浮船塢新型抱樁系泊裝置設(shè)計

董明海，韓晨健，劉 猛，郭永升，趙 陳

（1. 浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山316021；2. 中國船級社舟山辦事處，浙江 舟山316000；3. 意大利船級社（中國）有限公司，浙江 舟山316000；4. 上海船舶工藝研究所舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山316021）

0 引 言

浮船塢是一種利用壓載水的調(diào)配使其主體達到升、沉動作的無動力駁，主要用于遮蔽水域內(nèi)或碼頭旁的固定作業(yè)，下潛使船舶駛?cè)牒笈趴諌狠d水上浮，起到臨時干塢的作用。浮船塢在泊碇狀況下，全艙空載，重心較高，因此波浪撞擊浮船塢產(chǎn)生的晃動對其安全、穩(wěn)定的作業(yè)有很大的影響。因此，必須在浮船塢泊碇時使用系泊裝置與碼頭穩(wěn)固的連接在一起。

浮船塢在系泊方式的選擇、結(jié)構(gòu)形式，對浮船塢安全而言意義重大。對這種系泊裝置，也必須考慮其受到各種載荷力、外力的影響，不至于在運動中對浮船塢或碼頭的結(jié)構(gòu)造成損壞。大型的浮船塢泊碇的方式主要有兩種形式，即：錨泊泊碇、抱樁泊碇。抱樁泊碇水域范圍較小，漂移量小，隨波浪升沉塢體也隨之升沉，遮蔽水域應(yīng)用較為廣泛。袁夢等[1]構(gòu)建了以勢能理論角度為切入點結(jié)合懸鏈線方程的系泊系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。錢順良[2]介紹了一種浮船塢用液壓系泊卡環(huán)的結(jié)構(gòu)及工作原理。邱崚、唐軍等[3]結(jié)合實例介紹了采用計算機程序求解錨鏈泊碇的浮船塢鏈索力的計算方法。本文為某30000 噸舉力浮船塢設(shè)計了一種帶有緩沖能力的系泊抱樁裝置，從裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、受力情況計算等方面進行了論述。

1 某30000 噸舉力大型浮船塢介紹

某30000 噸舉力浮船塢的物理量，包括主尺度、主要參數(shù)見表1。從浮船塢的整體布置設(shè)計來看，整體塢墻長201.6m，在頂甲板伸出內(nèi)塢墻0.85m 處設(shè)引船小車軌道，長度沿整個塢墻，如圖1 所示。實心橡膠滾輪安裝在塢墻尾部入口處，有防撞作用。頂甲板采用水密的結(jié)構(gòu)，可增加縱向強度和保證水密。頂甲板伸出外塢墻1m，并安裝骨架，以作為頂甲板的外伸平臺。大開口處采用圓型角或拋物線型角光順，以減少應(yīng)力集中。

某30000 噸舉力浮船塢的中橫剖面，如圖1 所示，底部采用雙層底結(jié)構(gòu)、兩側(cè)為浮箱，整個塢體以縱骨架式結(jié)構(gòu)為主，橫艙壁、甲板、強橫梁、橫梁和塢底及肋板等構(gòu)件主要承擔(dān)整個塢體的橫向強度，浮船塢上設(shè)有門座式起重機。

浮船塢作業(yè)、系泊時受到風(fēng)浪、水流條件的影響，具有隨機性，為起到確保安全，考慮系泊設(shè)備對塢體結(jié)構(gòu)的影響，需要對設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)加強，浮船塢艏艉設(shè)置兩個風(fēng)暴系纜柱，配合浮船塢抱樁系泊裝置，對裝置端部處的支撐結(jié)構(gòu)予以加強[4]，配合使用。防止惡劣海況下異常情況出現(xiàn)。浮船塢在抱樁系泊狀態(tài)下平面示意圖如圖2 所示。

表1 浮船塢主要物理量

圖1 浮船塢中橫剖面圖

2 具有緩沖功能的浮船塢抱樁裝置設(shè)計

2.1 抱樁系泊的結(jié)構(gòu)特點。浮船塢抱樁裝置其主要結(jié)構(gòu)設(shè)有：上、下基座、塢柱、卡環(huán)、銷軸部件等，其中上、下基座分別設(shè)置在塢墻外側(cè)上、下側(cè)，卡環(huán)一端與塢柱連接，另一端與系塢墩連接，卡環(huán)內(nèi)設(shè)置銷軸，可方便拆卸、維護，檢測。卡環(huán)與塢柱外部套設(shè)連接部設(shè)置有防撞緩沖合金塑料。整個裝置可保證浮船塢在抱樁系泊中，體現(xiàn)出裝置剛性，保證浮船塢受力狀態(tài)下的動態(tài)平衡。示意圖如圖3 所示。

