浮船塢橫向強度分析

王 巖,張紋梅,李書豐

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

浮船塢是一種兩側(cè)有墻、前后端開敞的槽形平底船,主要作為船舶維修的海上平臺。由于其具有機動性好、建造周期短、水位變化適應(yīng)性強、不占土地不占岸線、被修理船舶的靈活性強等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用。浮船塢的塢墻和塢底通常采用箱形結(jié)構(gòu),沿縱向和橫向分隔成若干艙室,用來裝載壓載水,使船塢沉浮。由于浮船塢工作過程中,橫向結(jié)構(gòu)受到的載荷種類較多,除了浮船塢的自重外,還有進塢船的最大重量、特定吃水下的外部靜水壓力、均布壓載水的內(nèi)部靜水壓力以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的平衡力,因此對浮船塢的橫向強度應(yīng)沿整個塢長范圍內(nèi)進行校核。

1 4500 t級浮船塢概況

本浮船塢主船體為兩頭貫通的槽型箱體,由塢底和2道塢墻組成,設(shè)有浮箱甲板(抬船甲板)、安全甲板和頂甲板。塢底主要用于布置壓載水艙。塢墻安全甲板以下主要為壓載水艙和 4個干泵艙。安全甲板以上布置船員生活艙室、配電間、工人休息間等。頂甲板以上主要設(shè)有中央控制室和行走式起重機等。其主要量度如下:

本塢的結(jié)構(gòu)形式為鋼質(zhì)整體式,塢體由左右 2道塢墻及 1只大浮箱所組成。浮箱內(nèi)共設(shè) 5道縱艙壁,其中中縱剖面處和塢墻內(nèi)側(cè)下部設(shè)為非水密、距船中心線7 800mm左右處設(shè)為水密。浮箱內(nèi)設(shè) 3道水密橫艙壁,8道非水密橫艙壁,6道半艙壁,2道水密半艙壁。浮箱的結(jié)構(gòu)采用橫骨架式,浮箱中每隔4檔肋位設(shè)置桁材,每隔 1 950 mm設(shè)一縱向桁材,并在距中心線3 900 mm處設(shè) 2道單向縱桁架。塢墻設(shè)水平縱通的頂甲板和安全甲板,甲板結(jié)構(gòu)為縱骨架式。內(nèi)、外塢墻為橫骨架式,每隔 4檔肋位設(shè)置 1個強框架,其他肋位上設(shè)置肋骨。此外,內(nèi)外塢墻上還分別設(shè)有 2道水平桁材,且由水平橫撐左右相連。浮船塢橫剖面示意圖如圖 1所示,圖中尺寸單位為mm。

圖1 浮塢橫剖面示意圖

2 橫向強度分析與計算

基于本浮塢的結(jié)構(gòu),在此選取的校核部位有 3處,分別是浮塢中部、橫向距塢中0.9m處(由于此處浮箱甲板及塢底板板厚均減小)、浮塢首尾端部。而計算狀態(tài)則選取在進塢船長中點與塢長中點處于同一垂直線,且浮船塢的吃水與中龍骨墩高度正好平齊時。

2.1 載荷分析

2.1.1 進塢船的重量

進塢船的重量分布情況,可假定為一等于船長的矩形上疊加一等長的拋物線,且拋物線部分面積為矩形面積的一半。由此假定,可推導出單位長度上進塢船舶的重量Ws的計算公式:

式中:Ws為進船塢重量,kN/m;s為肋距,s=0.6m; P為進船塢的設(shè)計舉力,P=44 129.9 kN;Ls為80%的塢長,Ls=96 m。

作用在船中處的一檔肋位上的進塢船重量:

2.1.2 浮塢自重

浮塢估算重量T=4 050 t,將其按a:b=1: 0.978 7的比例分配到抬船體區(qū)域和塢墻區(qū)域,可得每檔肋位上單位寬度的抬船體區(qū)域和塢墻區(qū)域自重如下:

式中:W抬船體為抬船體自重,kN/m;B抬船體為抬船體寬度,B抬船體=23.4mm;L為船長,L=120 m;g為重力加速度,g=9.806 65 m/s2。

式中:W塢墻為塢墻自重,kN/m;B塢墻為塢墻寬度,B =3.6 m。

2.1.3 塢外水壓力

龍骨墩處浮箱高3.5m,內(nèi)外塢墻處高3.3m,龍骨墩高1.2 m。根據(jù)計算狀態(tài),此時塢外吃水為4.7m?？傻酶∠浜蛪]墻處塢外單位長度水壓力分別為:

式中:d為平均深度,d塢墻=4.7 m,d抬船體=3.4m;ρ為液體密度,ρ=1 000 kg/m3。

2.1.4 塢內(nèi)水壓力

塢內(nèi)水壓力主要是由內(nèi)部壓載水所產(chǎn)生的,當浮船塢吃水4.7m進塢船正好全部抬出水面時,塢內(nèi)剩余壓載水高度可根據(jù)壓載艙布置情況和平衡條件計算得出為1.562 5m。故可得塢內(nèi)每檔肋位單位長度水壓力W壓載水為:

式中:h為剩余壓載水深度,h=1.562 5m。

2.1.5 結(jié)構(gòu)內(nèi)部平衡力

根據(jù)重力與浮力平衡的原則,將其加在塢墻內(nèi)外側(cè)壁處,并取為相等而求得。

2.2 浮塢橫向強度

2.2.1 受力分析

根據(jù)上述的載荷情況,可知浮箱和塢墻所受的均布載荷分別為:

此時,可加在塢墻內(nèi)外側(cè)壁處,并取為相等的結(jié)構(gòu)內(nèi)部平衡力R為:

則浮塢中部、距塢中 0.9 m處的受力分析模型如圖 2所示,在這些力作用下產(chǎn)生的單個肋位上剪力、彎矩如圖3所示。

圖2 浮塢受力分析模型

2.2.2 塢中部、距塢中0.9 m處橫向強度

由圖 3可知,塢中部結(jié)構(gòu)船中所受的彎矩最大,距塢中0.9 m處(向左舷延伸)結(jié)構(gòu)距塢中0.9 m所受的彎矩最大。經(jīng)校核,船體結(jié)構(gòu)在該剖面處的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

浮塢的首尾兩端,由于不受進塢船重量的作用,船中部僅承受龍骨墩重量,橫向中拱狀態(tài)的剪力和彎矩遠小于浮塢中部的剪力和彎矩,故不再討論。

圖3 塢中部、距塢中 0.9m處單個肋距的剪力、彎矩分布圖

3 結(jié)語

通過上述分析,該塢各部位的彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、合成應(yīng)力均小于規(guī)范的許可值,其橫向強度滿足《浮船塢入級與建造規(guī)范》和《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》的要求。