半潛駁浮運超大跨度橋梁主拱肋系固安全性分析

吳雄祥，陳曉明，黃賢俊，賴彬彬

（1.廣州打撈局，廣州 510290；2.廣東省海洋工程施工與水上應急救援工程技術研究中心，廣州 510290）

1 前言

廣州南沙鳳凰三橋位于繁忙的珠江航道臺風多發地區，橋址位置的地質屬于淤泥層，若采用傳統的橋梁施工方法存在較大的施工風險，且難以保證施工工期。為了最大限度減少惡劣施工環境對工程的影響，保證施工安全，縮短施工工期，本項目創新性地采用主橋鋼箱拱肋整體提升架設方法，實現流程是：拱肋拼裝——拱肋拉移、浮托頂升裝船——拱肋系固——拱肋運輸——拱肋整體提升——拱肋合攏。其中，拱肋系固是保證拱肋浮運過程安全性的關鍵環節。

鳳凰三橋主橋鋼箱拱肋（見圖1），中段長度為237 m、寬38.4 m、高45 m、重量3 800 t，其超大重量、超大跨度均達到了國內的新紀錄，在半潛駁浮運拱肋過程中，拱肋及支撐胎架、支撐基座和船體局部受力很大。為了確保拱肋和支撐胎架、限位基座、船體受力處于可控狀態，需要通過科學計算，制定合理的系固方案。

圖1 鳳凰三橋主橋總體布置示意圖

本文以半潛駁浮運鳳凰三橋拱肋為例，對超大跨度拱肋浮運系固安全性分析方法進行了深入研究，并通過計算分析優化了該項目的拱肋浮運的系固方案，確保了拱肋的安全浮運，項目實施結果為今后超大跨度拱肋半潛駁浮運提供了有益參考。

2 工程概況

鳳凰三橋采用混合箱拱結構：橋跨布置為40+61+308+61+40 ＝510 m；橋面以下拱肋采用鋼筋混凝土箱型結構；中跨側拱肋為6.5x5 m 的箱型截面；邊跨側拱軸線采用變截面箱型截面，高度為6.0～3.0 m、寬度為5 m；橋面以上拱肋采用中承式無推力鋼箱系桿拱橋形式，鋼箱梁采用變截面，高度為6.0～3.8 m、寬度均為3 m，頂底板厚度44～32 mm、腹板厚度32～24 mm；兩片拱肋通過9 道鋼箱橫撐聯結，如圖1所示。

綜合考慮臺風、地質和經濟性等影響因素，主拱肋采用整體提升架設的施工方案，具體實現流程如下：

1）岸上拼裝拱肋，碼頭拉移定位，駁船排水抬浮，船上綁扎加固，拖帶運輸，如圖2 所示;

圖2 拱肋浮托頂升裝船運輸

2）駁船運輸拱肋到位后調整到提升位置，并拋錨固定，如圖3 所示;

圖3 拱肋到位錨定

3）在低潮水位時解除拱肋支撐支架與駁船連接，提升開始，進行安裝合攏，如圖4 所示。

圖4 拱肋提升合攏

圖5 拖航阻力曲線圖

3 拱肋浮運工況

3.1 環境條件

1）風

項目施工期在臺風季節，浮運過程需考慮臺風影響，其風力安全受力計算取11 級風，風速為32.6 m/s。

2）波浪

項目位于橫瀝水道，屬于C 級航區，按照《鋼質內河船舶建造規范》，實取波高0.5 m。

3）流

沿途運輸航路位于珠江口，潮汐、余流特征較為復雜，實取流速2 kn。

3.2 浮運方案

根據施工方案中對半潛浮托、船舶載重、作業甲板、船舶穩性和耐波性等要求，本項目采用重任1 500 型半潛駁船進行施工作業。該半潛厚駁參數如下：總長110 m、型寬32 m、型深7.5 m、滿載吃水5.6 m、空載吃水1.14 m，運拱時要求吃水深度4.23 m。

運輸時，主拱肋沿船長中心線方向布置，主拱肋通過首尾兩個臨時支撐胎架的樁靴剛性系固在專門設計的船體支撐基座上，以避免鋼箱梁在船運過程中因局部剛度不夠而發生變形損壞。

根據中國船級社《海上拖航指南》附錄2[1]，拖航阻力曲線計算如下：

根據阻力計算結果，運輸船隊采用1 條主機功率2 500 kW 的拖輪在左側主拖運輸駁船、1 條2 386 kW的拖輪在右側輔拖運輸駁船的編隊方式，運輸隊形總寬度約為66 m，總長度為237 m，如圖6 所示。

圖6 拱肋浮運工況

4 系固安全性分析

4.1 支撐胎架和限位基座設計

相比一般橋梁平直段鋼箱梁浮運，鳳凰三橋浮運過程中首尾各存在長達64 m 的懸臂結構，一般的綁扎系固方式和經驗系固計算公式已不再適用，浮運系固方案需要特殊考慮，且應采用直接計算方法進行結構分析，以保證拱肋浮運過程受力安全。

