半潜驳浮运超大跨度桥梁主拱肋系固安全性分析

吴雄祥，陈晓明，黄贤俊，赖彬彬

（1.广州打捞局，广州 510290；2.广东省海洋工程施工与水上应急救援工程技术研究中心，广州 510290）

1 前言

广州南沙凤凰三桥位于繁忙的珠江航道台风多发地区，桥址位置的地质属于淤泥层，若采用传统的桥梁施工方法存在较大的施工风险，且难以保证施工工期。为了最大限度减少恶劣施工环境对工程的影响，保证施工安全，缩短施工工期，本项目创新性地采用主桥钢箱拱肋整体提升架设方法，实现流程是：拱肋拼装——拱肋拉移、浮托顶升装船——拱肋系固——拱肋运输——拱肋整体提升——拱肋合拢。其中，拱肋系固是保证拱肋浮运过程安全性的关键环节。

凤凰三桥主桥钢箱拱肋（见图1），中段长度为237 m、宽38.4 m、高45 m、重量3 800 t，其超大重量、超大跨度均达到了国内的新纪录，在半潜驳浮运拱肋过程中，拱肋及支撑胎架、支撑基座和船体局部受力很大。为了确保拱肋和支撑胎架、限位基座、船体受力处于可控状态，需要通过科学计算，制定合理的系固方案。

图1 凤凰三桥主桥总体布置示意图

本文以半潜驳浮运凤凰三桥拱肋为例，对超大跨度拱肋浮运系固安全性分析方法进行了深入研究，并通过计算分析优化了该项目的拱肋浮运的系固方案，确保了拱肋的安全浮运，项目实施结果为今后超大跨度拱肋半潜驳浮运提供了有益参考。

2 工程概况

凤凰三桥采用混合箱拱结构：桥跨布置为40+61+308+61+40 ＝510 m；桥面以下拱肋采用钢筋混凝土箱型结构；中跨侧拱肋为6.5x5 m 的箱型截面；边跨侧拱轴线采用变截面箱型截面，高度为6.0～3.0 m、宽度为5 m；桥面以上拱肋采用中承式无推力钢箱系杆拱桥形式，钢箱梁采用变截面，高度为6.0～3.8 m、宽度均为3 m，顶底板厚度44～32 mm、腹板厚度32～24 mm；两片拱肋通过9 道钢箱横撑联结，如图1所示。

综合考虑台风、地质和经济性等影响因素，主拱肋采用整体提升架设的施工方案，具体实现流程如下：

1）岸上拼装拱肋，码头拉移定位，驳船排水抬浮，船上绑扎加固，拖带运输，如图2 所示;

图2 拱肋浮托顶升装船运输

2）驳船运输拱肋到位后调整到提升位置，并抛锚固定，如图3 所示;

图3 拱肋到位锚定

3）在低潮水位时解除拱肋支撑支架与驳船连接，提升开始，进行安装合拢，如图4 所示。

图4 拱肋提升合拢

图5 拖航阻力曲线图

3 拱肋浮运工况

3.1 环境条件

1）风

项目施工期在台风季节，浮运过程需考虑台风影响，其风力安全受力计算取11 级风，风速为32.6 m/s。

2）波浪

项目位于横沥水道，属于C 级航区，按照《钢质内河船舶建造规范》，实取波高0.5 m。

3）流

沿途运输航路位于珠江口，潮汐、余流特征较为复杂，实取流速2 kn。

3.2 浮运方案

根据施工方案中对半潜浮托、船舶载重、作业甲板、船舶稳性和耐波性等要求，本项目采用重任1 500 型半潜驳船进行施工作业。该半潜厚驳参数如下：总长110 m、型宽32 m、型深7.5 m、满载吃水5.6 m、空载吃水1.14 m，运拱时要求吃水深度4.23 m。

运输时，主拱肋沿船长中心线方向布置，主拱肋通过首尾两个临时支撑胎架的桩靴刚性系固在专门设计的船体支撑基座上，以避免钢箱梁在船运过程中因局部刚度不够而发生变形损坏。

根据中国船级社《海上拖航指南》附录2[1]，拖航阻力曲线计算如下：

根据阻力计算结果，运输船队采用1 条主机功率2 500 kW 的拖轮在左侧主拖运输驳船、1 条2 386 kW的拖轮在右侧辅拖运输驳船的编队方式，运输队形总宽度约为66 m，总长度为237 m，如图6 所示。

图6 拱肋浮运工况

4 系固安全性分析

4.1 支撑胎架和限位基座设计

相比一般桥梁平直段钢箱梁浮运，凤凰三桥浮运过程中首尾各存在长达64 m 的悬臂结构，一般的绑扎系固方式和经验系固计算公式已不再适用，浮运系固方案需要特殊考虑，且应采用直接计算方法进行结构分析，以保证拱肋浮运过程受力安全。

