大型预制构件运输船舶的应用及发展方向

潘爱旺

摘要 随着工程技术的不断创新和突破，对工程船舶的要求也不断提高，如何选用合适的工程船舶并确保船舶安全高效值得深入探索。文章通过有限元计算及各类信息系统的分析，从安全、工效等方面对运输船的选型应用进行了全面论证，打破了以往传统拖带船组运输构件的方式，可为今后工程技术突破、海上高大桥梁构件的装载运输提供相关依据。

关键词 甲板货船；结构强度及稳性；通航；限制；效率

中图分类号 U692.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0183-03

0 引言

工程船舶在工程建设中发挥着重要作用，然而随着工程技术的发展，对工程船舶的要求也发生了变化。特别是各种大型预制构件，更是对运输船舶的性能提出了更高要求。接下来将集合具体工程实践，就大型预制构件运输船舶的应用及发展方向进行探讨。

1 工程概况

宁波舟山港主通道工程（舟岱大桥）是沪舟甬北向大通道的一期工程。工程地处浙江东北部灰鳖洋海域，海域风力常年5～6级，每年7月至10月份为台风期，11月至次年1月为寒潮季风期，对船舶航行安全影响较大。宁波舟山港主通道主线全长27.969 km，跨海桥梁长度为17.355 km。非通航孔箱梁为单箱单室斜腹板预应力混凝土箱梁，共370片。预制梁长70 m，顶板宽12.55 m，底板宽5.5 m，箱梁中心线处梁高4.0 m。标准70 m中跨预制梁段自重为1 829.1 t、边跨预制梁段自重为1 852.8 t。箱梁运输装载方式为箱梁两端放于船舶支撑垫梁上，支撑垫梁间距为66.2 m，船舶集中荷载较为明显。

2 大型预制构件运输船舶类型比选

2.1 甲板货驳

优点：设备简单（不设货舱、在甲板上堆装货物）、吃水浅、载货量大、船体结构强度相对较大。

缺点：无自航能力，需拖轮拖带，航行受到一定限制。

2.2 甲板货船

优点：自航，无须拖轮拖带，运输安全性高，航行受限条件少。

缺点：船舶资源相对较少，锚泊系统的锚泊能力差，船体较同吨位甲板货驳的结构强度弱。

2.3 运架一体船

优点：专用船舶，投入船数量少，减小船舶管理难度。

缺点：船舶尺寸大（宽度＞34 m），对出运码头等级有特定要求；（小天鹅，天一号）固定臂架，桥梁通航高度受限，作业水域受限。

综合上述条件，甲板货驳与甲板货船的通用性更强，但无动力甲板货驳拖带作业的风险因素较多，作业效率也相对较低，自航的甲板货船综合性价比更高。

3 甲板货船在大件运输中的优势

3.1 船舶结构强度日益完善，适应构件体积大、集中载荷大等条件

由于混凝土预制箱梁装载的特殊性，船舶在装载后船体与垫梁接触处会受到较大的集中荷载，船中部会受到较大的上拱力。为了确保船舶在装载及航行工况下的自身结构安全，需对船舶进行以下验算：

船体总强度计算：计算旨在校核单片箱梁装载工况下，船体结构的总强度是否满足《国内航行海船建造规范》。计算仅考虑总纵弯曲引起的船体总纵强度，不考虑局部集中应力[1]。

船体局部强度有限元计算：计算旨在校核单片箱梁装载工况下，船体局部结构的强度是否满足《国内航行海船建造规范》，包括甲板上设置的垫梁及船体局部加强结构的验算。

船舶运载稳性计算：计算旨在校核单片箱梁装载工况下的完整稳性以及相应装载下的静水弯矩和静水剪力值。

船舶耐波性验算：计算旨在评估船体总体运动性能，并确定船舶可作业的工况（风级、波浪）。

3.2 验算案例

3.2.1 甲板货驳（以“广新驳01”为例）

广新驳01主尺寸：总长84.14 m、型宽22.2 m、型深6.35 m、设计吃水4.6 m。

（1）船舶总强度计算。该有限元总强度计算仅考虑总纵弯曲引起的船体总纵强度；不考虑局部集中应力，以及局部加强方法。使用时应确保对该船的使用不超过该计算中使用的风浪等级（波长84.14 m、波高5.21 m、风力蒲福7～8级）、结构腐蚀余量（≤2 mm）。船体结构主要包括：主甲板、甲板纵骨、底部外板、底部纵骨、舷侧外板、舷侧纵骨、纵舱壁、横舱壁、支柱、纵桁及强横梁。该模型为全船模型，对于指定装载方式建立模型如图1所示：

