千島湖水上游泳池設(shè)計(jì)探討

朱文康，方革成

(1.杭州千島湖造船有限公司，浙江杭州311701;2.浙江省船舶檢驗(yàn)局杭州檢驗(yàn)處，浙江杭州311700)

0 引言

國家5A級(jí)風(fēng)景區(qū)千島湖，位于浙江省淳安縣境內(nèi)，水域面積573 km2，平均水深約34 m，能見度達(dá)7 m以上，為國家一類水體，屬內(nèi)河B級(jí)航區(qū)。由于有著良好的深水資源和秀麗的風(fēng)景，近幾年來，淳安縣政府提出了“以湖興縣”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，千島湖旅游業(yè)得到了迅速發(fā)展，每年都會(huì)吸引上百萬國內(nèi)外游客前來游覽觀光。但是千島湖的地形復(fù)雜，一年四季水位變化較大，容易發(fā)生人員因下湖嬉水、游泳而溺亡的事故，為此，政府決定利用千島湖的優(yōu)質(zhì)水資源，在水上建造一個(gè)游泳池。

1 船舶主尺度及參數(shù)

總長 67.38 m

垂線間長 64.50 m

設(shè)計(jì)水線長 64.50 m

總寬 35.25 m

型寬 32.00 m

首尾片體 32.00 m×7.00 m

左右片體 50.50 m×5.00 m

型深 1.50 m

滿載吃水 0.90 m

滿載排水量 778.89 t

2 布置概況

游泳池躉船由4個(gè)片體采用高強(qiáng)度螺栓剛性連接而成，四周均設(shè)置舷伸甲板;中部為50 m×21 m國家乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)游泳池，池水與千島湖湖水相通;游泳池露天區(qū)域的甲板上鋪設(shè)室外木地板。

游泳池躉船的每個(gè)片體內(nèi)設(shè)置若干個(gè)水密橫艙壁，分設(shè)為空艙、泵站艙及壓載水艙。

躉船首甲板上設(shè)置醫(yī)療救護(hù)室、服務(wù)臺(tái)及液壓控制室、配電房。在船首部設(shè)置2座通往岸邊的引橋，每座引橋由3塊10 m×3 m鋼質(zhì)浮體連接而成。

游泳池底分設(shè)成3個(gè)鋼質(zhì)箱體結(jié)構(gòu)，上面鋪設(shè)多孔不銹鋼板。3個(gè)箱體的長×寬×深分別為:17 m×21.8 m ×1.8 m、17 m ×21.8 m ×1.2 m、16 m×21.8 m×0.8 m，以滿足不同群體對(duì)水深的需求。若比賽時(shí)，游泳池水深可全部調(diào)整為1.8 m，滿足國家乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)游泳池的要求。每個(gè)箱體的四角各設(shè)1只液壓油缸，通過液壓操作系統(tǒng)升降底箱體，以調(diào)節(jié)游泳池水的深度和清潔游泳池底部衛(wèi)生。游泳池四周采用鋼質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)，敷設(shè)多孔不銹鋼板。

游泳池照明共采用48套OK/NFC900-J400W，分別安裝在池邊8根燈柱上，燈桿在甲板以上高度8 m，其照明設(shè)施符合國家體育場(chǎng)館照明的要求。游泳池躉船總布置圖如圖1所示。

3 主要特點(diǎn)

游泳池躉船的主要特點(diǎn)有:

(1)創(chuàng)新獨(dú)特性。把游泳池直接放置在湖里，池水與湖水相通(這對(duì)水質(zhì)要求較高)，更加親近大自然，且作為一個(gè)移動(dòng)的游泳池，可到達(dá)同一航區(qū)內(nèi)的任一地方，靈活性較大。

(2)游泳池底部能夠升降，可調(diào)節(jié)游泳池水的深度，能滿足不同群體對(duì)水深的要求，并可方便清潔游泳池底部衛(wèi)生。

圖1 游泳池躉船總布置圖

(3)在游泳池的四壁，設(shè)置了一定數(shù)量的噴射水泵，增加了池水的流動(dòng)性，達(dá)到了自然換水的功能。

(4)考慮到內(nèi)部的游泳池結(jié)構(gòu)安裝、維修方便等，4個(gè)片體采用螺栓連接而不是整體建造。

前期調(diào)研、方案設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的主要問題為:

