浮船塢抱樁泊碇靠船墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

劉燕星　陳曉明　江峰

摘 要：浮船塢抱樁泊碇形式的應(yīng)用日漸廣泛，常見于作業(yè)水域狹小和風(fēng)浪小的沿海地區(qū)。隨著停泊的浮船塢噸位變大，浮船塢抱樁泊碇時(shí)對(duì)靠船墩產(chǎn)生的沖擊力非常巨大，因此承受頻繁外載荷沖擊的靠船墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是抱樁泊碇系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要難點(diǎn)之一。本文以某浮船塢抱樁泊碇靠船墩為研究對(duì)象，探討靠船墩在極端海況下的外力計(jì)算和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法。

關(guān)鍵詞：抱樁泊碇；靠船墩；外力計(jì)算；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

中圖分類號(hào)：U673.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

浮船塢廣泛應(yīng)用于船舶修造，其主要有兩種泊碇方式：抱樁泊碇和錨泊泊碇。近年來(lái)，由于在抱樁泊碇狀態(tài)下浮船塢平面位置漂移量極小，對(duì)周圍水域基本無(wú)影響，非常便于岸上設(shè)備安全運(yùn)送，故在我國(guó)水域資源日益緊張的情況下，抱樁泊碇應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

浮船塢采用抱樁形式泊碇時(shí)，抱樁裝置由卡環(huán)、導(dǎo)柱及上下基座組成：卡環(huán)設(shè)于水工構(gòu)筑物（靠船墩）上；導(dǎo)柱設(shè)于右塢墻外壁上；上基座與浮船塢頂甲板齊平，下基座與浮船塢塢底齊平。

靠船墩主要承載浮船塢泊碇系統(tǒng)的受力，隨著浮船塢噸位變大，浮船塢抱樁泊碇時(shí)對(duì)靠船墩產(chǎn)生的沖擊力非常巨大，因此靠船墩樁的合理布置、墩臺(tái)外力計(jì)算方法以及墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)浮船塢泊碇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全和造價(jià)影響很大。

本文以某船廠浮船塢的抱樁泊碇靠船墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，分別采用理正高樁碼頭軟件和有限元分析軟件Patran，計(jì)算浮船塢在各種工況下遭受外力作用時(shí)靠船墩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，并在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，選擇更為合理的強(qiáng)度計(jì)算方法，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 浮船塢抱樁泊碇外力計(jì)算

在抱樁泊碇狀態(tài)下，浮船塢主要遭受風(fēng)力、水流力和波浪力的耦合作用。為保證浮船塢抱樁泊碇的安全，需要考慮浮船塢抱樁泊碇時(shí)各種作業(yè)狀態(tài)下可能遇到的最大風(fēng)力、水流力和波浪力，從中得出最大的泊碇受力情況作為設(shè)計(jì)的外載荷。

目前浮船塢抱樁泊碇外力計(jì)算，可采用邱崚經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法、規(guī)范計(jì)算方法、數(shù)值模擬方法和模型試驗(yàn)方法。

根據(jù)上述各種方法，某浮船塢抱樁泊碇靠船墩在極端海況下的外力計(jì)算結(jié)果如表1。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程實(shí)踐可知：模型試驗(yàn)方法計(jì)算結(jié)果最為準(zhǔn)確，但費(fèi)用過(guò)于昂貴；數(shù)值模擬方法應(yīng)用前景較好，但目前技術(shù)手段尚未成熟，無(wú)法真正用于工程實(shí)用；邱崚經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果過(guò)大，應(yīng)充分考慮其計(jì)算誤差；而《海港水文規(guī)范》和《港口工程載荷規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果雖忽略了浮船塢在抱樁泊碇狀態(tài)下的小范圍橫蕩影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大，但仍是目前初步設(shè)計(jì)階段采用的主要計(jì)算手段。

3 靠船墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法

靠船墩是浮船塢抱樁泊碇系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是工程應(yīng)用的難點(diǎn)之一。一般靠船墩采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)。其中，對(duì)于中、小型船舶靠船墩主要采用耐久性好、造價(jià)低的鋼筋混凝土樁；對(duì)于大型船舶、浮船塢或必須承受頻繁沖擊荷載的靠船墩主要采用抗彎能力大、彈性好的大直徑鋼管樁。目前對(duì)普通船舶靠船墩的研究較多，但對(duì)大型浮船塢靠船墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)研究極少。

本文分別采用三維彈性桿系有限元方法和三維彈性混合有限元方法綜合分析靠船墩整體結(jié)構(gòu)受力情況，并通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目八萬(wàn)噸浮船塢抱樁泊碇靠船墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，以研究上述兩種分析方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法理論基礎(chǔ)

