7000t舉力浮船塢泊碇設(shè)計與計算

王 輝

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司 上海201612）

引 言

浮船塢簡稱浮塢，是一種用于修船、造船的工程船舶。通常，浮船塢都是泊碇于固定場所進(jìn)行作業(yè)的，不同的浮船塢可以采用不同的泊碇方式。浮船塢的設(shè)計主要依據(jù)各船級社的相關(guān)規(guī)范。關(guān)于浮船塢泊碇系統(tǒng)的設(shè)計，各船級社尚缺乏具體指民意見。本文以7000 t舉力浮船塢為例，對其泊碇系統(tǒng)的設(shè)計和受力計算進(jìn)行探討。

17000 t舉力浮船塢概況

該塢為一艘修船塢，主要用于7000 t及以下的船舶維修，入CCS級，該塢的設(shè)計和建造滿足船級社相關(guān)規(guī)范［1］和海事局法規(guī)［2］。

該塢主尺度如下：

最大舉升能力 7000 t

總長 132.00 m

浮箱長 120.00 m

浮塢外寬 35.00 m

頂甲板距基線 14.00 m

浮箱高度 3.70 m

最大沉深 12.20 m

工作吃水 3.25 m

該塢是整體式鋼質(zhì)浮船塢，底部浮箱與兩舷塢墻連續(xù)且不可分開。浮箱由3道水密縱艙壁和7道水密橫艙壁分隔成24個壓載水艙和4個干式泵艙，左右泵艙由橫向管弄連接。浮箱首尾端各設(shè)有6 m長的鋼質(zhì)平臺，作為浮箱兩端的延伸部分。該塢用于船廠碼頭附近的遮蔽水域，浮塢主電源由電纜連接岸電提供。圖1為7000 t舉力浮船塢俯視圖。

2 7000t舉力浮船塢泊碇方式設(shè)計

浮船塢的泊碇方式大致可分為三類：錨泊泊碇方式、抱樁泊碇方式和撐桿泊碇方式［3］。錨泊泊碇是一種用錨鏈和錨塊泊碇的方式，通常是在浮船塢的橫向和縱向同時拋出數(shù)根錨鏈，錨鏈上端與塢體相連，錨鏈下端與埋于水下的錨塊連接，以抵抗作用于浮船塢上的風(fēng)浪流載荷。抱樁泊碇是用民柱加卡環(huán)的一種泊碇方式，通常采用兩根民柱加卡環(huán)的組合。民柱由上、下基座支承，卡環(huán)由活動半卡環(huán)和固定半卡環(huán)組成，卡環(huán)的內(nèi)圈嵌有一圈護(hù)木可起緩沖作用，圖2為抱樁泊碇示意圖。撐桿泊碇方式是用撐桿來抵抗作用于浮船塢上的風(fēng)浪流等載荷，撐桿泊碇方式僅在早期小型浮船塢上有采用，現(xiàn)已很少見。

圖2 浮船塢抱樁泊碇布置示意圖

根據(jù)船廠碼頭附近水域的風(fēng)浪流條件及7000 t舉力浮船塢本身情況和船廠使用要求，7000 t舉力浮船塢采用錨泊泊碇方式。錨泊泊碇方式的優(yōu)點是對波浪力和風(fēng)力不敏感：當(dāng)受到風(fēng)浪流等外載荷時，浮船塢將產(chǎn)生一定幅度的運動，而不會民致錨鏈上的力過大；塢上的錨泊裝置安裝較容易，精度要求不高；錨泊泊碇對浮船塢浮態(tài)控制要求較低，允許浮船塢出現(xiàn)較大的橫傾和縱傾；錨泊泊碇占用碼頭范圍小，可布置為僅首端靠近碼頭，而不必塢墻順靠碼頭。

為減小布設(shè)錨鏈所占的水域范圍，該塢所有泊碇錨鏈均采用繞過塢底的方式。下頁圖3為7000 t舉力浮船塢錨泊泊碇布置圖。

該塢的錨泊泊碇采用錨鏈加水泥沉石的組合，全塢配有8根橫向錨鏈和4根縱向錨鏈，其中橫向錨鏈選用 64 mm的AM3有檔電焊錨鏈，單根錨鏈長度約85 m，錨鏈破斷負(fù)荷3130 kN；縱向錨鏈選用 58 mm的AM3有檔電焊錨鏈，單根錨鏈長度約96 m，錨鏈破斷負(fù)荷2600 kN；沉石為混凝土材質(zhì)的長方體結(jié)構(gòu)，每塊沉石的尺寸根據(jù)對應(yīng)錨鏈的受力情況由專門的水工設(shè)計單位設(shè)計并由施工單位預(yù)先埋設(shè)于水下。

圖3 7000t舉力浮船塢錨泊泊碇布置圖

3 7000t舉力浮船塢錨泊泊碇受力計算

浮船塢泊碇時將受到風(fēng)力、水流力和波浪力的作用，這些力的最大值常不發(fā)生于同一狀態(tài)，應(yīng)計算各種狀態(tài)下可能遇到的最大風(fēng)力、水流力和波浪力，再找出最大的受力情況，作為泊碇設(shè)備設(shè)計的外力。環(huán)境條件風(fēng)、浪、流所產(chǎn)生的外力及力矩的計算方法、理論原理和計算結(jié)果如下。

