大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术.pdf

收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:上海市科委社会发展领域重大项目(D Z ),国家自然科学基金()资助项目作者简介:魏良孟(),工程师,主要从事打捞及海洋工程研究通信作者:朱小东,高级工程师;E m a i l:z x d c o e s c n 文章编号:()S D O I:/j c n k i j s j t u S 大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术魏良孟,朱小东,易欠,崔进,周东荣(交通运输部上海打捞局,上海 )摘要:以“长江口二号”沉船整体打捞作业为背景,设计相应的打捞方案,采用弧形梁系统方式进行打捞在正式穿引弧形梁前,需将端板纵梁组合体(打捞框架)吊装并沿着定位桩下放至海底为确保穿梁过程的顺利进行,在设计吊装方案时需考虑在吊放过程中为控制打捞框架发生变形,设计了一套可多点吊装吊架的吊装方案,并采用具有一定弹性的环形吊带作为连接吊架与打捞框架的连接索具,可在有效控制打捞框架整体变形的基础上对打捞框架整体受力具有一定的缓冲作用该研究验证了此吊装下放方案的可行性,为大吨位沉船整体打捞的打捞框架吊装下放提供技术支撑,同时也为后续类似大型钢结构高变形要求的海上吊装及下放提供一定的借鉴作用关键词:沉船打捞;弧形梁;打捞框架;吊装中图分类号:U 文献标志码:AL i f t i n ga n dL o w e r i n go fS a l v a g eF r a m e f o rI n t e g r a lS a l v a g eo f L a r g eT o n n a g eW r e c kWE IL i a n g m e n g,ZHUX i a o d o n g,Y IQ i a n,C U IJ i n,ZHO UD o n g r o n g(S h a n g h a iS a l v a g eo f t h eM i n i s t r yo fT r a n s p o r t,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:A w r e c ks a l v a g es c h e m ei sd e s i g n e df o rt h ei n t e g r a ls a l v a g eo f“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r yI I”a n c i e n t s h i p,u s i n gt h ec u r v e db e a ms y s t e mt oi m p l e m e n ts a l v a g e B e f o r ef o r m a l l yt h r e a d i n gt h ec u r v e db e a m,t h ee n dp l a t e l o n g i t u d i n a lb e a ma s s e m b l y(s a l v a g e f r a m e)s h o u l db eh o i s t e da n d l o w e r e dt ot h es e ab o t t o ma l o n gt h ep o s i t i o n i n gp i l e I no r d e r t oe n s u r et h es m o o t hp r o g r e s so f t h eb e a mt h r e a d i n gp r o c e s s,t h eh o i s t i n gs c h e m e s h o u l db e c o n s i d e r e d i n t h ed e s i g no f t h eh o i s t i n gs c h e m e t oc o n t r o l t h ed e f o r m a t i o no ft h e f i s h i n gf r a m ed u r i n gt h eh o i s t i n gp r o c e s s,a n das e to fm u l t i p o i n th o i s t i n gs c h e m ei sd e s i g n e d I na d d i t i o n,t h er i n gs l i n gw i t hc e r t a i ne l a s t i c i t yi su s e da st h ec o n n e c t i n gr i g g i n gt oc o n n e c t t h eh a n g e ra n dt h e f i s h i n gf r a m e,w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h eo v e r a l ld e f o r m a t i o no ft h ef i s h i n gf r a m ea n dh a v eac e r t a i nb u f f e r i n ge f f e c to nt h eo v e r a l l f o r c eo f t h ef i s h i n gf r a m e T h i ss t u