上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 170-177 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.22

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 200090

Lifting and Lowering of Salvage Frame for Integral Salvage of Large Tonnage Wreck

WEI Liangmeng, ZHU Xiaodong,, YI Qian, CUI Jin, ZHOU Dongrong

Shanghai Salvage of the Ministry of Transport, Shanghai 200090, China

通讯作者: 朱小东,高级工程师;E-mail:zxd@coes.cn.

收稿日期: 2023-07-1   修回日期: 2023-07-20   接受日期: 2023-08-20  

基金资助: 上海市科委社会发展领域重大项目(21DZ1201103)
国家自然科学基金(52278407)

Received: 2023-07-1   Revised: 2023-07-20   Accepted: 2023-08-20  

作者简介 About authors

魏良孟(1985-),工程师,主要从事打捞及海洋工程研究.

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

Abstract

A wreck salvage scheme is designed for the integral salvage of “Yangtze River Estuary II” ancient ship, using the curved beam system to implement salvage. Before formally threading the curved beam, the end plate longitudinal beam assembly (salvage frame) should be hoisted and lowered to the sea bottom along the positioning pile. In order to ensure the smooth progress of the beam threading process, the hoisting scheme should be considered in the design of the hoisting scheme to control the deformation of the fishing frame during the hoisting process, and a set of multi-point hoisting scheme is designed. In addition, the ring sling with certain elasticity is used as the connecting rigging to connect the hanger and the fishing frame, which can effectively control the overall deformation of the fishing frame and have a certain buffering effect on the overall force of the fishing frame. This study verifies the feasibility of this lifting and lowering scheme, which can improve the technical support for lifting and lowering of the salvage frame for the overall salvage of large-tonnage shipwrecks in the future, providing a certain reference for the subsequent offshore lifting and lowering of similar large-scale steel structures with high deformation requirements.

Keywords： wreck salvage; curved beam; salvage frame; lifting

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本文引用格式

魏良孟, 朱小东, 易欠, 崔进, 周东荣. 大吨位沉船整体打捞中打捞框架吊装下放技术[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 170-177 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.22

WEI Liangmeng, ZHU Xiaodong, YI Qian, CUI Jin, ZHOU Dongrong. Lifting and Lowering of Salvage Frame for Integral Salvage of Large Tonnage Wreck[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(S1): 170-177 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.22

1 工程简介

2016—2019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4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1和图2所示,具体参数为:艏向15°,左倾25°左右,右舷中部最大露出泥面2 m,左舷埋泥下1.2 m,右舷的海床比左舷低0.9~1.0 m,沉船处水深9~12 m.沉船主尺度:船长38.6 m,船宽7.6 m,最大埋深约5.4 m,最大埋泥宽度约8.9 m.

图1

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图1   “长江口二号”古船水下姿态图(mm)

Fig.1   “Underwater gesture of “Yangtze River Estuary II” ancient ship (mm)


图2

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图2   “长江口二号”古船水下三维成像图

Fig.2   Underwater 3D scan image of “Yangtze River Estuary II” ancient ship


经过长达3年的准备工作及3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2022年11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.

2 打捞框架吊装下放计算

打捞框架主尺寸为长46 m、宽19 m、高9 m,因弧形梁穿梁技术要求打捞框架[1]下放完成后纵梁变形不超过10 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8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[2],采用大型通用有限元软件 ANSYS 16.2,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 4 节点壳单元 Shell 181 进行模拟,所有骨材均采用 2 节点梁单元 beam 188 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 MPC 184 单元模拟.依此建模模拟打捞框架下放吊运过程,设置24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1.5,载荷和边界条件有限元模型如图3所示.根据钢结构设计标准GB 50017—2017,强度设计值按表1 选取.

图3

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图3   打捞框架载荷和边界条件

Fig.3   Load and boundary conditions of salvage frame


表1   钢材的设计用强度指标

Tab.1  Strength index for steel design

钢材牌号钢材厚度或
直径/mm		强度设计值/MPa
抗拉、抗
压、抗弯		抗剪
碳素结构钢Q235≤16215125
>16, ≤40205120
>40, ≤100200115
低合金高
强度结构钢		Q345≤16305175
>16, ≤40295170
>40, ≤63290165

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有限元计算结果如图4~7所示.其中DMX表示最大位移,SMN表示最小应力,SMX表示最大应力;FACT表示屈曲特征值;有限元计算结果[3]汇总如表2所示.打捞框架在本吊装方案边界条件下最大变形为1.3 mm,最大等效应力为48 MPa,小于许用值295 MPa;最大剪应力为19.6 MPa,小于许用值170 MPa,说明此结构能够满足设计要求[4];屈曲特征值为182,大于1,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[5].

