新造船塢墩布置經(jīng)驗和模糊計算方法

張立剛， 王其昌， 梁有祥

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司， 天津 300452)

新造船塢墩布置經(jīng)驗和模糊計算方法

張立剛， 王其昌， 梁有祥

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司， 天津 300452)

普通貨船在船塢內(nèi)建造時以塢墩為支撐體。塢墩承受船舶的重力，船舶受到塢墩的反力。如塢墩布置不當(dāng)，輕則塢墩受到損壞，重則造成船體結(jié)構(gòu)的損傷。生產(chǎn)實踐中我們利用常年積累的經(jīng)驗和模糊的計算方法來布置塢墩，保證了船舶的塢內(nèi)建造工作安全順利進(jìn)行，達(dá)到了安全可靠和優(yōu)化的目的。

船舶 船塢 塢墩 布置

1 前言

普通貨船，這里主要指常規(guī)的散貨船、油船和集裝箱船(三大主力船型)，在船塢內(nèi)建造時都是以塢墩為支撐體。塢墩承受船舶的重力，船舶受到塢墩的反力作用。如塢墩布置不當(dāng)，輕則塢墩受到損壞，重則造成船體結(jié)構(gòu)的損傷，這些都是船舶建造者所不愿意看到的。有些學(xué)者，用有限元等現(xiàn)代計算程序，提出了很多船體結(jié)構(gòu)和塢墩力學(xué)精準(zhǔn)的計算方法，確實可以起到保證船體結(jié)構(gòu)安全、優(yōu)化塢墩布置的作用，但是對于這些普通船型，船企更愿意利用常年積累的經(jīng)驗和模糊的計算方法來布置塢墩，同樣能達(dá)到安全可靠和優(yōu)化的目的。

2 塢墩的形式和承載能力

塢墩的基本形式一般為：下部為一個矩形或梯形的鋼筋水泥塊體，上部附以木材墊層和楔子，如圖1所示。因為鋼筋水泥塊承重能力遠(yuǎn)超木塊，所以塢墩的承重能力主要取決于所選木材的品種和質(zhì)量。通常選用硬度稍軟的木材，如各種松木，作為塢墩的墊層和楔子，成本較低且不易產(chǎn)生裂紋，但承載能力也較低。

新制塢墩或更換木質(zhì)材料時，應(yīng)對所選木材抽樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗。按規(guī)格裁好木塊，用油壓機(jī)施加壓力，木塊開始出現(xiàn)變形時的壓力值即為塢墩的安全載荷，木塊碎裂瞬間的壓力值即為極限載荷。木塊的安全載荷和極限載荷是布置塢墩時需要依據(jù)的基本數(shù)據(jù)。

圖1 塢墩形式

對于松木而言，壓力實驗表明，其極限荷載相當(dāng)于安全荷載的1.6倍以上。

3 塢墩布設(shè)位置的選擇

船舶規(guī)范和設(shè)計原理除了要滿足在各種使用工況下船舶自身強(qiáng)度需要外，還需滿足船舶在建造期間和運(yùn)營后維修期間的進(jìn)出塢時坐墩的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。反過來說，就是船舶的船底結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)基本確定了塢墩的布設(shè)位置。切合新造船的船底結(jié)構(gòu)形式，是選擇塢墩布設(shè)位置的第一要素。只要我們能夠很好地理解和應(yīng)用船舶設(shè)計原理和設(shè)計者的思想，就沒有必要因塢墩布設(shè)而對船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度擔(dān)憂，再去進(jìn)行這方面復(fù)雜且費(fèi)時的計算。作為塢墩布設(shè)位置的選擇，更多的是要在布設(shè)位置的合理性和墩列以及單個塢墩的承載能力分析上下功夫。

船底的平底區(qū)域、斜底船相對平緩的區(qū)域適宜布設(shè)塢墩。船底縱橫向強(qiáng)力結(jié)構(gòu)交叉處為最佳布墩位置，單一方向有強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位置次之，僅有普通結(jié)構(gòu)的位置再次之，無結(jié)構(gòu)的軟檔處不可布置。

以下位置不適宜布墩，需采取措施避開。

(1) 船底合攏口區(qū)域，周圍的墩位應(yīng)距此留有作業(yè)空間；

(2) 船底的各種開口、開孔處，如船底塞、外加電流陰極保護(hù)裝置、海底閥箱、計程儀和測深儀傳感器、舷外排管等，塢墩應(yīng)完全避開；

(3) 塢內(nèi)總組分段合攏階段安裝的外板標(biāo)記處，塢墩應(yīng)避開；

(4) 艙室及各種固定標(biāo)識處，塢墩應(yīng)盡量避開；

(5) 橫剖面型線切點延長線與水平線夾角大于26°時，塢墩在船舶重力作用下會發(fā)生橫向移動，失去塢墩對船舶的支撐作用，屬無效布置(見圖2)。

圖2 塢墩作用點無效布置示意圖

4 塢墩的列數(shù)和載荷分配

4.1 塢墩的列數(shù)

