浮船塢抱樁區域塢墻結構強度評估

張士天,邵國伍,嚴成麟

(金海智造股份有限公司，上海200135)

0 引言

浮船塢在船舶修理和建造等生產過程中發揮了非常重要的作用。相對于干船塢而言，具有投資少、可靈活移動等優點，歷來被人們所青睞[1]。

在浮船塢的結構設計中，其局部強度是一個重要的組成部分[2]，尤其是抱樁區域的塢墻結構，在惡劣天氣情況下會承受非常大的載荷，可達到數千噸級。目前，針對此類結構評估的文獻并不多見。業內的設計與研究基本聚焦于浮船塢的作業工況下船塢的縱向和橫向強度問題，對處于泊碇狀態下的塢墻結構強度則關注不多。事實上，該區域的結構常常承受著非常大的載荷，不宜忽視。

本文將以某船塢強度計算為例，介紹一種基于船模試驗和有限元分析的評估方法，可為類似問題提供參考。

1 研究對象簡介

1.1 浮船塢情況簡介

本文所評估的浮船塢為鋼質結構，該塢的主要尺度參數為：總長240.0 m，浮箱長度220.0 m，浮塢寬48.0 m，最大沉深吃水14.4 m，工作吃水4.2 m，肋骨間距500 mm。

該浮船塢需使用兩套抱樁裝置泊碇在工作水域碼頭，抱樁裝置分別安裝在浮船塢左塢墻首、尾區域的外側。

1.2 抱樁裝置及支撐結構特點

抱樁裝置由卡環和導柱組成。卡環設于水工建筑(系塢墩)上，導柱設于塢墻外壁上，由下、上基座固定。浮船塢抱樁裝置見圖1。

圖1 抱樁裝置示意圖

為了保證船塢塢墻內的支撐結構具備足夠的強度抵抗載荷，塢墻內的首、尾兩抱樁區域設置了適量的橫向框架、水平平臺或水平桁材。塢墻構件以滿足船級社規范要求加以確定[1]，采用有限元法進行強度校核。

2 載荷

根據船塢的操作要求并結合船塢的實際使用經驗，對浮船塢結構強度有較大影響的載荷主要包含船塢泊碇外力、舷外水壓力、艙內水壓力以及船塢的自重。

2.1 泊碇外力

浮船塢在泊碇時，將受到風力、水流力和波浪力的作用[3]。為獲得準確的載荷和運動數據，設計選用了水池模擬試驗的方法來測定浮船塢在風、浪作用下的載荷及運動。

2.1.1 水池試驗情況介紹

2.1.1.1 模型試驗的相似準則及換算方法

為了保證預報的可靠性與準確性，模型試驗嚴格遵循有關的力學相似準則，采用正態模型進行，并且滿足幾何相似、流體動力相似、非定常流動相似和結構動力相似等準則。

2.1.1.2 模型縮尺比

根據浮船塢、碼頭尺寸、自然載荷參數及試驗水池的尺度，綜合考慮模型試驗精度問題，取縮尺比λ=50。

2.1.1.3 模型制作

(1)浮船塢模型

浮船塢模型由木材制作，與實體幾何相似。

(2)導柱模型

導柱實體為鋼管結構，嚴格來說是一個彈性體。為正確模擬導柱對卡環的作用力，模型設計中應考慮導柱模型與實體彈性相似。按照上述的相似準則，導柱模型應與實體滿足抗彎剖面剛度EI相似(E為彈性模量，I為剖面慣性矩)。

模型設計中將導柱作為梁處理，采用聚楓材料制作導柱模型，在保持導柱模型外徑與實體外徑幾何相似條件下，通過改變導柱模型的內徑來達到兩者EI相似。

(3)卡環模型

卡環實體為鋼結構，內支座上設置鐵梨木襯墊來減小導柱與卡環間的撞擊作用。鐵梨木為一種彈性體，在導柱作用下會發生壓縮變形，模型與實體應滿足壓縮變形相似。經分析，卡環模型主體采用鋼材制作，與實體幾何相似。襯墊采用普通木材，按橫紋方向粘結于卡環模型內支座上，可達到模型與實體壓縮變形相似。

(4)碼頭模型

碼頭尺寸、外形(長、寬、高)、距泥面高度(高程)與實體幾何相似。碼頭全部采用鋼板制作，用螺絲固定于試驗水池底部。卡環墩上安裝卡環，保證縱向和垂向位置與實體幾何相似。