d yv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo f t h i sl i f t i n ga n d l o w e r i n gs c h e m e,w h i c hc a n i m p r o v e t h e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r l i f t i n ga n d l o w e r i n go f t h e s a l v a g ef r a m e f o r t h eo v e r a l l s a l v a g eo f l a r g e t o n n a g e s h i p w r e c k s i n t h e f u t u r e,p r o v i d i n ga c e r t a i n r e f e r e n c e f o r t h es u b s e q u e n to f f s h o r el i f t i n ga n dl o w e r i n go fs i m i l a rl a r g e s c a l es t e e ls t r u c t u r e s w i t hh i g hd e f o r m a t i o nr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s:w r e c ks a l v a g e;c u r v e db e a m;s a l v a g e f r a m e;l i f t i n g第 卷 增刊 年 月上 海 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FS HAN GHA I J I AOT ON GUN I V E R S I T YV o l S u p O c t 增刊魏良孟,等:大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术 工程简介 年,上海打捞局受上海市文物保护研究中心委托,对“长江口二号”沉船累计进行了次探摸调查,确认该沉船为清代同治年间的海上贸易商船,其船载文物和船体本身具有重要的考古价值,需要按沉船遗址进行整体迁移沉船情况如图和图所示,具体参数为:艏向 ,左倾 左右,右舷中部最大露出泥面m,左舷埋泥下 m,右舷的海床比左舷低 m,沉船处水深 m沉船主尺度:船长 m,船宽 m,最大埋深约 m,最大埋泥宽度约 m图“长江口二号”古船水下姿态图(mm)F i g “U n d e r w a t e rg e s t u r eo f“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r yI I”a n c i e n t s h i p(mm)图“长江口二号”古船水下三维成像图F i g U n d e r w a t e r D s c a ni m a g eo f“Y a n g t z e R i v e rE s t u a r yI I”a n c i e n t s h i p经过长达年的准备工作及个月紧张的海上施工,上海打捞局克服了重重技术难关,严格按照上海市文物保护中心对整体打捞古船“原生性、完整性、安全性”的要求,最终于 年 月顺利完成“长江口二号”整体提升工作在整体打捞过程中,打捞框架的整体起吊及下放是整体打捞方案中的关键一环,直接影响后续的穿弧形梁作业后续弧形梁穿引作业过程中,弧形在甲板上预置于发射架内,发射架通过销轴固定在纵梁上,启动液压装置进行穿梁作业,只有确保打捞框架变形达到穿梁允许的公差要求,后续穿梁作业才能顺利进行 打捞框架吊装下放计算打捞框架主尺寸为长 m、宽 m、高m,因弧形梁穿梁技术要求打捞框架下放完成后纵梁变形不超过 mm,所以要求打捞框架起吊下放时候尽可能保持水平起吊及下放,以保证打捞框架下放到位时可以满足弧形梁的穿梁条件常规的单钩或双钩直接吊装的方式难以确保如此高的精度要求,经研究设计得到吊装方案:上方采用根等长的平衡钢丝连接吊架及浮吊船吊钩,下方采用具有微小弹性缓冲的环形吊带连接打捞框架及吊架根据拟定吊装方案,采用大型通用有限元软件AN S Y S ,建立顶梁和弧形梁整体结构的有限元计算模型,并进行求解分析和后处理所有的板材均采用节点壳单元S h e l l 进行模拟,所有骨材均采用节点梁单元b e a m 进行模拟,对于顶梁和弧形梁整体结构有限元模型,弧形梁和顶梁之间的销轴采用MP C 单元模拟依此建模模拟打捞框架下放吊运过程,设置 个吊点,每个吊点施加简支约束,打捞框架吊装下放过程中的自身质量,由软件自动加载重力加速度,动力放大系数取 ,载荷和边界条件有限元模型如图所示根据钢结构设计标准G B ,强度设计值按表选取图打捞框架载荷和边界条件F i g L o a da n db o u n d a r yc o n d i t i o n so f s a l v a g e f r a m e有限元计算结果如图所示其中DMX表示最大位移,S MN表示最小应力,S MX表示最大应力;F A C T表示屈曲特征值;有限元计算结果汇总如表所示打捞框架在本吊装方案边界条件下最大变形为 mm,最大等效应力为 MP a,小于许用值 MP a;最大剪应力为 MP a,小于许用值 MP a,说明此结构能够满足设计要求;屈曲特征值为 ,大于,即结构的失稳临界载荷大于设计载荷,说明此结构具有较好的结构稳定性,在实际应用中不会发生整体失稳 