装载工况：运梁的单片梁重为1 856 t，共装载1片。

通过有限元计算分析，该装载方式满足强度要求。全船总纵应力未超出许用标准，甲板、外板满足屈曲要求；应力最大值约203 N/mm2，接近许用临界值211.5 N/mm2，位于机舱的纵、横舱壁，此处纵壁剪应力屈曲也接近许用极限。主要原因为纵向结构不连续（艉部纵壁在机舱后端壁中段）。

措施：考虑增加局部纵壁、大肘板过度等局部加强方案。

（2）船舶局部强度计算。经有限元计算分析，局部加强后的船体结构强度满足强度要求。

（3）船舶稳性计算。在稳性计算中，箱梁垫梁高度约4 m，重量约33 t；箱梁高4.5 m，重量为1 856 t；相应的重心高度假定为高度的1/2。

从图2可知，从稳性角度，该船舶可以满足运载箱梁的要求。单次运载箱梁时，不应超过上述计算假定的稳性输入条件。

（4）耐波性运动计算。采用NAPA、HYDROSTER和MATLAB软件及其各自二次开发的接口程序组成的NHM软件集成系统，预报该船作业工况的耐波性运动幅值。

计算工况：计算波浪圆频率取0.01～2.0 rad/s，间隔为0.05 s，共40个；计算浪向共13个，0 °～180 °，间隔为15 °；波浪条件取8个有义波高：0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m；波浪周期为5～14 s，间隔为1 s。

八级风对应的有义波高在4 m左右，设该船作业工况横摇十一幅值控制在6.5 °以内，纵摇控制在4.5 °以内。对于有义波高2 m及以内，该船两个工况的全浪向及5～14 s波浪周期范围内均可作业。

3.2.2 甲板货船（以“奥海大件”为例）

“奥海大件”主尺寸：船长84 m、船宽19 m、型深4.5 m、结构吃水3.4 m。

（1）船舶总强度计算。运载工况及计算工况与甲板驳船一致的情况下，船体结构局部加强后，该运载工况下满足强度要求。

全船总纵应力满足许用标准；应力最大值约301 N/mm2，在许用临界值319.5 N/mm2以内，位于中纵局部舱壁；纵壁、外板满足屈曲要求。

（2）船舶局部强度计算。应力最大位置如图3所示，位于横舱壁垂直桁顶部，该部位结构修改为AH36高强度钢材后，应力满足规范要求。

（3）船舶稳性计算。在稳性计算中，箱梁垫梁高度约4 m，重量约33 t；箱梁高4.5 m，重量为1 856 t；相应的重心高度假定为高度的1/2。

由该运载箱梁稳性计算可知，从稳性角度，该船舶可以满足运载箱梁的要求。单次运载箱梁时，不应超过上述计算假定的稳性输入条件。

3.2.3 通航航行安全风险评估

舟岱大桥箱梁海上运输距离达22 nm，需穿越金塘大桥通航孔、跨越西堠门和桃夭门两个航道；架设岱山侧箱梁时还需跨越在建桥梁的南通航孔、主通航孔和北通航孔三个航道；航线涉及宁波和舟山两个海事局、三个海事处、一个海巡支队和一个海事大队；金塘大桥北口即为开阔水域，且船舶属于横水航行，水流及涌浪冲击较大。无论运输还是架设均对航行安全、管控风险和技术管理都是前所未有的挑战。

甲板货驳属于拖带船组，船组拖带长度达200 m，通航限制条件较多。海事部门对拖带船组拖航提出明确要求：要求48 h良好天气预报及蒲氏风力不大于7级、能见度在1 nm以上；严禁夜航，且仅允许顺流时段通过金塘大桥，并需增配全旋回守护拖轮、配备备用应急缆绳。