(1) 位于船底中龍骨位置的塢墩為龍骨墩，或稱中墩。箱型龍骨的船型通常布置兩列中墩，對船寬大于30 m的船型盡量布置兩列中墩，中墩的布置基本縱貫全船。單列中墩的長邊方向垂直于船體縱向中心線；兩列中墩在貨艙區(qū)間可呈“丁”字形布置，在肋板位置墩的長邊方向垂直于船體縱向中心線，非肋板位置墩的長邊方向則平行船體縱向中心線，在艏艉區(qū)域單列塢墩長邊方向垂直于船體縱向中心線。

(2) 在第一旁縱桁位置布設(shè)第一列邊墩。第一列邊墩應(yīng)縱貫所處的平底區(qū)域或與第一旁縱桁同長。視船底結(jié)構(gòu)形式，第一列邊墩可橫可縱或混合布設(shè)。

(3) 對于有第二、三旁縱桁的船型應(yīng)布設(shè)第二列邊墩、第三列邊墩。

(4) 對于有更多旁縱桁的寬大船型應(yīng)布設(shè)更多的邊墩。

(5) 艏艉區(qū)域及舭部布墩，由于艏艉區(qū)域線性較大，平底面積較小，可以布墩的位置有限且重量較大，應(yīng)增加塢墩的數(shù)量，盡可能每檔肋位均布墩。

根據(jù)以上原則可以初步繪制出“塢內(nèi)鋪墩圖”，下一步就要對塢墩的承載情況進(jìn)行計算。

4.2 塢墩的載荷分配

塢墩依照所在的墩列承受不同比例的載荷。所謂載荷就是“區(qū)域重量(后文詳述)”和船舶出塢重量(含壓載水和各種附加物)平均分布于作用在該區(qū)域和所有塢墩上的重力。

考慮到分配到每個塢墩的載荷的不均衡性和不確定性，一般取實際載荷的1.6倍作為計算載荷。圖3可供使用時參考，圖中各百分?jǐn)?shù)為分配在墩列上的區(qū)域重量。

4.3 區(qū)域重量

船舶的重量在出塢入水之前最終都要全部作用在塢墩上，但是不能簡單的認(rèn)為同一墩列中的每個塢墩承受的載荷是相等的，原因如下。

圖3 塢墩的載荷分配圖

(1) 在塢內(nèi)搭載過程中船體分段或總段是按照先后順序逐個安放在塢墩上的,這就導(dǎo)致局部的部分塢墩首先要承受位于其上的船舶的局部區(qū)域的重量(船體分段或總段)，此時相鄰其它總段尚未安放到塢墩上。為此，就需要核算對應(yīng)船總段區(qū)域的數(shù)個塢墩所承受的載荷。

(2) 船舶不同區(qū)域的功能及結(jié)構(gòu)形式不同、導(dǎo)致不同區(qū)域的單位面積內(nèi)的重力不同，那么單墩受力也就不同。

(3) 船舶不同區(qū)域的外板線型不同，貨艙底較為平緩，首尾機(jī)艙區(qū)域較為尖瘦，單位面積內(nèi)能夠擺放的塢墩數(shù)量不同，導(dǎo)致不同區(qū)域的單墩受力不同。

基于以上原因，我們結(jié)合分段劃分圖和搭載順序，將一條船劃分成幾個區(qū)域，分別匯總每個區(qū)域的結(jié)構(gòu)和舾裝重量，如艏部區(qū)域、機(jī)艙艉部及上建區(qū)域、貨艙區(qū)域，其中貨艙區(qū)域可按分段總組情況再拆分成幾個小區(qū)域。如果在出塢時該區(qū)域的某些艙室需要加注壓載水，那么這部分重量也要疊加進(jìn)去，從而計算出區(qū)域重量，也就是該區(qū)域所有塢墩承受的總重量，然后對該區(qū)域內(nèi)的塢墩進(jìn)行載荷計算。

一般情況下，區(qū)域的劃分可與底部分段或總段的劃分相一致。區(qū)域劃分后，區(qū)域重量的匯總有兩種方法。

第一種方法為按照該區(qū)域內(nèi)所有結(jié)構(gòu)、舾裝及壓載水的重量計算出區(qū)域重量。由于上部分段不一定會與底部分段或總段的位置一致，需要拆分、合并已經(jīng)計算好的上部分段或總段的重量，統(tǒng)計時工作量會較大，若這樣就可以結(jié)合第二種方法。

第二種方法是結(jié)合區(qū)域劃分利用“空船重量分布曲線”，匯總出該區(qū)域的空船重量再加上相應(yīng)的壓載水重量作為區(qū)域重量。圖4為某船的塢墩區(qū)域劃分圖。

