海外施工工程船舶气囊上排牵引系统设计

王 鑫

（中交第四航务工程局有限公司，广州 510320）

1 前言

目前我司有多艘工程船舶服务于海外航务水运工程，包括打桩船、自航运输船、绞吸疏浚船、方驳、拖轮等，船组构架及整体施工性能在东非区域水工市场具有核心竞争力。

海外施工工程船需长期在同一地区施工，施工地经济和工业水平较落后，工程船运回国内或运至发达地区维修，耗时且价格昂贵。结合施工现场特点及成本考虑，采用气囊上排占用海岸线较少，工程船设备投入简单，操作容易，安全可靠，工程成本低。

2 气囊上排牵引系统设计

2.1 气囊上排工艺原理

船舶利用气囊上排，其原理如同于滚筒搬运物件，不同的是滚筒为刚性，滚动时为圆周运动，而气囊为柔性，滚动时为扁圆形，像坦克履带一样运动。

船舶上排，在海水低潮位时在船排上放置若干个未充气的气囊，高潮位时将船舶驶向气囊上方，气囊充气将船舶顶升，通过上排牵引系统牵引,气囊滚动使船舶脱离水面移动上排至岸上维修。

船舶上排牵引系统设计至关重要，与上排时间长短、单次行程距离、牵引设备密不可分，直接影响船舶上排的安全性和经济性。

2.2 气囊上排牵引系统设计

船舶气囊上排牵引系统，主要由气囊、地牛、卷扬机、卷扬机钢丝绳、滑轮组、牵引钢丝绳、捆绑钢丝绳等组成：

（1）船舶气囊上排牵引系统中，卷扬机型号必须一致，以保证工作同步；

（2）卷扬机钢丝绳滑轮组变幅绕组的数量越多，其拉力就越小，所需卷扬机拉力和地牛承受拉力变小，相应的单次上排行程减小，会增加更换牵引钢丝绳的次数（即需要进行多次拉移才能到位），使得工序操作工作繁琐，上排时间大大增加；反之，滑轮组变幅绕组数量越少，拉力越大，单次上排行程增大，更换牵引钢丝绳次数减少，卷扬机拉力和地牛承受拉力变大。

以我司某海外施工工程船气囊上排牵引系统设计为例，该船主要性能参数见表1。

表1 船舶主要性能参数

施工现场设备如下：

（1）2 台卷扬机，拉力200 kN，卷筒容绳量250 m；

（2）8 个弓形卸扣，SWL 为980 kN；

（3）6 条50 m 钢丝绳，直径为Ф56 mm，MBL 为1 830 kN。其中，将4 条用于船舶捆绑，2 条用于牵引；

（4）2 条250 m 钢丝绳，直径Ф34 mm，MBL 为675 kN；

（5）2 条8 m 二级有档锚链，直径Ф42 mm，MBL为703 kN；

（6）2 套滑轮组，型号HQD5-100T，SWL 为980 kN；

（7）20 个气囊，型号为GB/T 33487-2017 QP3/1.5×22，额定工作压力为70 kPa,承载力115 kN/m；

（8）船排由上排通道和修船场地组成：陆侧为修船场地，长度105 m×宽50 m；海侧为上排通道，长度92 m×宽30 m，坡度为1.5°。

上排牵引系统按以上设备设计；先在修船场地靠岸侧末端设置地牛，用于安装卷扬机和预埋定滑轮组固定的锚链；然后将定滑轮组用980 kN 卸扣连接至锚链上，拉出的卷扬机钢丝绳通过定动滑轮绕组变幅3倍，其中除去钢丝绳绕滚筒保留的3 圈所需15 m 和3倍变幅所需15 m，即滑轮组单个行程为（250-15-15）/3≈73 m；根据该船图纸、船排尺寸、气囊布置及现场设备布置等参数，用 AutoCAD 放样，得出船舶牵引至修船场地指定位置为100 m，只需进行2 次行程牵引，用铲车拉出卷扬机钢丝绳使动滑轮组钢丝绳拉出，使钢丝绳达到50 m 行程，动滑轮端头拉钩上连接牵引钢丝绳一端的琵琶扣，另一端用980 kN 卸扣连接至捆绑钢丝绳。

