浮船坞抱桩区域坞墙结构强度评估

张士天,邵国伍,严成麟

(金海智造股份有限公司，上海200135)

0 引言

浮船坞在船舶修理和建造等生产过程中发挥了非常重要的作用。相对于干船坞而言，具有投资少、可灵活移动等优点，历来被人们所青睐[1]。

在浮船坞的结构设计中，其局部强度是一个重要的组成部分[2]，尤其是抱桩区域的坞墙结构，在恶劣天气情况下会承受非常大的载荷，可达到数千吨级。目前，针对此类结构评估的文献并不多见。业内的设计与研究基本聚焦于浮船坞的作业工况下船坞的纵向和横向强度问题，对处于泊碇状态下的坞墙结构强度则关注不多。事实上，该区域的结构常常承受着非常大的载荷，不宜忽视。

本文将以某船坞强度计算为例，介绍一种基于船模试验和有限元分析的评估方法，可为类似问题提供参考。

1 研究对象简介

1.1 浮船坞情况简介

本文所评估的浮船坞为钢质结构，该坞的主要尺度参数为：总长240.0 m，浮箱长度220.0 m，浮坞宽48.0 m，最大沉深吃水14.4 m，工作吃水4.2 m，肋骨间距500 mm。

该浮船坞需使用两套抱桩装置泊碇在工作水域码头，抱桩装置分别安装在浮船坞左坞墙首、尾区域的外侧。

1.2 抱桩装置及支撑结构特点

抱桩装置由卡环和导柱组成。卡环设于水工建筑(系坞墩)上，导柱设于坞墙外壁上，由下、上基座固定。浮船坞抱桩装置见图1。

图1 抱桩装置示意图

为了保证船坞坞墙内的支撑结构具备足够的强度抵抗载荷，坞墙内的首、尾两抱桩区域设置了适量的横向框架、水平平台或水平桁材。坞墙构件以满足船级社规范要求加以确定[1]，采用有限元法进行强度校核。

2 载荷

根据船坞的操作要求并结合船坞的实际使用经验，对浮船坞结构强度有较大影响的载荷主要包含船坞泊碇外力、舷外水压力、舱内水压力以及船坞的自重。

2.1 泊碇外力

浮船坞在泊碇时，将受到风力、水流力和波浪力的作用[3]。为获得准确的载荷和运动数据，设计选用了水池模拟试验的方法来测定浮船坞在风、浪作用下的载荷及运动。

2.1.1 水池试验情况介绍

2.1.1.1 模型试验的相似准则及换算方法

为了保证预报的可靠性与准确性，模型试验严格遵循有关的力学相似准则，采用正态模型进行，并且满足几何相似、流体动力相似、非定常流动相似和结构动力相似等准则。

2.1.1.2 模型缩尺比

根据浮船坞、码头尺寸、自然载荷参数及试验水池的尺度，综合考虑模型试验精度问题，取缩尺比λ=50。

2.1.1.3 模型制作

(1)浮船坞模型

浮船坞模型由木材制作，与实体几何相似。

(2)导柱模型

导柱实体为钢管结构，严格来说是一个弹性体。为正确模拟导柱对卡环的作用力，模型设计中应考虑导柱模型与实体弹性相似。按照上述的相似准则，导柱模型应与实体满足抗弯剖面刚度EI相似(E为弹性模量，I为剖面惯性矩)。

模型设计中将导柱作为梁处理，采用聚枫材料制作导柱模型，在保持导柱模型外径与实体外径几何相似条件下，通过改变导柱模型的内径来达到两者EI相似。

(3)卡环模型

卡环实体为钢结构，内支座上设置铁梨木衬垫来减小导柱与卡环间的撞击作用。铁梨木为一种弹性体，在导柱作用下会发生压缩变形，模型与实体应满足压缩变形相似。经分析，卡环模型主体采用钢材制作，与实体几何相似。衬垫采用普通木材，按横纹方向粘结于卡环模型内支座上，可达到模型与实体压缩变形相似。

(4)码头模型

码头尺寸、外形(长、宽、高)、距泥面高度(高程)与实体几何相似。码头全部采用钢板制作，用螺丝固定于试验水池底部。卡环墩上安装卡环，保证纵向和垂向位置与实体几何相似。