甲板货船属于自航船舶，通航条件较为宽松，除蒲氏风力大于8级或海事发布禁航通告的情况下严禁航行外，其他环境下均可通航，航行风险相对较低。

4 甲板货驳及甲板货船在施工中的应用

4.1 进出港阶段

最初施工选用了一艘3 600 hp常规拖轮，负责甲板货驳的进出港及拖带作业。由于出海码头与潮流呈垂直方向，船舶进出港时受水流冲击较大，船舶操控性极差。即使进出港都选择接近平潮时段，但每次进出港操作都十分困难，且险象环生；吸取经验后配备一艘全旋回拖轮，负责甲板货驳的进出港及拖带护航，解决了此问题。

4.2 拖航阶段

正常施工过程中，在具备通航条件下，基本每天一个航次或三天两个航次。但每个月要面临两个周期的大潮汛，潮流流速达到3～4节/秒，拖带阻力对拖带缆绳造成巨大挑战。拖带期间出现过数次缆绳崩断的情况，此时护航拖轮就发挥了重要作用，其通过立即启动应急预案、傍拖编队控制运输船，从而防止船舶失控。

4.3 锚泊、离泊阶段

根据舟山海域涨落潮的流速规律，一般是涨潮流速大于落潮流速，故大型浮吊船和运输船均在桥轴线的上游侧定位待架。另外，运输船从出海码头起航时段一般为平潮时段，航行至待架桥区一般需要3～5 h，而运输船的定位应选择在涨潮时段抛锚定位。为了减小潮流对船舶定位及架设的影响，一般选择在接近高平潮前完成运输船定位、浮吊船移位、构件吊点对位、起吊、架设、运输船起锚拖离全过程。每天两涨两落的潮汐变化是固定的，架设条件也是限定的，故施工效率必然降低，加之海上恶劣天气的影响，导致施工计划步步滞后。

由于施工工期的不断滞后，以及海事部门对拖带船组严格的风险管控要求，施工到中期阶段，需增配一艘甲板货船负责箱梁运输作业。固然出海码头的客观条件限制，甲板货船的出海时间无法摆脱接近平潮时段出港，但甲板货船并没有禁止夜航的限制条件，通过组织专班负责船舶的进出港报备、查验、签证手续等，确保在夜间平潮时段可以正常出海，可以实现两天三个航次甚至一天两个航次的目标，使得运输效率得到显著提升[2]。使用甲板货船也必然要面对定位的问题，甲板货船的锚泊能力不足以在重载情况下实现横水定位，则需要一艘定位驳船提前定位在待架水域，在其全旋回拖轮的辅助下将甲板货船靠泊在定位船旁。由此可见，使用甲板货船并不能减少驳船和拖轮的配备，成本将会成倍增加；但施工效率得以提高，既缩短了施工工期，减少了其他船机设备、人员的时间成本，同时也降低了施工过程中的安全风险，总体方案仍优于拖带船组方案。

5 结论

通过船舶总强度和局部强度的有限元计算、稳性计算等相关专业验算，验证了自航式运输船的装载能力可以满足建筑工程领域特殊装载工况构件的运输要求，在工效、安全性、经济性方面也具有一定的优越性。甲板货船的投入解决了海上运输限制多、工效低、安全风险高的难题。该项目通过甲板货船的投入，挽回工期约5个月，2 600 t起重船、拖轮等各类船机设备使用周期缩短，节约船机成本约2 000万元。随着风电项目的兴起，大型构件及特殊装载工况的运输将越来越多，船舶设计也将针对特殊工况进行不断完善，以满足各类装载运输工况的要求。桥梁行业在不断技术革新，桥梁设计者还将设计出80 m、90 m甚至更大跨度、更重的梁体结构，这就需要依靠更加先进的船机设备为工程建设保驾护航，实现工程的安全、优质、高效。

参考文献

[1]王亚梅. 国内航行入级海船及其规范体系发展分析[J]. 船舶与海洋工程， 2013（1）： 50-53.

[2]交通运输部. 中华人民共和国水上水下活动通航安全管理规定[EB/OL]. https： //www. gov. cn/gongbao/content/2011/content_1918923. htm， 2011-01-27/2011-03-01.