气囊上排牵引系统设备布置示意图，见图1 所示。

图1 上排牵引系统设备布置示意图

3 气囊上排牵引系统各设备负荷计算

3.1 卷扬机负荷计算

根据《船舶用气囊上排、下水工艺要求》CB/T 3837-2011，气囊上排移船时系船钢丝绳承受的最大拉力，按下式计算：

卷扬机钢丝绳牵引力，按下式计算：

式中：F—船舶上排或下水移船时钢丝绳最大拉力，（kN）；

Q—船舶上排或下水时的重量，t；

g—重力加速度，m/s2；

α—气囊承托的船舶在坡道上产生的倾角，°；

μ—气囊滚动阻力系数，由上排坡道坡度、地面材质、气囊结构、内压、摆放等因素确定；

V—移船速度，m/s；

T—卷扬机制动响应时间，s；

Fc—卷扬机钢丝绳的牵引力，kN；

K—安全系数；

Nc—滑轮组上的钢丝绳道数；

β—卷扬机牵引钢丝绳与F 力方向的夹角，一般不大于6°。

上述计算参数值，见表2。

表2 卷扬机负荷计算参数

将表2 参数值代入公式（1）、（2），可得：

上排移船钢丝绳最大拉力F=490 kN

考虑单边受力不均衡，取安全系数1.25，则

卷扬机钢丝绳最大拉力，考虑两台卷扬机受力不均衡，取安全系数1.5，则单台卷扬机钢丝绳最大牵引力：

根据上述计算结果：采用2 条250 m 钢丝绳，直径Ф34 mm，MBL 为675 kN；2 台卷扬机，拉力200 kN，卷筒容绳量250 m，满足要求。

3.2 气囊数量计算

气囊数量根据（《船舶用气囊上排、下水工艺要求》CB/T 3837-2011)计算,气囊型号为GB/T 33487-2017 QP3/1.5×22，气囊数量：

式中：

K1—系数，K1≥1.2；

Q—船舶上排或下水时重量，t；

g—重力加速度，m/s2；

Cb—船舶方形系数；

R—每米气囊允许的承载力，kN/m；

Ld—船舶舯剖面处气囊囊体与船舶接触长度，（m）。

代入式（3），可得

实取N ≥4，满足要求。

必须注意：船舶上排气囊布置（即气囊安装位置）与船舶上排到位之后船舶底部加墩位置要匹配，必须按船舶《布墩图》留出排墩加墩坐墩位置，确保船舶上排拉到位坐墩之后，保证船舶在船台修理期间的安全性。

3.3 地牛负荷计算

地牛预埋，在地牛中竖向打入6 根I36a 工字钢，并在其顶部根据卷扬机公共底座尺寸焊接钢板（基础底座），然后在地牛和工字钢四周植入主钢筋（Φ16 HRB335）和加劲箍筋（Φ12 HRB335），钢筋绑扎完成后浇灌C30混凝土；地牛可看为型钢-钢筋混凝土柱，受力模式为轴心受拉和受压两种情况。

卷扬机牵引力产生的轴心拉力306.82 kN 作用于地牛，主要由6 根工字钢承担（钢板焊接于六根工字钢顶面，卷扬机底座通过焊接于钢板与六根工字钢相连）；地牛为钢筋混凝土，其容重为25 kN/m3。若不考虑地牛在土层中的侧阻力，在抵抗轴心拉力前地牛重量需大于306.82 kN，地牛的尺寸为3.0×3.0×1.5 m，满足地牛重量要求。

工字钢材质为Q235，抗拉强度f=215 MPa，型号见表3。

表3 工字钢型号参数

6 根I36 a 工字钢截面积为6x76.4 cm2=458.4 cm2，根据《组合结构规范》，型钢混凝土轴心受拉柱的正截面受承载力强度计算公式：

式中：N—构件轴心拉力设计值；

As、Aa—纵向受力钢筋或型钢的截面面积；

fy、f—纵向受力钢筋或型钢的抗拉强度设计值。

将各参数代入式（4），可得：

N=306.82 kN <2.01 cm2×4×30 kN/cm2+76.4 cm2×6×21.5 kN/cm2=10 096 kN，满足要求。

由于卷扬机焊接于与工字钢相连的钢板上，轴心拉力306.82 kN 可认为由埋置于混凝土中的6 根I36 a工字钢分担，每根工字钢需分担51.14 kN,每根所受应力为：