(1)4個(gè)片體的連接方式?？紤]到內(nèi)部的游泳池結(jié)構(gòu)安裝、維修方便等，4個(gè)片體采用螺栓連接而不是整體建造，因此，必須研究螺栓布置方式和校核強(qiáng)度方法。

(2)游泳池底部結(jié)構(gòu)提升以及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。

(3)如何保證人員游泳時(shí)的安全問題。既要保持游泳池的水與湖水相通，又要保證人員的安全，特別是小孩子的安全。

(4)保證游泳池在正常使用時(shí)，不因風(fēng)浪而使游泳池?fù)u晃。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該游泳池躉船的主尺度比值不在中國船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》的要求范圍之內(nèi)，因此，該躉船的各項(xiàng)構(gòu)件尺寸不能完全按照該規(guī)范設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度利用有限元法進(jìn)行直接計(jì)算。

游泳池躉船是一種有別于常規(guī)船體的水上結(jié)構(gòu)物，像一種中央“掏空”的扁平船舶，波浪環(huán)境條件也有別于常規(guī)船舶，所以不宜采用常規(guī)船舶的載荷計(jì)算公式計(jì)算其波浪載荷。設(shè)計(jì)時(shí)按以下3個(gè)方面進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析:游泳池躉船波浪載荷直接計(jì)算、游泳池躉船結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度與連接強(qiáng)度有限元分析、游泳池底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。

4.1 波浪載荷直接計(jì)算

游泳池躉船波浪載荷直接計(jì)算參考中國船級(jí)社2003年《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》，采用“等效設(shè)計(jì)波法”計(jì)算其波浪載荷。這樣得到的波浪載荷可以作為加速度、壓力，直接施加到有限元模型上面。

在參考《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》的基礎(chǔ)上，本躉船采用以下載荷作為該船的支配載荷:

船中最大中拱彎矩、船中最大中垂彎矩、3/8 L處最大扭矩、1/2 L處最大扭矩、5/8 L處最大扭矩。其中，L為垂線間長。

計(jì)算結(jié)合SESAM軟件中的WADAM模塊和PATRAN軟件進(jìn)行，建立濕表面模型、質(zhì)量模型，模型圖分別如圖2、圖3所示。

根據(jù)計(jì)算確定了設(shè)計(jì)波的波幅、頻率、浪向、相位。對(duì)于規(guī)則波而言，這些參數(shù)確定時(shí)，規(guī)則波及這個(gè)相位下的瞬態(tài)即已確定。

根據(jù)計(jì)算參數(shù)，即可確定各支配載荷對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)下的船體加速度、湖水動(dòng)壓力。

圖2 濕表面模型

圖3 質(zhì)量模型

4.2 總縱強(qiáng)度與連接強(qiáng)度有限元分析

游泳池躉船結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度與連接強(qiáng)度有限元分析根據(jù)游泳池躉船波浪載荷直接計(jì)算結(jié)果。然后，按照中國船級(jí)社2009年《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》和中國船級(jí)社2010年通函《內(nèi)河浮船塢技術(shù)要求》，對(duì)千島湖水上游泳池結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度、連接螺栓基座采用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)構(gòu)分析計(jì)算采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件建立模型并進(jìn)行分析。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

該游泳池躉船對(duì)應(yīng)于內(nèi)河湖泊(B級(jí)航區(qū))，沒有航行的工況，僅有類似于裝卸貨的系泊工況。盡管中國船級(jí)社2009年《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》的裝卸貨工況和中國船級(jí)社2010年通函《內(nèi)河浮船塢技術(shù)要求》都不計(jì)波浪載荷，但是考慮到該游泳池躉船涉及公共安全，對(duì)該船進(jìn)行總強(qiáng)度校核時(shí)，仍考慮波浪載荷的作用。參照CSR規(guī)范港內(nèi)工況，在總縱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)波浪載荷取游泳池躉船波浪載荷直接計(jì)算載荷值的40%。

按照游泳池躉船波浪載荷直接計(jì)算，考慮了上述5種波浪載荷:

每種波浪彎矩再配以相應(yīng)的最不利的活載(上人)分布，以及壓載、靜水載荷構(gòu)成5種工況。

整船計(jì)算有限元模型采用一般網(wǎng)格劃分，平面四邊形板單元的尺寸以肋距為基準(zhǔn)。

(1)甲板、舷側(cè)板架、底部結(jié)構(gòu)