3.1 風(fēng)的計算

式中：Fxw和Fyw分別為縱向風(fēng)力和橫向風(fēng)力，kN；Mxyw為首搖風(fēng)力矩，kN·m；Cxw、Cyw和Cxyw分別為縱向風(fēng)力系數(shù)、橫向風(fēng)力系數(shù)和首搖風(fēng)力矩系數(shù)；ρw為空氣密度，kg/m3；Vw為風(fēng)速，m/s；AT和AL分別為縱向受風(fēng)面積和橫向受風(fēng)面積，m2。

3.2 流的計算

式中：Fxc、Fyc分別為縱向流力與橫向流力，kN；Mxyc為首搖流力矩，kN·m；Cxc、Cyc、Cxyc分別為縱向流力系數(shù)、橫向流力系數(shù)、首搖流力矩系數(shù)；ρc為流體密度，kg/m3；Vc為流速，m/s；T為吃水，m；LBP為浮箱長，m。

3.3 波浪載荷計算

波浪載荷通常以三種形式作用在浮船塢上：

（1）以波頻振蕩的一階波浪作用力。它是波浪力的主要成分，將引起船的波頻運動。這個作用力并不直接作用于錨泊系統(tǒng)上，在錨系受力分析時，它以由錨鏈運動（船舶運動產(chǎn)生）產(chǎn)生的動態(tài)張力反映出來。

（2）慢變的波浪二階力。這是頻率很低，量值較小的一種波浪力成份。不過，一旦該頻率和錨泊系統(tǒng)的自振頻率接近，將引起船作大幅度的縱蕩和橫蕩運動，巨大的船舶慣性力將作用在錨泊系統(tǒng)上，海上錨泊系統(tǒng)的損壞大多數(shù)是由它引起的。用調(diào)整錨鏈預(yù)緊力改變系統(tǒng)自振頻率的方法，可以有效抑止低頻慢漂運動。

（3）二階平均波浪漂移力。這是二階波浪力中的定常部分，和風(fēng)力、流力一樣也是靜態(tài)力。一般它是一個小量，但是它和波高平方成正比關(guān)系，一旦波高增大，它將迅速增加。錨泊系統(tǒng)環(huán)境力計算中必須要包含它，特別在外海的錨泊系統(tǒng)中。

3.4 錨泊力計算

錨泊系統(tǒng)，根據(jù)錨碇點和民纜孔的布置情況，處于初始平衡位置，此時，系統(tǒng)無環(huán)境載荷作用，各錨鏈上載荷為預(yù)張力。在風(fēng)、浪、流環(huán)境的作用下，系統(tǒng)將偏離初始平衡位置，到達(dá)新的平衡位置，并且圍繞新的平衡位置做一階波浪運動。本文采用法國船級社開發(fā)的錨系泊系統(tǒng)運動分析軟件Ariane 7 進(jìn)行錨泊力計算［4］。

3.5 計算結(jié)果

根據(jù)本塢的使用情況，本文針對下述兩種危險工況采用時域分析方法計算浮塢錨泊泊碇系統(tǒng)中各錨鏈?zhǔn)芰Γ?/p>

（1）最惡劣工況

具有當(dāng)?shù)刈罱?0年統(tǒng)計的最惡劣環(huán)境條件，且塢內(nèi)有7000 t進(jìn)塢船。計算中假定風(fēng)浪同向，在給定的水流下，風(fēng)浪按間隔22.5°從16個方向呈360°作用于浮船塢；

（2）靠塢修船工況

具有最大的受風(fēng)面積，塢內(nèi)有7000 t進(jìn)塢船，且浮塢右舷塢墻外停靠一艘7000 t船舶。

本塢在最惡劣工況下的泊碇受力計算結(jié)果如表1所示。

表1 最惡劣工況下浮船塢各錨鏈最大受力kN

由表1可知，本塢在最惡劣工況下，橫向錨鏈最大受力鏈為line（8），最大張力為1566.4 kN，安全系數(shù)為2.0（大于1.75）［5］，滿足要求；縱向錨鏈最大受力鏈為line（6），最大張力為430.7 kN，安全系數(shù)為6.0（大于1.75），滿足要求。

靠塢修船工況的計算，在各風(fēng)浪流環(huán)境條件下，如果預(yù)設(shè)的錨鏈無法滿足泊碇要求，則降低該條件下的風(fēng)速，直至最終得到靠塢修船工況能抵抗的環(huán)境條件。經(jīng)計算，本塢在靠塢修船工況下，最大能抵抗7級風(fēng)，相應(yīng)的泊碇受力計算結(jié)果如下頁表2所示。

由表2可知，本塢在靠塢修船工況下，橫向錨鏈最大受力鏈為line（9），最大張力為1697.1 kN，安全系數(shù)為1.84（大于1.75），滿足要求；縱向錨鏈最大受力鏈為line（6），最大張力為730.2 kN，安全系數(shù)為3.56（大于1.75），滿足要求。

表2 靠塢修船工況下浮船塢各錨鏈最大受力kN

4 結(jié) 語

浮船塢的泊碇方式有多種，根據(jù)不同的情況可以采用不同的泊碇方式。本文以7000 t舉力浮船塢為例，對常見的錨泊泊碇系統(tǒng)的設(shè)計和計算進(jìn)行了介紹，對于浮船塢另一種常見的抱樁泊碇方式還有待后續(xù)的研究探討。

目前，該浮船塢已投產(chǎn)多年，各系統(tǒng)運行良好，其錨泊泊碇系統(tǒng)已經(jīng)受住了多次的考驗，說明該塢的泊碇系統(tǒng)設(shè)計是成功的，可以為將來同類型船舶的錨泊系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提供參考。