正截面抗拉强度满足要求。

地牛为工字钢-钢筋混凝土组合结构，尺寸为3.0×3.0×1.5 m，埋入深度1.5 m，以下对受拉钢筋锚固长度、工字钢埋入深度进行复核，假设型钢混凝土受力由型钢混凝土中的钢筋承担，采用HRB335 钢筋，公称直径取16 mm，公称截面积2.01 cm2，抗拉强度设计值300 MPa，每根钢筋能承受轴心拉力为60.3 kN，需配置5 根钢筋，考虑纵筋布置最小和最大间距要求，拟配置10 根纵向受拉钢筋。

在型钢和钢筋混凝土组合结构中，为保证混凝土、型钢、钢筋三者协同工作配置箍筋。取箍筋公称直径12 mm，弯钩段平直段长度取10×12 mm=120 mm。

纵向钢筋锚固长度，应满足（《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010）：

式中：lab—受拉钢筋基本锚固长度；

ft—混凝土轴心抗拉强度设计值；

Fy—普通钢筋抗拉强度设计值；

d—锚固钢筋的直径；

a—钢筋外形系数，取0.14。

地牛混凝土C30，轴心抗拉强度设计值为1.43 MPa，受拉钢筋型号为HRB 335，抗拉强度设计值为300 MPa，钢筋公称直径16 mm，可得：

lab=470 mm

为了保证型钢的抗剪强度能满足使用要求，根据《组合结构设计规范》(JGJ 138-2016)计算埋深：

式中：hB—型钢混凝土埋置深度；

M—埋入式柱脚最大组合弯矩；

bv—型钢混凝土垂直于计算弯曲平面方向的箍筋边长；

fc—混凝土抗压强度设计值。

卷扬机最大高度1.4 m，地牛深度1.5 m，产生最大弯矩为：

M=306.82 kN×（1.5+1.4）m=889.778 kN·m

工字钢-钢筋混凝土组合结构截面宽度为3 m，保护层厚度0.03 m，截面宽度减去两侧保护层厚度，即为箍筋边长。

实取工字钢埋入深度1.5 m，工字钢-钢筋混凝土组合结构尺寸3.0×3.0×1.5 m，满足要求。

3.4 定滑轮挂点受力计算

在每个卷扬机地牛中埋入两条Φ42 mm 二级有档锚链MBL:703 kN，则两根对折使用的锚链的许用负荷为：

F单=306.82 kN <703×2=1 406 kN

安全系数为4.58，满足要求。

3.5 钢丝绳、卸扣、滑轮组负荷计算

3.5.1 钢丝绳校核

1）卷扬机钢丝绳为Ф34 mm，MBL：675 kN，卷扬机牵引力为:

FC=102.27 kN <675 kN

安全系数为6.60，满足要求。

2）捆船钢丝绳Ф56 mm，MBL：1 830 kN，捆船钢丝绳受拉力为：

F1=F单=306.82 kN <1 830 kN

安全系数5.96，满足要求。

3.5.2 卸扣校核

卸扣为弓形，SWL：980 kN，连接捆船钢丝绳及动滑轮组，受拉力为：

F2=F单=306.82 kN <980 kN

安全系数3.19，满足要求。

3.5.3 滑轮组校核

滑轮组型号HQD5-100 T，SWL：980 kN，滑轮组受力为：

F3=F单=306.82 kN <980 kN

安全系数3.19，满足要求。

4 结束语

本牵引系统设计是船舶气囊上排能否具有可靠性、安全性、可操作性、适用性、经济性的关键，合理的上排牵引系统设计是保证安全、顺利实现气囊上排工艺的前提。此工程实例在研究我司船舶气囊上排工艺的基础上，结合以往成功经验，从安全、效率、成本、施工周期等方面优化作业方法，解决了我司实施安全可靠船舶修理及船舶检验换证的问题，供类似船舶上排修理提供参考。