3.1.1 三維彈性實(shí)體有限元方法

根據(jù)三維實(shí)體彈性有限元理論，實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為：

3.1.2 三維彈性桿系有限元方法

三維彈性桿系有限元方法是先在局部坐標(biāo)系建立單元特性方程，再變換到總體坐標(biāo)系下。節(jié)點(diǎn)線位移矢量和角位移矢量：

3.2 工程實(shí)例概況

某項(xiàng)目八萬(wàn)噸3#浮船塢總長(zhǎng)252 m、浮箱長(zhǎng)252 m、塢墻長(zhǎng)229.6 m、型寬（外塢墻間寬）52.0 m、型深（頂甲板距基線高） 18.5 m；靠塢墩采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)面標(biāo)高+6.0 m、墩臺(tái)厚度3.0 m，墩臺(tái)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；根據(jù)工程區(qū)巖土工程勘察報(bào)告所提供的土層情況及計(jì)算參數(shù)，墩臺(tái)樁基采用φ1400 mm×20鋼管樁，每個(gè)墩臺(tái)設(shè)42根斜樁，樁斜度7：1～3：1，樁平面扭角10o～50o；樁底標(biāo)高：1#靠塢墩樁底標(biāo)高-47.0 m，2#樁底標(biāo)高-48.0 m。具體靠塢墩的平面和立面布置圖，如圖1所示。endprint

3.3 靠塢墩結(jié)構(gòu)計(jì)算

浮船塢對(duì)靠船墩的擠靠力和拖拽力按規(guī)范計(jì)算及物理模型試驗(yàn)的結(jié)果取值。根據(jù)項(xiàng)目專家評(píng)審意見，浮船塢單個(gè)靠船墩的受力按下式計(jì)算：

在工程實(shí)際計(jì)算中，靠塢墩結(jié)構(gòu)計(jì)算按10個(gè)計(jì)算工況，分別對(duì)應(yīng)浮船塢靠船墩0o ～ 90o方向受力作業(yè)狀況。

3.3.1 三維彈性桿系有限元法

在三維彈性桿系有限元計(jì)算過(guò)程中，假定靠船墩的墩臺(tái)結(jié)構(gòu)為剛體，不進(jìn)行有限元單元剖分；而每個(gè)靠塢墩的鋼管樁則簡(jiǎn)化為一個(gè)等面積的三維彈性桿件，桿件下部剛接；鋼管樁用一個(gè)三維梁?jiǎn)卧M。

采用理正高樁碼頭軟件進(jìn)行三維彈性桿系有限元分析計(jì)算，計(jì)算模型如圖2所示。

3.3.2 三維彈性混合有限元方法

三維彈性混合有限元，本文實(shí)際是指三維彈性實(shí)體-梁有限元。在利用三維彈性混合有限元方法計(jì)算時(shí)，考慮墩臺(tái)的彈性作用，對(duì)整個(gè)工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行有限元單元剖分，其中墩臺(tái)采用若干8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元?jiǎng)澐郑摴軜恫捎萌舾扇S梁?jiǎn)卧M，且各鋼管樁下部為剛性約束。

靠船墩結(jié)構(gòu)利用大型有限元程序Patran進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示。

3.3.3 兩種方法對(duì)比分析

兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析如表4。

從表4可知，兩種方法得出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移計(jì)算值均小于設(shè)計(jì)容許值，滿足規(guī)范要求，證明該高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。上述兩種方法的計(jì)算結(jié)果分布形式相同，數(shù)值非常接近，說(shuō)明了兩種方法的可行性和可靠性。

不過(guò)，由表4亦可知，兩種方法計(jì)算的靠船墩各樁的軸力、應(yīng)力和位移也存在一定的差別，主要體現(xiàn)在三維彈性桿系有限元法計(jì)算結(jié)果比三維混合彈性有限元法要偏大。究其原因，主要是由于這兩種方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)所作的理論假設(shè)和算法精度不同引起。

三維彈性桿系有限元法的理正高樁碼頭軟件屬于專業(yè)性軟件，理論簡(jiǎn)化和假設(shè)較多，僅可模擬等截面樁，故計(jì)算數(shù)值偏大，但針對(duì)性強(qiáng)；而基于三維彈性混合有限元法的Patran軟件屬于通用軟件，模型可更貼近實(shí)際工程，可模擬變截面樁，計(jì)算精度較高。由于兩種方法在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從工程安全性角度考慮，建議優(yōu)先采用三維彈性桿系有限元法作為靠船墩強(qiáng)度計(jì)算方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型浮船塢抱樁泊碇外力計(jì)算及靠船墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的方法較多，但尚未形成成熟的設(shè)計(jì)體系，而選用合理的計(jì)算方法，對(duì)浮船塢泊碇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全及工程造價(jià)尤為重要。本文在工程實(shí)踐中，初步探討了浮船塢抱樁泊碇靠船墩外力計(jì)算方法及適用范圍，提出了適用于浮船塢的抱樁泊碇靠船墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維彈性桿系有限元法和三維彈性混合有限元法，對(duì)今后大型浮船瑪抱樁泊碇靠船墩的設(shè)計(jì)和建造工作具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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