浮船坞抱桩泊碇靠船墩结构强度分析

刘燕星　陈晓明　江峰

摘 要：浮船坞抱桩泊碇形式的应用日渐广泛，常见于作业水域狭小和风浪小的沿海地区。随着停泊的浮船坞吨位变大，浮船坞抱桩泊碇时对靠船墩产生的冲击力非常巨大，因此承受频繁外载荷冲击的靠船墩的结构设计是抱桩泊碇系统设计中的主要难点之一。本文以某浮船坞抱桩泊碇靠船墩为研究对象，探讨靠船墩在极端海况下的外力计算和结构强度分析方法。

关键词：抱桩泊碇；靠船墩；外力计算；结构强度分析

中图分类号：U673.3 文献标识码：A

Abstract： In recent years， the floating dock piles mooring has been widely used in coastal areas with narrow waters and small waves. With the increasing tonnage of moored floating dock， it is difficult to design dolphin for the floating dock piles due to the huge and complex external loads on the floating dock piles mooring. To overcome the problem， the calculation of the external force and the method of structural strength analysis for dolphin of the floating dock piles mooring under extreme sea conditions are preliminarily discussed.

Key words： Pile mooring； Dolphin； Load calculation； Structural strength analysis

1 引言

浮船坞广泛应用于船舶修造，其主要有两种泊碇方式：抱桩泊碇和锚泊泊碇。近年来，由于在抱桩泊碇状态下浮船坞平面位置漂移量极小，对周围水域基本无影响，非常便于岸上设备安全运送，故在我国水域资源日益紧张的情况下，抱桩泊碇应用越来越广泛。

浮船坞采用抱桩形式泊碇时，抱桩装置由卡环、导柱及上下基座组成：卡环设于水工构筑物（靠船墩）上；导柱设于右坞墙外壁上；上基座与浮船坞顶甲板齐平，下基座与浮船坞坞底齐平。

靠船墩主要承载浮船坞泊碇系统的受力，随着浮船坞吨位变大，浮船坞抱桩泊碇时对靠船墩产生的冲击力非常巨大，因此靠船墩桩的合理布置、墩台外力计算方法以及墩台的结构强度计算方法，对浮船坞泊碇系统结构的安全和造价影响很大。

本文以某船厂浮船坞的抱桩泊碇靠船墩结构设计为例，分别采用理正高桩码头软件和有限元分析软件Patran，计算浮船坞在各种工况下遭受外力作用时靠船墩结构的应力及变形，并在对计算结果进行分析比较的基础上，选择更为合理的强度计算方法，以指导工程实践。

2 浮船坞抱桩泊碇外力计算

在抱桩泊碇状态下，浮船坞主要遭受风力、水流力和波浪力的耦合作用。為保证浮船坞抱桩泊碇的安全，需要考虑浮船坞抱桩泊碇时各种作业状态下可能遇到的最大风力、水流力和波浪力，从中得出最大的泊碇受力情况作为设计的外载荷。

目前浮船坞抱桩泊碇外力计算，可采用邱崚经验公式计算方法、规范计算方法、数值模拟方法和模型试验方法。

根据上述各种方法，某浮船坞抱桩泊碇靠船墩在极端海况下的外力计算结果如表1。

根据上述计算结果和实际工程实践可知：模型试验方法计算结果最为准确，但费用过于昂贵；数值模拟方法应用前景较好，但目前技术手段尚未成熟，无法真正用于工程实用；邱崚经验公式计算结果过大，应充分考虑其计算误差；而《海港水文规范》和《港口工程载荷规范》的计算结果虽忽略了浮船坞在抱桩泊碇状态下的小范围横荡影响，导致计算结果偏大，但仍是目前初步设计阶段采用的主要计算手段。

3 靠船墩结构强度分析方法

靠船墩是浮船坞抱桩泊碇系统的关键设备，其结构优化设计是工程应用的难点之一。一般靠船墩采用高桩墩台结构。其中，对于中、小型船舶靠船墩主要采用耐久性好、造价低的钢筋混凝土桩；对于大型船舶、浮船坞或必须承受频繁冲击荷载的靠船墩主要采用抗弯能力大、弹性好的大直径钢管桩。目前对普通船舶靠船墩的研究较多，但对大型浮船坞靠船墩结构设计的专业研究极少。

本文分别采用三维弹性杆系有限元方法和三维弹性混合有限元方法综合分析靠船墩整体结构受力情况，并通过对某项目八万吨浮船坞抱桩泊碇靠船墩进行结构优化分析，以研究上述两种分析方法在实际工程中的应用情况。