5 塢墩承載計算

5.1 區(qū)域塢墩承載計算

在塢墩布設(shè)和區(qū)域劃分已經(jīng)初步完成后，就要進(jìn)行塢墩的承載計算。計算方法相對很簡單，將區(qū)域重量按照該區(qū)域的墩列位置和數(shù)量分配到每個塢墩上。

計算舉例：

某區(qū)域塢墩布置如圖5所示。

已知：區(qū)域重量W總=1 607t；中墩數(shù)量N中=24；第一邊墩數(shù)量N邊1 =18；第二邊墩數(shù)量N邊2=12。

單個墩計算如下：

中墩單墩載荷=70%×W總/N中= 0.7×1 607/28=40.18t

第一邊墩單墩載荷=25%×W總/N邊1=0.25×1 607/18 =22.32t

第二邊墩單墩載荷=20%×W總/N邊2=0.20×1 607/12 =26.78t

圖4 某船空船重量分布曲線

圖5 塢墩布置圖例

5.2 整條船塢墩承載計算

將新造船的出塢重量(含壓載水和各種附屬物)，分配到各列塢墩上，進(jìn)而計算出每個塢墩的承載。

同一位置塢墩的承載會與區(qū)域計算時結(jié)果不同，這說明船體成型后，重量重新分配，更加接近于實際的承載。

6 塢墩強(qiáng)度校核

塢墩的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為試驗得來的塢墩安全載荷。

區(qū)域計算和整體計算中墩列和單個塢墩承載為強(qiáng)度校核對象。

(1) 計算承載小于等于塢墩的安全荷載為合格。

(2) 計算承載減去安全承載的差值大于安全荷載的30%，且此類塢墩的數(shù)量不大于塢墩總數(shù)的30%時為可以使用。

(3) 兩者中有之一大于30%時，應(yīng)調(diào)整塢墩位置和增加塢墩數(shù)量并重新計算，直到滿足要求為止。

通過強(qiáng)度校核，可能會發(fā)現(xiàn)一些實際承載不足安全載荷30%的塢墩，對于這些塢墩可以去掉(對船體塢內(nèi)合攏有支撐作用者除外)，使塢墩布設(shè)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

7 需要說明的問題

(1) 臨時支撐。船舶合攏過程中，臨時支撐是不可或缺的。在區(qū)域計算時，必須計及其存在的支撐作用；但在整體計算時不再考慮其存在，因為在船舶出塢之前臨時支撐將被拆除，船舶重量只由塢墩承受。

(2) 塢底的安全性。對于普通貨船在船塢內(nèi)建造，擔(dān)心船塢塢底的安全性是多余的，除非船塢出現(xiàn)了質(zhì)量問題。第一，船塢的設(shè)計和建造就是為了造修船，必須符合相應(yīng)的規(guī)范和設(shè)計要求，不需船舶建造師為其擔(dān)心；第二，塢墩的木質(zhì)部分在承受船舶重量時沒有損壞，則更無須對塢底的強(qiáng)度擔(dān)心。

當(dāng)然，對于三大主力船型以外的船型和其它海上構(gòu)筑物，如自升式海洋平臺或半潛式海洋平臺，在船塢內(nèi)建造時，核算塢底的安全性可能會是必要的。因為此時自升平臺的全部重量由面積很小的樁靴承擔(dān)，半潛平臺的全部重量由面積較小的浮筒承擔(dān)，那么樁靴或浮筒下邊的塢底將承受很大的應(yīng)力。

8 結(jié)論

我們認(rèn)為在實際工程中，所謂經(jīng)驗是長期理論和實踐結(jié)合的產(chǎn)物；所謂模糊計算也是提取、利用已有的專業(yè)研究成果和計算原理，將看似復(fù)雜的事物簡單處理的方法。這些用于指導(dǎo)新造船的塢墩布置已經(jīng)足夠了。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司.CB/T3677-1995.船舶進(jìn)出干船塢技術(shù)要求[S].1995.

[2] 黃浩.船體工藝手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3] 齊振聰?shù)?塢內(nèi)鋪墩圖設(shè)繪要求[S].天津新港船舶重工有限責(zé)任公司,2011.

The Docking Blocks Arrangement Experience and Fuzzy Calculation Method for New Building Vessel

ZHANG Li-gang, WANG Qi-chang， LIANG You-xiang

(Tianjin Xingang Shipbuilding Heavy Industry Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

The docking blocks are the support for new building ordinary cargo vessel in dock. The docking blocks take the gravity of the vessel and the vessel get the reaction force from docking blocks. If the docking blocks arrangement is not effective, the docking blocks might be damaged, even the hull might be partial damaged. Usually we arrange the docking blocks base on experience and fuzzy calculation method, which ensure the building process of vessel safely and smoothly, and also economical.

Vessel Dock Docking block Arrangement

張立剛(1975-)，男，高級工程師。

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