上海交通大学学报第 卷表钢材的设计用强度指标T a b S t r e n g t hi n d e xf o r s t e e l d e s i g n钢材牌号钢材厚度或直径/mm强度设计值/MP a抗拉、抗压、抗弯抗剪碳素结构钢Q 低合金高强度结构钢Q ,图等效应力云图F i g C l o u dd i a g r a mo f e q u i v a l e n t s t r e s s图剪应力云图F i g C l o u dd i a g r a mo f s h e a r s t r e s s图总变形云图F i g C l o u dd i a g r a mo f t o t a l d e f o r m a t i o n图屈曲结果云图F i g C l o u dd i a g r a mo fb u c k l i n gr e s u l t表有限元计算结果T a b R e s u l t so f f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s项目应力类型应力最大值/MP a应力许用值/MP a最大变形/mm屈曲特征值评估结果等效应力 O K剪应力 O K 吊架设计根据打捞框架吊装下放时的应力分析结果,如采用传统的吊装方法单钩或者双钩进行直接挂钩起吊,由于打捞框架长宽为 m m及吊机吊高的限制,导致打捞框架直接通过钢丝绳连吊钩起吊,钢丝绳与打捞框架有比较小的角度,会对纵梁产生轴向挤压,可能造成严重的纵梁结构变形,所以考虑使用专用吊架辅助打捞框架起吊及下放根据设计的吊装方案拟定吊架与吊钩之间使用对称的根平衡钢丝起吊,吊架与打捞框架之间使用环形吊带连接使用吊架的目的是尽可能减小打捞框架在起吊及下放过程中的变形,以免影响后续的弧形梁穿引作业 根据吊架吊装方案,选取整个结构平稳起吊时的工况进行计算,所受载荷为结构自身质量及吊索具自身质量,考虑安全系数取总质量为 t,由软件自动加载重力加速度,动力放大系数取 ,通过有限元对设计结果进行校核,有限元计算结果如图 所示图 中DxDyDz为x y z方向的变形;结构设计如图 所示,有限元计算结果汇总如表所示通过以上有限元分析结果可知,吊架在本吊装方案边界条件下最大变形为 mm,最大等效应力为 MP a,小于许用值为 MP a,说明此增刊魏良孟,等:大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术 图整体结构设计模型F i g D e s i g nm o d e l o fo v e r a l l s t r u c t u r a l图吊架模型F i g M o d e l o f l i f t i n gb e a m图 边界条件F i g B o u n d a r yc o n d i t i o n s图 载荷工况(N)F i g L o a dc o n d i t i o n(N)图 总变形云图F i g C l o ud i a g r a mo f t o t a l d e f o r m a t i o n图 吊索r o d单元轴向力F i g A x i a l f o r c e o f s l i n gr o de l e m e n t 上海交通大学学报第 卷图 吊架b e a m单元合成应力F i g B e a me l e m e n tV o n m i s e ss t r e s so f l i f t i n gb e a m图 打捞框架吊架组装S o l i d w o r k s设计模型F i g A s s e m b l yd e s i g n m o d e lo fl i f t i n gb e a m o fs a l v a g e f r a m eb yS o l i d w o r k s表有限元计算结果T a b R e s u l t so f f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s项目参数有限元计算值(最大值)许用值评估结果备注打捞框架吊架位移/mm O K梁的合成应力/MP a O K梁的最大压应力/MP a(H m m/m m)O K梁的最大压应力/MP a(H m m/m m)O K无屈服评估屈曲评估(参考 钢制海船入籍规范 第章)屈曲评估(参考 钢制海船入籍规范 第章)结构 能 够 满 足 设 计 要 求;最 大 压 应 力 为 MP a,远小于最小临界屈曲应力为 MP a,满足屈曲强度要求综上所述,此种吊架设计形式及起吊方式满足设计要求吊索配置根据图 所示的有限元计算结果可知,吊架上方钢丝绳受力为 k N,安全系数取 倍,总破断应大于 k N考虑浮吊船吊高及被吊物吊装距离,结合钢丝绳后续项目可重复利用性,选用根直径 mm、单根长 m的钢丝绳,要求压制后成品破断力不小于 MN根据图 所示的有限元计算结果可知,吊架与打捞框架之间连接点受力都小于 t,因此选用同种规格的安全负荷 t的m环形吊带,一端通过 t弓形卸扣与吊架相连因打捞框架吊耳较厚,所以选用 t弓形卸扣匹配连接因整体提升设计需要,在打捞框架下放阶段,打捞框架四角的起吊吊架不能安装,因此打捞框架与吊架连接的个角采用可调节的安全负荷 t花篮螺栓连接使用时根据吊点结构物高差情况调节花篮螺栓长度,使得吊架与打捞框架之间的 吊点可以同时均匀受力,保证打捞框架水平起吊并下放具体吊索配置情况如表及图 所示表打捞框架整体下放吊索配置T a b O v e r a l l s l i n gc o n f i g