甲板板、舷側(cè)外板、外底板采用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元描述，單元尺寸約為肋距大小?？v桁、強(qiáng)橫梁構(gòu)件、強(qiáng)肋骨、內(nèi)龍骨、實(shí)肋板的腹板采用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元(局部過渡區(qū)域采用三角形板單元)描述，面板采用Rod單元模擬，并保證Rod單元的截面積與實(shí)際面板截面積一致。普通橫梁、主肋骨采用一維梁?jiǎn)卧枋觯ＷC梁?jiǎn)卧慕孛娣e與相應(yīng)構(gòu)件一致，設(shè)置在平面板單元的邊界上。

(2)艙壁

縱、橫艙壁均采用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元描述，單元尺寸約為肋距大小。艙壁上的加強(qiáng)構(gòu)件采用一維梁?jiǎn)卧枋?，保證梁?jiǎn)卧慕孛娣e與相應(yīng)構(gòu)件一致，設(shè)置在平面板單元的邊界上。

(3)螺栓

該游泳池躉船是4個(gè)片體通過120個(gè)10.9級(jí)M52的高強(qiáng)度螺栓連接而成。計(jì)算時(shí)采用短梁?jiǎn)卧獙?個(gè)船體連接成一個(gè)整體，計(jì)算出各種工況下螺栓連接的最大受力情況。

游泳池的活載是按最多上600人，平均重量為75 kg/人計(jì)算。分布取與波浪載荷一致的最不利分布，如圖5～圖7所示。

圖5 工況1的活載分布

圖6 工況2的活載分布

通過對(duì)游泳池總縱強(qiáng)度和連接強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算，結(jié)論為:該躉船結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度和連接強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

由于水上游泳池是由4個(gè)片體用螺栓連接而成，6個(gè)艙的壓載或卸載過程應(yīng)盡量同步，不得單獨(dú)對(duì)一個(gè)艙壓載或卸載，整個(gè)壓載或卸載過程不得少于3個(gè)循環(huán)。

圖7 工況3的活載分布

4.3 底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

游泳池底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析按照中國船級(jí)社2009年《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》和中國船級(jí)社2010年通函《內(nèi)河浮船塢技術(shù)要求》對(duì)游泳池底部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核。

游泳池底分設(shè)成3個(gè)尺寸相近的獨(dú)立鋼質(zhì)箱體結(jié)構(gòu)。由于其截面相同，且受力和邊界條件都相同，因此只需針對(duì)最大尺寸的片體(17.05 m×21.8 m×1.8 m)進(jìn)行計(jì)算，其他片體的應(yīng)力都將略小于該箱體。

模型中各類構(gòu)件的離散單元類型:

(1)板殼單元—蓋板、底板、側(cè)板。

(2)梁?jiǎn)卧v向、橫向的骨材。

底部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖8所示。

圖8 底部結(jié)構(gòu)有限元模型

計(jì)算工況，考慮下列3種情況:

(1)底部結(jié)構(gòu)吊離水面，載荷為結(jié)構(gòu)自重。

(2)波浪方向向下的水動(dòng)壓力+人的重力載荷+結(jié)構(gòu)自重+箱體浮力。

(3)波浪方向向上的水動(dòng)壓力+結(jié)構(gòu)自重+箱體浮力。

根據(jù)強(qiáng)度校核，游泳池底部結(jié)構(gòu)在3種工況載荷的作用下，其應(yīng)力均小于規(guī)范的許用值。

經(jīng)過上述3個(gè)方面的有限元強(qiáng)度分析，該游泳池躉船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范和法規(guī)的要求。

5 結(jié)語

水上游泳池是一種新穎的水上設(shè)施，不僅要滿足船舶的相關(guān)要求，還要滿足游泳池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。投入使用后，受到了有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、專家及游客的一致好評(píng)，認(rèn)為該躉船充分利用了千島湖獨(dú)特的優(yōu)質(zhì)水資源，是一個(gè)流動(dòng)的水上游泳池，外觀造型簡(jiǎn)潔大方，游泳池四周甲板寬敞。該游泳池躉船解決了游客安全下湖嬉水、游泳的難題，也為千島湖美景增加了新的亮點(diǎn)。

［1］ 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］ 中國船級(jí)社.內(nèi)河浮船塢技術(shù)要求［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 中國船級(jí)社.集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］ GB 5001709-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］ 中國船級(jí)社.浮船塢入級(jí)規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］ 中華人民共和國海事局.內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則［M］.北京:人民交通出版社，2011.