2.1.1.4 主要试验设备和测量仪器

本次试验的目的是测定在波浪和风等自然载荷作用下，导柱对卡环的作用力，模型试验中必须正确模拟波浪、风等参数。试验利用水池的造波机和造风机模拟试验要求的波浪及风参数，利用超声波测量仪、倾角传感器测量相对位移和横摇及纵摇。

2.1.2 水域环境模拟

根据该船坞设计工作水域的水文资料，最高潮水位为+4.325 m，最低水位为-0.246 m。 试验选取了浮坞4 m和4.5 m吃水高、低两种潮位下四种不同浪向(西北NW、西W、西南SW和南S)时的多种组合海况，通过读取设置在卡环环墩的两分力传感器数据来测量卡环所受的法向分力(Fx)和纵向分力(Fy)，使用倾角传感器和超声波测量仪测量横摇及纵摇、垂荡和导柱与卡环间的相对运动。

由于试验状态下船坞模型的延船坞宽度和长度的反复运动，因而试验采集了最大法向压力、法向拉力和切向力。有限元强度评估时，对卡环处的受力采用所有试验海况下最大法向压力或最大法向拉力与最大切力的合力。试验测得各潮位海况下最大载荷及有限元计算输入值见表1。

表1 测量工况下卡环最大受力及有限元计算输入值

2.2 舷外水压力

舷外水压力施加于船坞外板和船坞底板上。在两种不同的吃水状态下，其所受到的舷外水压力不同。坞墙外板的水压力P与吃水深度之间的计算公式如下：

P=ρg(h-Z)

式中：h为船坞吃水；Z为载荷位置距离基线的高度；ρ为水的密度；g为重力加速度。

2.3 舱内压载水压力

对位于船坞舷侧、双层底的压载舱施加静水压力P2。计算公式为：

P2=ρg(h2-Z2)

式中：h2为压载舱自基线量起的最大水深；Z2为载荷位置距离基线的高度。

2.4 结构自重

对有限元模型施加初始惯性力模拟自重。

2.5 极端高潮位下载荷

当卡环位于导柱中间时，坞墙上、下基座处的受力相同，为总载荷的一半。极端高潮位时，卡环中心与下基座中心的距离约为1.99 m，此时坞墙上、下基座处的受力将不相同。根据力矩平衡方程，确定载荷分配系数。

3 工况的选择

分析船模试验各工况下试验数据可知，船坞在4.5 m吃水、浪向SW(82°)高潮位4.326 m情况下所承受的载荷最大。考虑到极端高潮位的情况，对于浮船坞坞墙支撑强度评估，选取表2的4种工况。

表2 浪向SW(82°)工况组合表

4 有限元模型介绍及结果分析

4.1 有限元模型

强度设计采用有限元直接计算法对船体支撑结构的屈服强度进行静力学分析。

模型选取船坞尾部抱桩纵向Fr35至Fr115、横向船坞中心至坞墙外板的区域区作为评估范围。船坞主要构件的板材采用二维壳单元模拟。纵骨、普通横梁、强构件面板、加强筋板等采用梁单元模拟。

模型的非自由边约束了X、Y、Z三个方向的移动自由度。

4.2 计算结果

根据要求对单元的合成应力[4]进行评估，许用值根据规范[5]的规定确定。

根据分析结果可知，卡环基座区域的坞墙结构经过加强设计考虑后，在所有工况下最大应力为130.0 MPa(位于顶甲板开口处)，最大剪切应力为85.8 MPa位于舭部Fr68强框架)，符合规范要求。典型工况的应力、位移结果输出见图2和图3。

5 结论

图2 船体支撑结构应力云图(受压状态)

图3 结构位移(受压状态)

(1)由水池试验测得船坞各工况下抱桩区域相关的受力和运动的原始数据。水池试验基于浮船坞服务水域的水文情况并考虑了船坞的设计工况。

(2)采用三维有限元分析的方法对坞墙相关区域强度进行直接强度分析。有限元模型的载荷不仅要考虑泊碇外力，还考虑了舷外水压力、舱内水压力、结构自重等载荷。

此外，浮船坞抱桩的上、下基座同时承受了较大的载荷，在做基座设计时应予以重视。若船坞坞墙结构的应力输出接近许用值时，还应补充考虑屈曲强度的问题。