u r a t i o nf o r s a l v a g e f r a m e序号名称规格数量总质量/t备注端板顶梁 m m m约 无吊架 m mm约 无钢丝绳直径 mm,长约 m约 压制后成品破断力不小于 MN环形吊带安全负荷 t m 约 周长为m卸扣安全负荷 t 弓形卸扣卸扣安全负荷 t 弓形卸扣卸扣安全负荷 t直形卸扣花篮螺栓安全负荷 t约 无增刊魏良孟,等:大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术 图 打捞框架整体下放吊索配置图(m)F i g O v e r a l ll o w e r i n g s l i n g c o n f i g u r a t i o n o fs a l v a g e f r a m e(m)现场施工 整体下放吊索预装根据海上安装登高作业的安全要求,需尽可能减少在晃动情况下的登高作业,因此计划将用于整体起吊的根起吊钢丝绳通过 只卸扣预先安装至吊架上并用细尼龙绳绑扎固定,如图 所示待海上施工正式下放时,可直接挂钩解绑后拉断细尼龙绳进行下放作业,以节约时间及减少登高作业 吊架预装至打捞框架打捞框架组装完成并完成发射架及弧形梁穿梁调试后,为节约海上施工时间及减小海上安装风险,在前往施工现场前,需将吊架预安装至打捞框架上,如图 所示根据吊索配置,使用卸扣及环形吊带将吊架与打捞框架完成连接,吊机提起吊架至 t图 吊索预装F i g P r e i n s t a l l a t i o no f s l i n g图 吊架预装F i g P r e i n s t a l l a t i o no f l i f t i n gb e a m 上海交通大学学报第 卷左右并放松多次,调节花篮螺栓,使得四角组花篮螺栓与环形吊带受力大致相同;将吊架放置于预装在驳船上的支撑架上,施工固定式眼板及拉索对吊架进行绑扎固定 打捞框架正式下放浮吊船及运输船到达现场后,根据天气窗口要求和吊装方案,将根平衡钢丝挂在浮吊船的主钩上,然后分别对吊架及打捞框架进行解绑作业浮吊船起钩通过吊架将打捞框架水平起吊,沿着预先安装在海底的定位桩进行下放,如图 和 所示图 打捞框架整体起吊F i g I n t e g r a l l i f t i n go f s a l v a g e f r a m e图 打捞框架整体下放F i g L o w e r i n go f s a l v a g e f r a m e 结果与分析由现场正式施工打捞框架下放结果研究分析可知,采用吊架进行吊装的方案能很大程度减小纵梁因吊装产生的变形,打捞框架实际下放后的变形情况与有限元计算结果相吻合,可以满足后续穿梁作业通过正式施工作业验证了方案的完整性,吊装时采取吊架的方式进行吊装,进行力的水平分摊,对于控制大尺寸高精度要求的结构物吊装具有良好的效果及实用性 结语通过基于“长江口二号”古船整体打捞项目的特殊作业情况,研究大吨位沉船整体打捞打捞框架吊装下放技术,设计采用吊架的吊装方法,可以极大减少单钩或双钩吊装时因钢丝绳角度对大尺寸重物产生的挤压,能更有效地控制受力分布,减小被吊物的变形然而由于“长江口二号”古船整体项目的特殊性要求,在设计时忽略了一些不必要的因素,具有一定的特殊性及局限性,但“长江口二号”古船后续穿梁作业的顺利完成,也验证了此吊装下放方案的可行性,对后续类似大尺寸、大吨位、高精度的吊装作业具有一定的借鉴作用参考文献:朱海荣,周怡和,蒋哲,等大深度大吨位打捞用托底钢梁设计J航海,():Z HU H a i r o n g,Z HOUY i h e,J I AN GZ h e,e t a l D e s i g no fb o t t o m s u p p o r t i n gs t e e lb e a mf o r l a r g e d e p t ha n dl a r g e t o n n a g es a l v a g eJN a v i g a t i o n,():刘雨,孙丽萍,陈世海,等“世越号”沉船打捞工程中的船 首 起 吊 计 算 分 析 J中 国 造 船,():L I U Y u,S UNL i p i n g,CHE NS h i h a i,e t a l C a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fb o wl i f t i nS EWO Ls a l v a g ep r o j e c tJS h i p b u i l d i n go fC h i n a,():唐旭沉船打捞过程中的方案优选及结构加强方法研究D镇江:江苏科技大学,TANGX u S t u d yo ns c h e m eo p t i m i z a t i o na n ds t r u c t u r a l s t r e n g t h e n i n gm e t h o di nt h ep r o c e s so fs h i p w r e c ks a l v a g eDZ h e n j i a n g:J i a n g s u U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,王立军 钢结构设计标准 简述:G B J钢结构,():WAN GL i j u n I n t r o d u c t i o no f s p e c i f i c a t i o n f o rd e s i g no fs t e e ls t r u c t u r e:G B JS t e e