为避免拱肋变形和受力过大，专门针对拱肋的线型设计了桁架式支撑胎架托住拱肋：支撑胎架主体由6 根厚度为20 mm 的φ1 200 mm 垂向钢管和8 根厚度为8 mm 的φ820 mm 水平钢管组成；支撑胎架顶部设置橡胶支座托住拱肋，保证拱肋线型；支撑胎架设置高度为1 500 mm 的桩靴，系固于限位基座；支撑胎架材料为Q235。

同时，对拱肋支撑胎架桩靴在船体作用点进行结构加强。若采用传统的船体内部结构加强方式费时、费工、费料，故采用反向骨材加强方式设计限位基座，即仅在甲板面以上施加加强结构，保证有效地将拱肋传递的载荷分摊到船体强框架，限位基座材料为Q235。

支撑胎架和限位基座，如图7、图8 所示。

图7 支撑胎架结构（处于船艏，船艉结构类似）

4.2 浮运载荷分析

浮运期间，拱肋遭受的载荷包括：拱肋自重、风荷载、以及在水流及波浪力作用下驳船升沉、纵摇、横荡、横摇、艏摇等运动响应产生的惯性力。

4.2.1 风载荷

风载荷计算公式如下：

式中：S——拱肋、船舶受风构件的正投影面积，m2；

Ch——受风构件的高度系数；

Cs——受风构件形状系数；

V——风速，m/s。

4.2.2 船舶运动载荷

应用基于势流理论的格林函数边界元方法，结合水动力分析软件OCTOPUS，直接计算不规则波海况作用下不同航速半潜驳浮运拱肋时的运动响应。

在基于JONSWAP 波浪谱船舶运动响应分析过程中，假设输入变量是波浪。波浪的大小由波浪谱密度函数Sx(ωe)表示，ωe为遭遇频率。运动响应幅值（RAO）记作[Hj（ωe）]2，输出变量是船舶运动响应y，船舶运动响应大小由响应谱密度函数Sy(ωe)表示：

船舶运动加速度是检验拱肋驳船运输系固有效性的重要依据，其3 h 随机海况下结果可通过计算Sy(ωe) 的谱矩获得。在实际系固计算中，船的受力以加速度形式直接加载在计算模型，计算结果如表1 所示（满足安全性要求）。

表1 船舶运动加速度

4.3 系固结构强度分析

4.3.1 支撑胎架安全校核

为评估拱肋浮运期间支撑胎架系固安全性，利用ANSYS 有限元分析软件，建立拱肋和支撑胎架整体杆系有限元模型。计算模型中，拱肋和支撑胎架均采用梁单元，拱肋、支撑胎架截面及刚度按实际模拟。边界条件设置如下：支撑胎架桩靴位置固结，支撑胎架顶与拱肋支撑点采用只受压的弹性连接。

有限元模型，如图9 所示。

图9 拱肋和支撑胎架有限元模型

应力云图，如图10 所示。

图10 拱肋和支撑胎架应力云图

由图10 可看出，在最不利的工况下，拱肋和支撑胎架局部应力分别为128.07 MPa 和125.01 MPa，均满足容许应力210 MPa 要求。

4.3.2 限位基座安全校核

考虑对称性，利用Patran&Nastran 有限元分析软件对船艏位置的限位基座进行安全校核。有限元模型范围为：纵向为FR23 至首部，横向为整个型宽，垂向为整个型深。

以支撑胎架模型边界条件处的支座反力作为限位基座主要的受力载荷依据，并考虑船体甲板均布载荷0.5 t/m2和舷外静水压力。

基座应力云图，如图11 所示。

图11 基座应力云图

船体甲板应力云图，如图12 所示。

船体框架应力云图，如图13 所示。

图13 船体框架应力云图

由图11、12 和13 可以看出，在最不利的工况下限位基座、船体甲板、船体框架局部应力分别为99.4 MPa、106 MPa、194 MPa，均满足容许应力210 MPa要求。计算结果也表明，拱肋受力传递被限位基座有效地分散到船体强框架，验证了本文限位基座设计的合理性。

5 结论

从本文的拱肋整体提升架设方法中，半潜驳浮运的拱肋超长、超大重量（3 800 t），且悬臂长度大，容易因外力作用而产生破坏，拱肋系固难度大。本文对拱肋系固安全性进行深入研究，设计了专用的支撑胎架和限位基座，确保整个系固系统在建造、浮运、安装过程中均处于可控状态。计算结果表明：通过合理布置、设计系固结构，拱肋和系固结构在浮运过程中能够满足强度要求，项目实施具有安全性、可行性、可操作性，为凤凰三桥安装工程的顺利实施提供了科学可靠的依据。其结果为超大跨度拱肋半潜驳浮运提供了宝贵经验。