3.1 结构强度分析方法理论基础

3.1.1 三维弹性实体有限元方法

根据三维实体弹性有限元理论，实体单元节点应力为：

3.1.2 三维弹性杆系有限元方法

三维弹性杆系有限元方法是先在局部坐标系建立单元特性方程，再变换到总体坐标系下。节点线位移矢量和角位移矢量：

3.2 工程实例概况

某项目八万吨3#浮船坞总长252 m、浮箱长252 m、坞墙长229.6 m、型宽（外坞墙间宽）52.0 m、型深（顶甲板距基线高） 18.5 m；靠坞墩采用高桩墩台结构，墩台面标高+6.0 m、墩台厚度3.0 m，墩台采用现浇钢筋混凝土结构；根据工程区岩土工程勘察报告所提供的土层情况及计算参数，墩台桩基采用φ1400 mm×20钢管桩，每个墩台设42根斜桩，桩斜度7：1～3：1，桩平面扭角10o～50o；桩底标高：1#靠坞墩桩底标高-47.0 m，2#桩底标高-48.0 m。具体靠坞墩的平面和立面布置图，如图1所示。endprint

3.3 靠坞墩结构计算

浮船坞对靠船墩的挤靠力和拖拽力按规范计算及物理模型试验的结果取值。根据项目专家评审意见，浮船坞单个靠船墩的受力按下式计算：

在工程实际计算中，靠坞墩结构计算按10个计算工况，分别对应浮船坞靠船墩0o ～ 90o方向受力作业状况。

3.3.1 三维弹性杆系有限元法

在三维弹性杆系有限元计算过程中，假定靠船墩的墩台结构为刚体，不进行有限元单元剖分；而每个靠坞墩的钢管桩则简化为一个等面积的三维弹性杆件，杆件下部刚接；钢管桩用一个三维梁单元模拟。

采用理正高桩码头软件进行三维弹性杆系有限元分析计算，计算模型如图2所示。

3.3.2 三维弹性混合有限元方法

三维弹性混合有限元，本文实际是指三维弹性实体-梁有限元。在利用三维弹性混合有限元方法计算时，考虑墩台的弹性作用，对整个工程结构物进行有限元单元剖分，其中墩台采用若干8节点实体单元划分，钢管桩采用若干三维梁单元模拟，且各钢管桩下部为刚性约束。

靠船墩结构利用大型有限元程序Patran进行分析计算，计算模型如图3所示。

3.3.3 两种方法对比分析

两种方法计算结果对比分析如表4。

从表4可知，两种方法得出的结构应力和位移计算值均小于设计容许值，满足规范要求，证明该高桩墩台结构设计合理。上述两种方法的计算结果分布形式相同，数值非常接近，说明了两种方法的可行性和可靠性。

不过，由表4亦可知，两种方法计算的靠船墩各桩的轴力、应力和位移也存在一定的差别，主要体现在三维弹性杆系有限元法计算结果比三维混合弹性有限元法要偏大。究其原因，主要是由于这两种方法在进行计算时所作的理论假设和算法精度不同引起。

三維弹性杆系有限元法的理正高桩码头软件属于专业性软件，理论简化和假设较多，仅可模拟等截面桩，故计算数值偏大，但针对性强；而基于三维弹性混合有限元法的Patran软件属于通用软件，模型可更贴近实际工程，可模拟变截面桩，计算精度较高。由于两种方法在实际计算过程中都有各自的优缺点，从工程安全性角度考虑，建议优先采用三维弹性杆系有限元法作为靠船墩强度计算方法。

4 结束语

大型浮船坞抱桩泊碇外力计算及靠船墩结构强度计算的方法较多，但尚未形成成熟的设计体系，而选用合理的计算方法，对浮船坞泊碇系统结构的安全及工程造价尤为重要。本文在工程实践中，初步探讨了浮船坞抱桩泊碇靠船墩外力计算方法及适用范围，提出了适用于浮船坞的抱桩泊碇靠船墩结构设计的三维弹性杆系有限元法和三维弹性混合有限元法，对今后大型浮船玛抱桩泊碇靠船墩的设计和建造工作具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部，港口工程载荷规范[S].人民交通出版社， 2010.

[2] 中华人民共和国交通运输部，海港水文规范[S].人民交通出版社， 1998.

[3] 基于Fluent的浮船坞抱桩泊碇外力计算研究[J]. 大连理工大学 ， 2013 （09） .endprint