為避免拱肋變形和受力過大，專門針對拱肋的線型設計了桁架式支撐胎架托住拱肋：支撐胎架主體由6 根厚度為20 mm 的φ1 200 mm 垂向鋼管和8 根厚度為8 mm 的φ820 mm 水平鋼管組成；支撐胎架頂部設置橡膠支座托住拱肋，保證拱肋線型；支撐胎架設置高度為1 500 mm 的樁靴，系固于限位基座；支撐胎架材料為Q235。

同時，對拱肋支撐胎架樁靴在船體作用點進行結構加強。若采用傳統的船體內部結構加強方式費時、費工、費料，故采用反向骨材加強方式設計限位基座，即僅在甲板面以上施加加強結構，保證有效地將拱肋傳遞的載荷分攤到船體強框架，限位基座材料為Q235。

支撐胎架和限位基座，如圖7、圖8 所示。

圖7 支撐胎架結構（處于船艏，船艉結構類似）

4.2 浮運載荷分析

浮運期間，拱肋遭受的載荷包括：拱肋自重、風荷載、以及在水流及波浪力作用下駁船升沉、縱搖、橫蕩、橫搖、艏搖等運動響應產生的慣性力。

4.2.1 風載荷

風載荷計算公式如下：

式中：S——拱肋、船舶受風構件的正投影面積，m2；

Ch——受風構件的高度系數；

Cs——受風構件形狀系數；

V——風速，m/s。

4.2.2 船舶運動載荷

應用基于勢流理論的格林函數邊界元方法，結合水動力分析軟件OCTOPUS，直接計算不規則波海況作用下不同航速半潛駁浮運拱肋時的運動響應。

在基于JONSWAP 波浪譜船舶運動響應分析過程中，假設輸入變量是波浪。波浪的大小由波浪譜密度函數Sx(ωe)表示，ωe為遭遇頻率。運動響應幅值（RAO）記作[Hj（ωe）]2，輸出變量是船舶運動響應y，船舶運動響應大小由響應譜密度函數Sy(ωe)表示：

船舶運動加速度是檢驗拱肋駁船運輸系固有效性的重要依據，其3 h 隨機海況下結果可通過計算Sy(ωe) 的譜矩獲得。在實際系固計算中，船的受力以加速度形式直接加載在計算模型，計算結果如表1 所示（滿足安全性要求）。

表1 船舶運動加速度

4.3 系固結構強度分析

4.3.1 支撐胎架安全校核

為評估拱肋浮運期間支撐胎架系固安全性，利用ANSYS 有限元分析軟件，建立拱肋和支撐胎架整體桿系有限元模型。計算模型中，拱肋和支撐胎架均采用梁單元，拱肋、支撐胎架截面及剛度按實際模擬。邊界條件設置如下：支撐胎架樁靴位置固結，支撐胎架頂與拱肋支撐點采用只受壓的彈性連接。

有限元模型，如圖9 所示。

圖9 拱肋和支撐胎架有限元模型

應力云圖，如圖10 所示。

圖10 拱肋和支撐胎架應力云圖

由圖10 可看出，在最不利的工況下，拱肋和支撐胎架局部應力分別為128.07 MPa 和125.01 MPa，均滿足容許應力210 MPa 要求。

4.3.2 限位基座安全校核

考慮對稱性，利用Patran&Nastran 有限元分析軟件對船艏位置的限位基座進行安全校核。有限元模型范圍為：縱向為FR23 至首部，橫向為整個型寬，垂向為整個型深。

以支撐胎架模型邊界條件處的支座反力作為限位基座主要的受力載荷依據，并考慮船體甲板均布載荷0.5 t/m2和舷外靜水壓力。

基座應力云圖，如圖11 所示。

圖11 基座應力云圖

船體甲板應力云圖，如圖12 所示。

船體框架應力云圖，如圖13 所示。

圖13 船體框架應力云圖

由圖11、12 和13 可以看出，在最不利的工況下限位基座、船體甲板、船體框架局部應力分別為99.4 MPa、106 MPa、194 MPa，均滿足容許應力210 MPa要求。計算結果也表明，拱肋受力傳遞被限位基座有效地分散到船體強框架，驗證了本文限位基座設計的合理性。

5 結論

從本文的拱肋整體提升架設方法中，半潛駁浮運的拱肋超長、超大重量（3 800 t），且懸臂長度大，容易因外力作用而產生破壞，拱肋系固難度大。本文對拱肋系固安全性進行深入研究，設計了專用的支撐胎架和限位基座，確保整個系固系統在建造、浮運、安裝過程中均處于可控狀態。計算結果表明：通過合理布置、設計系固結構，拱肋和系固結構在浮運過程中能夠滿足強度要求，項目實施具有安全性、可行性、可操作性，為鳳凰三橋安裝工程的順利實施提供了科學可靠的依據。其結果為超大跨度拱肋半潛駁浮運提供了寶貴經驗。