lC o n 增刊魏良孟,等:大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术 s t r u c t i o n,():甘泉,韩伟,沈佳铭,等基于AN S Y S W o r k b e n c h的细长压杆屈曲分析研究J石化技术,():G AN Q u a n,HAN W e i,S HE N J i a m i n g,e ta lB u c k l i n ga n a l y s i so ns l e n d e rs t r u tb a s e do nAN S Y SW o r k b e n c hJP e t r o c h e m i c a lI n d u s t r yT e c h n o l o g y,():付殿福,韩频,孙钦,等大型组块海上整体吊装方案优选研究J船海工程,():F UD i a n f u,HAN P i n,S UN Q i n,e ta lO p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho no f f s h o r ei n t e g r a ll i f t i n gp r o j e c tf o rl a r g ed e c kJ S h i p&O c e a nE n g i n e e r i n g,():张传荣,谢晖,陈程,等三维可视化吊装模块设计与应用C第十七届中国科协年会 分中国海洋工程装备技术论坛论文集北京:中国科学技术协会学会学术部,:Z HAN GC h u a n r o n g,X I EH u i,CHE NC h e n g,e t a lD e s i g na n da p p l i c a t i o no f D v i s u a l i z a t i o nh o i s t i n gm o d u l eCP r o c e e d i n g s o f t h e t hC h i n aA s s o c i a t i o nf o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA n n u a lC o n f e r e n c e p a r tC h i n aO c e a nE n g i n e e r i n gE q u i p m e n tT e c h n o l o g yF o r u mB e i j i n g,C h i n a:A c a d e m i cD e p a r t m e n to ft h eC h i n e s e A s s o c i a t i o n f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,:高福聚,俞军峰,候锁板式吊耳局部应力有限元分析研究C第十六届全国现代结构工程学术研讨会论文集天津:全国现代结构工程学术研讨会学术委员会,:GA OF u j u,YUJ u n f e n g,HOUS u o F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f l o c a l s t r e s s i np l a t e t y p e l i f t i n g l u g sCP r o c e e d i n g so ft h e t hN a t i o n a lS y m p o s i u mo n M o d e r nS t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g T i a n j i n,C h i n a:A c a d e m i cC o mm i t t e eo ft h e N a t i o n a lS y m p o s i u m o n M o d e r nS t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g,:赵飞,刘伯强,袁刚浅谈S o l i d w o r k s在钢结构安装仿真模拟技术中的应用C中国钢结构协会第五次全国会员代表大会暨学术年会论文集北京:工业建筑杂志社,:Z HA OF e i,L I UB o q i a n g,YUANG a n g Ab r i e f d i s c u s s i o no n t h e a p p l i c a t i o n o f S o l i d w o r k si n s t e e ls t r u c t u r ei n s t a l l a t i o ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g yCP r o c e e d i n g so f t h eF i f t hN a t i o n a lM e m b e rR e p r e s e n t a t i v eC o n f e r e n c ea n d A c a d e m i cA n n u a lC o n f e r e n c eo ft h eC h i n aS t e e lS t r u c t u r eA s s o c i a t i o n B e i j i n g,C h i n a:I n d u s t r i a lA r c h i t e c t u r eJ o u r n a l,: