自升平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船下水方案優(yōu)化及強(qiáng)度分析

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125

1 工程概況

自升平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船“一航津平2”（下文簡(jiǎn)稱整平船）在海底隧道施工建設(shè)中是基礎(chǔ)整平不可或缺的關(guān)鍵裝備，為我國碎石整平領(lǐng)域的第五代核心裝備。該船由中交一航局研發(fā)投資，上海振華重工建造，集基準(zhǔn)定位、石料輸送、高精度鋪設(shè)整平、質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收功能于一體。整平船主船體為箱型“回”字結(jié)構(gòu)，船長(zhǎng)98.7m、寬66.3m，型深6.5m，樁腿總長(zhǎng)為75m（可根據(jù)水深工況環(huán)境接長(zhǎng)至95m），中間月池尺寸為70.5m×47.3m。鋪設(shè)整平作業(yè)最大水深40m，在不移動(dòng)船身的情況下作業(yè)范圍可達(dá)57m×44m，每4個(gè)船位可完成單個(gè)沉管區(qū)域的拋石整平作業(yè)，且整平船具有在風(fēng)暴工況下站立自存的能力。

由于整平船具有特殊的箱型“回”字結(jié)構(gòu)，船身較長(zhǎng)，若采用駁船橫靠碼頭，整平船橫向滑移下水的常規(guī)方案將帶來較多的問題，增加下水的風(fēng)險(xiǎn)。因此，文章對(duì)常規(guī)下水方案所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，提出縱向靠駁下水方案，并建立整平船下水的有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度分析，確保該方案下整平船的強(qiáng)度能夠滿足船級(jí)社規(guī)范的要求。

2 常規(guī)海工平臺(tái)下水方案

目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)海工平臺(tái)下水進(jìn)行了深入的研究。其中，宋友良等[1]對(duì)比海工裝備和民用船舶，提出了典型海工裝備總裝建造模式；滕瑤等[2]總結(jié)了海工平臺(tái)在陸上批量并行總裝建造模式，該模式通常包括片體組裝、分段建造、大模塊建造、駁船下水、整體吊裝合攏等。其中駁船下水及運(yùn)輸通常由半潛運(yùn)輸駁船橫靠碼頭以減少滑道工裝，海工模塊或平臺(tái)在軌道上牽引滑移或者液壓頂推到半潛運(yùn)輸駁船，然后半潛運(yùn)輸駁船選擇合適條件開始下潛，駁船與海工模塊或平臺(tái)脫離，從而完成下水過程。

根據(jù)整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，抬升設(shè)備、機(jī)艙、變頻器室、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室、空調(diào)機(jī)室、CO2站室、輔機(jī)艙、中控室以及生活區(qū)等都集中于整平船首尾處，該處約占60%空船重量，形成了首尾重、中間輕的特點(diǎn)。應(yīng)用常規(guī)海工平臺(tái)橫向滑移下水方式時(shí)，整平船首尾外伸部分將處于懸臂梁式的受力狀態(tài)，整平船與駁船兩側(cè)接觸處會(huì)產(chǎn)生非常大的支反力，將破壞整平船的船底結(jié)構(gòu)。同時(shí)，考慮到碼頭漲落潮的影響，整平船從碼頭滑移到駁船指定位置后，要求駁船迅速離開碼頭，避免整平船外伸部分與碼頭發(fā)生擱淺式碰撞。

3 縱向靠駁下水方案

為了解決整平船利用常規(guī)下水方案所帶來的問題，文章提出整平船縱向靠駁滑移下水方案。該方案要求駁船尾部浮箱具有可拆卸功能，駁船縱向靠碼頭，整平船從駁船尾部滑移到駁船上，駁船尾部浮箱待整平船滑移到位后再歸回原位。在下水過程中，整平船在滑道上始終保持均勻受力狀態(tài)，滑道的支反力也基本保持一致。該方案有效避免了應(yīng)力集中及整平船外伸部分與碼頭碰撞的問題，降低了整平船下水時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4 船體強(qiáng)度

4.1 模型及荷載

（1）有限元模型。為了分析整平船在縱向靠駁下水情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，文章建立了主船體有限元分析模型，模型包括主甲板下的主船體結(jié)構(gòu)及首尾端的加強(qiáng)工裝件，主甲板以上結(jié)構(gòu)采用施加荷載的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化。其中，滑移軌道采用彈簧模擬，軌道的數(shù)量、長(zhǎng)度、彈性模量和彈簧剛度根據(jù)軌道的實(shí)際布置情況及枕木的實(shí)際承載能力進(jìn)行模擬。軌道布置如圖1所示。