圖2 浮船塢抱樁系泊狀態(tài)平面示意圖

卡環(huán)結(jié)構(gòu)中，設(shè)有三層瓦環(huán)結(jié)構(gòu)，其中下面兩層設(shè)計為活動結(jié)構(gòu)，上面一層設(shè)計為固定結(jié)構(gòu)，均為軸瓦狀，銷軸連接。卡環(huán)采用靈活方便三瓣結(jié)構(gòu)形式，安裝操作簡單。在系塢墩上安裝卡環(huán)，與之固定，塢柱與上基座、下基座卡環(huán)相連接，并與浮船塢外側(cè)塢墻固定。塢柱與卡環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式示意圖如圖4 所示。其特點，塢柱與卡環(huán)直接連接操作難度低，強度可靠，減少系泊過程中工程施工量。

圖3 浮船塢抱柱裝置主要結(jié)構(gòu)及布置

圖4 塢柱與卡環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

裝置中固定瓦環(huán)、環(huán)形角，設(shè)置在大于90°小于120°范圍。一方面降低塢柱建造的難度，另一方面內(nèi)部增設(shè)防撞控制液壓泵，提高塢柱定位糾偏功能，保證其系泊過程安全性。固定卡環(huán)的環(huán)的本體設(shè)有內(nèi)環(huán)面，卡環(huán)面的左右兩端設(shè)有一連接耳；相互連接，通過銷軸鉸接。連接耳相互之間，設(shè)置為齒狀交錯形式，即能保證其拆裝方面，有能使各連接處的強度得以保證，提高裝置整體穩(wěn)定性。

2.2 抱樁系泊裝置的設(shè)計原理。抱樁系泊裝置所受到的力，主要來源是浮船塢塢體所受風(fēng)、浪、流的作用后，傳遞給船浮船塢抱樁裝置的作用力，裝置受力后，應(yīng)具有調(diào)節(jié)控制能力，最后力由船墩主要承載，受力過程中抱樁裝置的部件之間的配合關(guān)系，安全載荷的分析尤為重要。浮船塢抱樁裝置的安全性，取決于以下主要因素：外力的大??；浮船塢受力情況；合理布置的船墩樁；動態(tài)平衡分析；墩臺的結(jié)構(gòu)強度；浮船塢抱樁裝置的整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點與強度。

浮船塢抱樁裝置卡環(huán)內(nèi)設(shè)有一拼裝結(jié)構(gòu)的防撞襯套，卡環(huán)與塢柱外部套設(shè)連接部設(shè)置有防撞緩沖合金塑料，襯套、合金塑料起緩沖作用，其厚度設(shè)置在100mm 左右，也起到對裝置的保護作用，而且損壞后更換安裝方便，成本也比較低。主隔板、輔隔板及環(huán)板均起到加強作用，主隔板的設(shè)置方式可提高塢柱的抗外力載荷性能，同時保證塢柱具有足夠的強度和穩(wěn)定性，裝置設(shè)計的結(jié)構(gòu)本身具有修理方便的特點。通過增加控制液壓泵對抱樁裝置進行調(diào)節(jié)，增加了緩沖功能，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)浮船塢安全的浮態(tài)。系泊裝置的修理浮船塢抱樁裝置可提高浮船塢的作業(yè)效率、停泊的安全性。

3 裝置受力分析

浮船塢在作業(yè)和停泊時，風(fēng)力、水流力和波浪力將對其聯(lián)合作用[5-6]，進行施加載荷和約束的受力分析評估對裝置的安全性能，同時分析浮船塢抱樁泊碇時狀態(tài)下遇到的極端海況下的風(fēng)力、水流力和波浪力，抱樁的許用抗拔力，樁的豎向許用承載力、最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力、最大位移。從中得出最大的泊碇受力情況是否滿足規(guī)范要求，確保浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

