用值为 [τ]=95 MPa，从应力分析结果可知，最大相当应力为133.55 MPa，最大剪应力为43.42 MPa，未超过材料的许用应力，满足规范要求。

7 运输船的抗风能力

9个钢圆筒竖直放置于运输船上，横向受风面积为5 904 m2，纵向受风面积1 755 m2，运输船横向受风面积2 542 m2，纵向受风面积231 m2（其余部分被钢圆筒覆盖）；计算风速取8级风最大值20.7 m/s；根据风作用力计算，则当船速为2.5 m/s（约5 kn），即假定船在风中仍以5 kn左右的航速航行，最大风阻力为790 kN；运输船船体浸水面积S≈10 140 m2，根据纵向水流计算公式：Rf=0.14S×V2

式中：S为运输船船体浸水面积；V为船航行速度；最大水流阻力为282 kN；运输船以5 kn左右的航速航行，总阻力=790+282=1 072 kN；运输船主机最大持续功率为12 505 kW；转速为75 r/min；螺旋桨直径为7.8 m。运输船以5 kn航速能够在8级风中顶风航行，船的主机功率满足航行推进的要求。

8 结语

某大桥岛隧工程东、西人工岛总计共120个大直径钢圆筒，经过15个航次的海上运输，前后总共历时8个月，航程约5万km，已全部完成，并成功实现“当年动工、当年成岛”目标。15个航次的运输，贯穿了整个台风频发的夏季，其中的5个航次受到了台风一定程度的影响，由于运输技术方案设计合理周到，应急预案完善，最终都成功躲避台风的袭击，顺利抵达施工现场。

本文基于大直径钢圆筒结构的特殊性，结合实际的工程项目，对大直径钢圆筒竖直运输的相关技术难点进行了阐述和研究，证明了大直径钢圆筒远洋竖直运输的可行性和安全性。这种运输方式能够大大缩短钢圆筒交付时间，具有显著的经济效益，对其他类似货物运输具有一定的借鉴意义。