圖1 軌道布置示意圖（從下往上看）

（2）模型坐標(biāo)系。整平船有限元模型坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)位于0#肋位、船底板、中心線相交處，X方向指向船首，Y方向由船中指向左舷側(cè)，Z方向?yàn)榇怪毕蛏稀?/p>

（3）模型邊界條件。整平船有限元模型的邊界條件如圖2所示。

圖2 模型邊界條件

（4）工況及荷載。整平船下水過程主要考慮整平船在碼頭上以及滑到半潛駁上的兩種情況。在這兩種情況下，其下方承載軌道長(zhǎng)度相同，且通過分析發(fā)現(xiàn)半潛駁自身剛度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常有限，故在同一荷載的工況下，整平船在碼頭上與半潛駁上的計(jì)算結(jié)果相同。

根據(jù)整平船主甲板以上的荷載通過圍井結(jié)構(gòu)及左右舷支柱傳遞到主甲板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元模型中用以下方法對(duì)整平船下水過程中的荷載進(jìn)行了模擬：①主甲板下的船體結(jié)構(gòu)重量通過調(diào)整模型結(jié)構(gòu)密度實(shí)現(xiàn)；②主甲板以上船首及船尾的中間甲板、控制甲板及中控室的重量通過施加荷載的方式實(shí)現(xiàn)；③設(shè)備重量，如大小車、錨機(jī)、發(fā)電機(jī)、救生艇及吊機(jī)等，通過施加荷載的方式實(shí)現(xiàn)；④整平船樁腿為下水之后在舾裝碼頭安裝，故在下水過程中無須考慮其荷載。

4.2 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

許用應(yīng)力衡準(zhǔn)根據(jù)整平船規(guī)格書要求的CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》并參考ABS MOPU規(guī)范（美國船級(jí)社《移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》）選取。

4.3 結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算，模型最大板單元正應(yīng)力為108MPa、最大梁?jiǎn)卧龖?yīng)力為116MPa、最大單元剪應(yīng)力為83.8MPa、最大單元相當(dāng)應(yīng)力為157MPa，均低于文章4.2節(jié)所示的許用應(yīng)力數(shù)值，表明整平船在下水狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

通過支反力數(shù)據(jù)分析可知，整平船兩側(cè)的滑道支反力最大，平均每根滑道承擔(dān)約35%的空船重量；靠近船中的兩根滑道支反力較小，平均每根滑道承擔(dān)約15%的空船重量。這是由于兩側(cè)的滑道接觸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且更靠近平臺(tái)圍井區(qū)域，直接承受較大的船體荷載，且兩側(cè)片體上分布著主要的設(shè)備，相關(guān)荷載也直接傳遞到最近的滑道上，支反力分布情況符合整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

5 結(jié)論

文章根據(jù)整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)其采用常規(guī)海工平臺(tái)下水方案所存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出縱向靠駁下水方案，并建立了有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，確保該方案中船體強(qiáng)度符合規(guī)范要求。通過研究，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)整平船首尾重、中間輕且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，若采用常規(guī)海工平臺(tái)橫向滑移下水方案，整平船外伸部分會(huì)出現(xiàn)懸臂梁式受力狀態(tài)，整平船與駁船兩側(cè)接觸處會(huì)產(chǎn)生非常大的支反力，從而破壞整平船的船底結(jié)構(gòu)，而且存在船體外伸部分與碼頭發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。采用縱向靠駁下水方案，則整平船在滑道上始終保持均勻受力狀態(tài)，滑道的支反力也基本保持一致，可以有效避免應(yīng)力集中及整平船外伸部分與碼頭碰撞的問題。

（2）文章通過建立有限元模型，施加彈簧約束邊界并模擬整平船下水時(shí)的實(shí)際荷載狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行分析計(jì)算，確保縱向靠駁下水方案中船體強(qiáng)度符合規(guī)范要求，且支反力分布情況也符合整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，證明該方案可行。

整平船縱向靠駁下水方案的提出和有限元分析驗(yàn)證為整平船的下水實(shí)施提供了技術(shù)指導(dǎo)，為類似海工平臺(tái)項(xiàng)目提供了可參考的經(jīng)驗(yàn)。