浮船塢靠泊一般設(shè)在碼頭附近，潮流水域，落潮流速取1.2 米/秒，漲潮流速相對較緩，可取1.0 米/秒。10萬噸級散貨船通過滑道滑移到浮船塢上，利用低平潮到高平潮的時間段，在整個滑移過駁期間必須確保浮船塢水平高度不變，橫向移動不超過容許范圍。浮船塢T 型靠泊時，船體船長方向垂直于流向，受流面寬度220.8 米。水流對船體的沖擊影響船體的穩(wěn)定，為了保證滑移過駁期間有效控制浮船塢的橫向移動，結(jié)合抱樁系泊系統(tǒng)，纜繩系帶應(yīng)足以抵御漲落潮水流力和風(fēng)壓力。有靠樁墩臺和墩臺，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩臺標(biāo)高+8.0m、其厚度5.0m，墩臺樁采用鋼管樁基，其Φ=1600mm×30，墩臺下設(shè)有斜樁。

波浪力的計算方法采用《海港水文規(guī)范》[7]，風(fēng)載荷以及水流力的計算方法采用《港口工程載荷規(guī)范》[8]。風(fēng)載荷，采用風(fēng)速為V=36.9m/s，波浪要素：H1%=1.8m，T=5s。波譜選用JONSWAP 波浪譜，有義波高取4.2m，跨零周期為16.4s，γ為3.3，譜峰頻率0.15Hz。

風(fēng)力計算，主要包括浮船塢基本風(fēng)壓力、標(biāo)準(zhǔn)值下的風(fēng)壓力情況。

（1）基本風(fēng)壓力

（2）標(biāo)準(zhǔn)值下的風(fēng)壓力

式（1）、式（2）中，V為風(fēng)速，μS為體型系數(shù)，μZ為變化系數(shù)。

水流力計算：

式（3）中，ρ為流體的密度，V為來流的速度，A為繞流物體在垂直于來流方向的投影面積，CW為繞流阻力系數(shù)。

波浪力就是波浪產(chǎn)生的與波浪平行的正向力，波浪力按規(guī)范公式計算，分兩種情況分析，當(dāng)D/L＜0.2 時，D為迎波面寬度，L為波長。采用流體的繞流理論計算；當(dāng)D/L＞0.2 時，采用流體的繞射理論計算，其由速度分力和慣性分力組成，其計算公式如下：

速度分力：

力矩：

慣性分力：

力矩：

作用于構(gòu)件的正向水平總波浪力P為PD和PI的合力，在D/L＜0.2 時，合力：

合力矩：

在D/L＞0.2 時，圓形柱體主要受慣性力的作用，最大水平總波浪力為：

合力：

合力矩：

式（4）至式（11）中，CD為速度力系數(shù)；DM為慣性力系數(shù)；r為水容重；H為計算波高；D為構(gòu)件迎波面寬度；A為構(gòu)件的截面積；L為波長。

計算得到浮船塢抱樁系泊裝置，在10 種工況中所受內(nèi)力、應(yīng)力結(jié)果如表2 所示。

計算結(jié)果表明：浮船塢抱樁系泊狀態(tài)下風(fēng)、浪、流作用荷載與墩臺間夾角不同的10 種工況中，浮船塢抱樁強度計算最大軸向拉力為3126kN，產(chǎn)生在作用載荷與墩臺間夾角60°時，設(shè)計拉應(yīng)力許用極限值為4780kN，滿足設(shè)計要求。最大軸向壓力為5884kN，產(chǎn)生在作用載荷與墩臺間夾角50°時，設(shè)計壓應(yīng)力許用極限值為7890kN，同樣滿足設(shè)計要求。最大變形位移45.5mm，產(chǎn)生在作用載荷與墩臺間夾角30°時，設(shè)計變形許用極限值為65mm，均符合要求，從計算結(jié)果分析其結(jié)構(gòu)強度足夠。

4 結(jié)束語

浮船塢抱樁系泊裝置系統(tǒng)的設(shè)計是浮船塢作業(yè)安全性、使用壽命的重點工程。根據(jù)浮船塢的結(jié)構(gòu)特點，需要優(yōu)選合理結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化布局方案設(shè)計。文中設(shè)計了一種具有緩沖功能的浮船塢抱樁系泊裝置，并應(yīng)用規(guī)范公式對其受力情況分析，滿足規(guī)范要求，保證運行的高效性，減少了浮船塢安全事故的發(fā)生概率，提高浮船塢系泊效率，降低使用成本，節(jié)省大量的人力財力。

表2 抱樁柱強度計算結(jié)果