图4

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图4   等效应力云图

Fig.4   Cloud diagram of equivalent stress


图5

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图5   剪应力云图

Fig.5   Cloud diagram of shear stress


图6

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图6   总变形云图

Fig.6   Cloud diagram of total deformation


图7

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图7   屈曲结果云图

Fig.7   Cloud diagram of buckling result


表2   有限元计算结果

Tab.2  Results of finite element analysis

项目应力类型应力
最大值/
MPa		应力
许用值/
MPa		最大
变形/mm		屈曲
特征值		评估
结果
1等效应力482951.3182OK
2剪应力19.61701.3182OK

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3 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46 m×19 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8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[6⇓-8].

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 1040 t,由软件自动加载重力加速度,动力放大系数取1.5,通过有限元对设计结果进行校核,有限元计算结果如图8~14所示.图10中DxDyDz为xyz方向的变形;结构设计如图15所示[9],有限元计算结果汇总如表3所示.

图8

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图8   整体结构设计模型

Fig.8   Design model of overall structural


图9

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图9   吊架模型

Fig.9   Model of lifting beam


图10

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图10   边界条件

Fig.10   Boundary conditions


图11

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图11   载荷工况 (N)

Fig.11   Load condition (N)


图12

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图12   总变形云图

Fig.12   Clou diagram of total deformation


图13

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图13   吊索rod 单元轴向力

Fig.13   Axial forceof sling rod element


图14

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图14   吊架beam 单元合成应力

Fig.14   Beam element Vonmises stress of lifting beam


图15

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图15   打捞框架吊架组装Solidworks设计模型[9]

Fig.15   Assembly design model of lifting beam of salvage frame by Solidworks[9]


表3   有限元计算结果

Tab.3  Results of finite element analysis

项目参数有限元计算值
(最大值)		许用值评估
结果		备注
打捞框架位移/mm8.09710OK无
吊架梁的合成应力/MPa93.14235OK屈服评估
梁的最大压应力/MPa
(H400 m×21 m/400 m×13 m)		-49.29-224.6OK屈曲评估(参考《钢制海船入籍规范2018》第8章)
梁的最大压应力/MPa
(H300 m×15 m/300 m×10 m)		-34.75-205.6OK屈曲评估(参考《钢制海船入籍规范2018》第8章)

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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8.097 mm,最大等效应力为93.14 MPa,小于许用值为235 MPa,说明此结构能够满足设计要求;最大压应力为 49.29 MPa,远小于最小临界屈曲应力为 205.58 MPa,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.

4 吊索配置

根据图11所示的有限元计算结果可知,吊架上方钢丝绳受力为 1023.8 kN,安全系数取4.5倍,总破断应大于 4607 kN.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8根直径90 mm、单根长53 m的钢丝绳,要求压制后成品破断力不小于 4.7 MN.

根据图13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60 t,因此选用同种规格的安全负荷60 t的3 m环形吊带,一端通过85 t弓形卸扣与吊架相连.因打捞框架吊耳较厚,所以选用200 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4个角采用可调节的安全负荷65 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24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4及图16所示.

表4   打捞框架整体下放吊索配置

Tab.4  Overall sling configuration for salvage frame

序号名称规格数量总质量/t备注
1端板+顶梁19 m×46.5 m×10.2 m1约750无
2吊架45 m×16 m×6 m1约120无
3钢丝绳直径90 mm,长约53 m8约15压制后成品破断力不小于4.7 MN
4环形吊带安全负荷65 t×3 m24约4.8周长为6 m
5卸扣安全负荷85 t363.2弓形卸扣
6卸扣安全负荷200 t205弓形卸扣
7卸扣安全负荷200 t41直形卸扣
8花篮螺栓安全负荷65 t4约0.5无

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图16

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图16   打捞框架整体下放吊索配置图(m)

Fig.16   Overall lowering sling configuration of salvage frame (m)


5 现场施工

5.1 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8根起吊钢丝绳通过16只卸扣预先安装至吊架上并用细尼龙绳绑扎固定,如图17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.

图17

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图17   吊索预装

Fig.17   Preinstallation of sling


5.2 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18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150 t左右并放松多次,调节花篮螺栓,使得四角4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.

图18

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图18   吊架预装

Fig.18   Preinstallation of lifting beam


5.3 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8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19和20所示.

图19

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图19   打捞框架整体起吊

Fig.19   Integral lifting of salvage frame


图20

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图20   打捞框架整体下放

Fig.20   Lowering of salvage frame


5.4 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.

6 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.

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