多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物對地載荷研究

孫雪榮

(中國船舶及海洋工程研究設(shè)計院，上海 200011)

坐底式船型結(jié)構(gòu)物為直接坐底于海底區(qū)域或海底的特殊海洋工程結(jié)構(gòu)，目前對普通坐底式海洋結(jié)構(gòu)物的研究已較為成熟，而對沿船長方向有不連續(xù)坐底區(qū)域的坐底式海洋結(jié)構(gòu)物的研究缺乏具體的實際工程經(jīng)驗和設(shè)計方法。

目前總體配載設(shè)計經(jīng)驗僅針對普通坐底和自由飄浮狀態(tài)的海洋工程，沿船長方向多分段的坐底式船型結(jié)構(gòu)物設(shè)計的經(jīng)驗?zāi)壳盁o工程可借鑒，其困難在于總體配載的困難，以及目標(biāo)作業(yè)海域的海溝縱橫導(dǎo)致的不同船底坐底工況，且目標(biāo)作業(yè)海域遠(yuǎn)海深水波到達(dá)海底淺水區(qū)域后，破波、爬升等現(xiàn)象導(dǎo)致目標(biāo)結(jié)構(gòu)物外載荷不同于常規(guī)浮式海洋結(jié)構(gòu)物和常規(guī)防波堤式海岸工程[1-2]。

本研究并未對多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物本身的坐底穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)設(shè)計等進(jìn)行相關(guān)闡述，而是著重于多分段對地載荷的求解，因本改造工程坐底工況較為復(fù)雜多變，各坐底工況之間對船體配載的要求并不一致，而對地載荷的求解尤其事關(guān)整項工程的設(shè)計安全和設(shè)計進(jìn)展，因而正確合理且快速可行的確定多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物對地載荷求解方式是本工程的首要核心任務(wù)。

以下以本改造工程為例，從對地載荷函數(shù)求解、靜水載荷下對地載荷求解、波浪載荷下對地載荷求解、船體裝載優(yōu)化角度上全面闡述沿船長多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物的對地載荷，為后續(xù)本工程的總體及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供設(shè)計輸入基礎(chǔ)。

1 對地載荷函數(shù)求解

多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物的對地載荷求解以泥面僅承擔(dān)垂向?qū)Φ貕毫3-4]為首要計算前提，結(jié)合船型結(jié)構(gòu)物的垂向載荷平衡及相應(yīng)力矩平衡為剛體力學(xué)[5-8]理論基礎(chǔ)，力學(xué)理論基礎(chǔ)公式如下：

分段連續(xù)的坐底反力函數(shù)(坐底示意圖見圖1)：

式中，i=1,2,…,n,n≥1；ai、bi為每次迭代所求解的因子。

船型結(jié)構(gòu)物垂向載荷靜平衡方程：

船型結(jié)構(gòu)物垂向載荷沿船長方向引起的力矩靜平衡方程：

式中：WD(x)為船體質(zhì)量沿船長分布的離散函數(shù)；FD(x)為船體浮力沿船長分布的離散函數(shù)；fi(x)為沿船長分布的對地反力分段函數(shù)；L為船長。

圖1 多分段坐底式船型結(jié)構(gòu)物坐底示意圖(陰影區(qū)為坐底區(qū)域)

1.1 初始坐底載荷函數(shù)求解

單分段坐底載荷函數(shù)虛擬進(jìn)行初始輸入值求解，為以后的多次數(shù)值迭代做準(zhǔn)備。

單分段虛擬坐底載荷函數(shù)，沿船長分布的范圍涵蓋目標(biāo)工程的所有坐底區(qū)域：

垂向靜載荷平衡方程：

垂向靜載荷沿船長積分矩平衡：

求解得到a0、b0

1.2 坐底載荷函數(shù)迭代求解

引入迭代因子gj(j=1,2,…,m，0

且：

式中：Li,1、Li,2分別為第i個坐底分段的尾端、首端沿船長方向距船體尾封板的距離。

以gj=0.50為初始值示例，其變化值為±0.001的迭代步進(jìn)行依次迭代求解，分別求解載荷相關(guān)因子：ai,1、bi,1；直到ai, j、bi, j能夠滿足靜載荷平衡容許誤差及靜載荷積分矩平衡誤差均在0.1%以內(nèi)：

1.3 坐底載荷復(fù)核

以上均為船體坐底反力沿船長方向的分步計算求解，沿船寬方向的坐底反力分布求解與船長方向理論一致，最終均為垂向靜載荷及靜載荷沿相應(yīng)力矩方向的積分矩平衡為基本方程，并以工程允許的迭代誤差來評判所求解的對地反力實現(xiàn)迭代收斂。

最終，對地載荷以垂向面載荷的形式，沿船長、船寬方向呈三維分布：

p(x,y)=fi(x)×fi(y)