2.1.1.4 主要試驗設備和測量儀器

本次試驗的目的是測定在波浪和風等自然載荷作用下，導柱對卡環的作用力，模型試驗中必須正確模擬波浪、風等參數。試驗利用水池的造波機和造風機模擬試驗要求的波浪及風參數，利用超聲波測量儀、傾角傳感器測量相對位移和橫搖及縱搖。

2.1.2 水域環境模擬

根據該船塢設計工作水域的水文資料，最高潮水位為+4.325 m，最低水位為-0.246 m。 試驗選取了浮塢4 m和4.5 m吃水高、低兩種潮位下四種不同浪向(西北NW、西W、西南SW和南S)時的多種組合海況，通過讀取設置在卡環環墩的兩分力傳感器數據來測量卡環所受的法向分力(Fx)和縱向分力(Fy)，使用傾角傳感器和超聲波測量儀測量橫搖及縱搖、垂蕩和導柱與卡環間的相對運動。

由于試驗狀態下船塢模型的延船塢寬度和長度的反復運動，因而試驗采集了最大法向壓力、法向拉力和切向力。有限元強度評估時，對卡環處的受力采用所有試驗海況下最大法向壓力或最大法向拉力與最大切力的合力。試驗測得各潮位海況下最大載荷及有限元計算輸入值見表1。

表1 測量工況下卡環最大受力及有限元計算輸入值

2.2 舷外水壓力

舷外水壓力施加于船塢外板和船塢底板上。在兩種不同的吃水狀態下，其所受到的舷外水壓力不同。塢墻外板的水壓力P與吃水深度之間的計算公式如下：

P=ρg(h-Z)

式中：h為船塢吃水；Z為載荷位置距離基線的高度；ρ為水的密度；g為重力加速度。

2.3 艙內壓載水壓力

對位于船塢舷側、雙層底的壓載艙施加靜水壓力P2。計算公式為：

P2=ρg(h2-Z2)

式中：h2為壓載艙自基線量起的最大水深；Z2為載荷位置距離基線的高度。

2.4 結構自重

對有限元模型施加初始慣性力模擬自重。

2.5 極端高潮位下載荷

當卡環位于導柱中間時，塢墻上、下基座處的受力相同，為總載荷的一半。極端高潮位時，卡環中心與下基座中心的距離約為1.99 m，此時塢墻上、下基座處的受力將不相同。根據力矩平衡方程，確定載荷分配系數。

3 工況的選擇

分析船模試驗各工況下試驗數據可知，船塢在4.5 m吃水、浪向SW(82°)高潮位4.326 m情況下所承受的載荷最大。考慮到極端高潮位的情況，對于浮船塢塢墻支撐強度評估，選取表2的4種工況。

表2 浪向SW(82°)工況組合表

4 有限元模型介紹及結果分析

4.1 有限元模型

強度設計采用有限元直接計算法對船體支撐結構的屈服強度進行靜力學分析。

模型選取船塢尾部抱樁縱向Fr35至Fr115、橫向船塢中心至塢墻外板的區域區作為評估范圍。船塢主要構件的板材采用二維殼單元模擬。縱骨、普通橫梁、強構件面板、加強筋板等采用梁單元模擬。

模型的非自由邊約束了X、Y、Z三個方向的移動自由度。

4.2 計算結果

根據要求對單元的合成應力[4]進行評估，許用值根據規范[5]的規定確定。

根據分析結果可知，卡環基座區域的塢墻結構經過加強設計考慮后，在所有工況下最大應力為130.0 MPa(位于頂甲板開口處)，最大剪切應力為85.8 MPa位于舭部Fr68強框架)，符合規范要求。典型工況的應力、位移結果輸出見圖2和圖3。

5 結論

圖2 船體支撐結構應力云圖(受壓狀態)

圖3 結構位移(受壓狀態)

(1)由水池試驗測得船塢各工況下抱樁區域相關的受力和運動的原始數據。水池試驗基于浮船塢服務水域的水文情況并考慮了船塢的設計工況。

(2)采用三維有限元分析的方法對塢墻相關區域強度進行直接強度分析。有限元模型的載荷不僅要考慮泊碇外力，還考慮了舷外水壓力、艙內水壓力、結構自重等載荷。

此外，浮船塢抱樁的上、下基座同時承受了較大的載荷，在做基座設計時應予以重視。若船塢塢墻結構的應力輸出接近許用值時，還應補充考慮屈曲強度的問題。