2 靜水載荷下對地載荷求解

以本目標(biāo)工程駁船典型設(shè)計工況為例，船底平底段沿船長為距尾端15～115 m范圍，船寬平底段寬為29 m，見圖1。本目標(biāo)工程駁船為改造船工程，坐底海域海底分布較為復(fù)雜，因而最終經(jīng)實地測繪后確定的設(shè)計坐底工況也較多，而且本船船體承載能力有限，且要求全回轉(zhuǎn)吊起重設(shè)計能力，起初僅多段式坐底工況就已達(dá)11種之多，而且目標(biāo)作業(yè)海域海況相對惡劣，本船總體初步配載是在反反復(fù)復(fù)校驗中以總體性能、船體能力、環(huán)境載荷為三大設(shè)計目標(biāo)，三方共同努力協(xié)調(diào)下經(jīng)過無數(shù)次的反復(fù)后才最終確定。

本文以較為良好的三段式坐底工況作為計算示例，見圖1，注意的是多段式坐底工況的數(shù)目多少影響的僅是數(shù)據(jù)量的多寡，目標(biāo)工程可承受環(huán)境載荷的范圍大小，但基本原理均相同。

靜水載荷[5-6,9-10]作用下的對地載荷求解，只需依據(jù)初步的船體質(zhì)量分布、裝載分布、浮力分布通過上節(jié)的理論基礎(chǔ)公式，編寫Microsoft/Excel迭代語言程序求解坐底載荷及其分布，見圖2；然后依據(jù)坐底載荷分布的規(guī)律調(diào)整本船不同作業(yè)狀態(tài)的配載達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的坐底載荷分布。本目標(biāo)工程船在配載設(shè)計中就已通過橫向配載使得橫向的對地載荷分布均勻。

圖2 對地載荷沿船長分布示意圖

自編Microsoft/Excel迭代語言程序與最終經(jīng)NAPA程序微調(diào)后的數(shù)據(jù)比較如圖3所示；需要注意的是，本目標(biāo)改造工程駁船因為船體承載能力有限，總體配載限定為幾乎平浮狀態(tài)，如果初步的船體配載并非平浮狀態(tài)，而是有一定的首尾傾，那么自編Microsoft/Excel迭代語言程序與經(jīng)NAPA程序模擬得到的對地載荷是存在一定差異的，因NAPA程序模擬得到的是分段式均勻載荷，而不能實現(xiàn)分段式階梯分布載荷(見圖4)。

圖3 平浮配載的對地載荷比較

值得注意的是，如果擬設(shè)計工程不需要平浮配載的話，那么本計算方法在用于NAPA商用程序時可通過模擬在原多段式基礎(chǔ)上再增分為無數(shù)個小的分段式均勻載荷來近似模擬由Microsoft/Excel迭代語言程序得到的對地載荷分布。

圖4 非平浮配載的對地載荷比較

3 波浪載荷下對地載荷求解

波浪載荷下對地載荷求解的困難在于波浪外載荷時歷變化下，船型結(jié)構(gòu)物受到的浮力、縱橫傾力矩等相關(guān)波浪載荷的確定，且均為時歷變化值；若初始設(shè)計時，設(shè)計外載荷環(huán)境相對確定，那么波浪載荷下對地載荷求解就相對方便些。船型結(jié)構(gòu)物波浪載荷下的對地載荷求解主要目的在于掃描到本船在動載荷影響下的對地載荷極值，進(jìn)而開展船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計。本目標(biāo)工程駁船為改造船，船體承載能力有限，導(dǎo)致對地載荷極值是限定值，因而是反過來控制波浪環(huán)境以滿足工程設(shè)計的各方面需求。

本目標(biāo)工程駁船采用模型試驗[2,4,8]的方法得到波浪載荷下的垂向浮力變化值、縱橫傾力矩等波浪環(huán)境數(shù)值，因而，波浪載荷下的對地載荷求解相對較為簡單，只需要利用Microsoft/Excel迭代語言程序，依據(jù)不同分段位置，滿足上述的力學(xué)平衡方程的理論基礎(chǔ)上，求解不同分段的對地載荷即可(見圖5)。

圖5 波浪載荷下對地載荷分布示意圖

4 船體裝載優(yōu)化

坐底式船型結(jié)構(gòu)物船體裝載優(yōu)化的目的是盡可能最大程度的發(fā)揮壓載水艙調(diào)載能力，使得靜水載荷時的船體對地載荷分布較為均勻，以最大程度的減小因波浪載荷等動載荷變化而引起的對地載荷突變可能發(fā)生的船體結(jié)構(gòu)破壞。本目標(biāo)工程船經(jīng)過優(yōu)化后的船體配載嚴(yán)格保持了對地載荷沿坐底范圍內(nèi)均勻，靜水彎矩與靜水剪力的包絡(luò)值與許用靜水載荷的比較如圖6和圖7所示。

圖6 靜水彎矩比較示意圖

圖7 靜水剪力比較示意圖

5 結(jié)論

1) 目標(biāo)改造駁船的多分段對地載荷求解在剛體力學(xué)理論基礎(chǔ)上，借助Microsoft/Excel迭代語言程序?qū)崿F(xiàn)，成功克服了目前通用總體配載軟件在多分段坐底船型結(jié)構(gòu)物工程設(shè)計上的困難；

2) 目標(biāo)改造駁船的多分段對地載荷求解通過Microsoft/Excel迭代語言程序與NAPA商用總體配載程序相互驗證，保障了對地載荷求解的正確性和船體總體配載的有據(jù)可依。