“遠(yuǎn)洋五”號(hào)浮船塢改造船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高明星

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

浮船塢作為船廠一項(xiàng)重要基礎(chǔ)配套設(shè)施，在船舶維修、建造過程中起著非常重要的作用。隨著近年來世界航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)廠維修船舶及新建船舶的噸位越來越大，日益增長(zhǎng)的修造船市場(chǎng)使得現(xiàn)有的塢修設(shè)施已無法滿足企業(yè)的經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)需求。為了適應(yīng)市場(chǎng)的變化，結(jié)合自身經(jīng)營(yíng)發(fā)展的需要，大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司擬對(duì)目前已有的“遠(yuǎn)洋五”號(hào)浮船塢進(jìn)行加長(zhǎng)、加寬、加高和舉力增加的升級(jí)改造，以滿足20萬噸級(jí)的礦砂船、散貨船、油輪、LPG等大型船舶的改造及維修要求。

1 船體結(jié)構(gòu)改造內(nèi)容

1.1 主要技術(shù)參數(shù)變化

“遠(yuǎn)洋五”號(hào)浮船塢改造前后的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表1（1 t＝9 810 N）。

1.2 艙室變化情況

本塢改造后仍為整體式浮船塢，由浮箱和2道連續(xù)的塢墻組成。全塢浮箱橫向被2道水密縱向艙壁切分，縱向被首、尾端壁及24道水密橫艙壁切分，總計(jì)分割出40個(gè)壓載水艙，其中原塢32個(gè)壓載水艙，新增8個(gè)壓載水艙。另外，本塢左、右舷共設(shè)10個(gè)泵艙，其中原塢8個(gè)泵艙，新增2個(gè)泵艙。

1.3 改造主要內(nèi)容

船體結(jié)構(gòu)改造主要涉及如下內(nèi)容：

1）原浮箱兩舷各加寬7.5 m，兩側(cè)塢墻各向外平移7.5 m，加寬后的邊艙與原塢邊艙相連通。

2）原浮箱首部增加50.4 m，加長(zhǎng)的浮箱分段與原塢浮箱分段類似。

3）原浮船塢塢墻首部切割后向前移動(dòng)50.4 m，中間增加塢墻分段50.4 m。

表1 改造前后主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

4）浮船塢塢墻在原頂甲板上加高3.5 m，浮箱的橫向強(qiáng)框間距由原來的12.8 m改為6.4 m。

1.4 改造注意事項(xiàng)

1）改建所需的結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)采用船級(jí)社認(rèn)可的等級(jí)材料，焊接材料需根據(jù)船級(jí)社要求選取，并應(yīng)提供船級(jí)社證書。

2）改造前需對(duì)原塢結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性和測(cè)厚檢查，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造的準(zhǔn)確性。

3）對(duì)于切割塢墻、平移塢墻、塢墻焊接、新增結(jié)構(gòu)合攏等重要改造節(jié)點(diǎn)，船廠應(yīng)采取安全合理的施工方案，并在前期做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4）在整個(gè)浮船塢改造過程中，船廠應(yīng)控制測(cè)量浮箱的撓度，并應(yīng)注意集中焊接產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)于主要的合攏焊縫應(yīng)按照驗(yàn)船師的要求進(jìn)行檢測(cè)。

5）本塢改造焊接均采用雙面連續(xù)焊，焊接尺寸需按照最新的焊接規(guī)格表進(jìn)行施工。改造完成后，需按照密性試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行密性試驗(yàn)。

2 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 局部強(qiáng)度

浮船塢的船體構(gòu)件首先是從滿足船級(jí)社規(guī)范所要求的局部強(qiáng)度出發(fā)加以確定的[1]。本塢由原先的20 000 t舉力提升到40 000 t舉力要求進(jìn)行改造，塢的主尺度有較大增加，最大沉深、最大水位差也與原塢不同，因此需按照改造后塢的尺度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于加長(zhǎng)、加寬的新建部分，根據(jù)規(guī)范要求正常設(shè)計(jì)即可，這個(gè)并不太難。但對(duì)于原塢已有部分結(jié)構(gòu)，除了要對(duì)原塢的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核外，還需對(duì)原塢不滿足強(qiáng)度要求的部分結(jié)構(gòu)給出經(jīng)濟(jì)可行的改造方案。受文章篇幅所限，下面僅以本塢比較有代表性的塢底結(jié)構(gòu)為例，介紹一下對(duì)原塢該部分結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度校核情況和改造建議。

2.1.1 塢底板

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范2009》[2]，塢底板的板材厚度t應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得值，且最小板厚不小于7.5 mm。

由此可得，壓載艙位置為t＝11.86 mm，泵艙位置為t＝15.92 m m，而原塢浮箱底板的板厚均為14.00 mm，因此可知原塢底板在泵艙位置的板厚小于規(guī)范要求。

2.1.2 塢底縱骨

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范2009》，塢底縱骨的最小剖面模數(shù)W應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得值 式中：s 為扶強(qiáng)材間距，s＝0.8 m；l 為扶強(qiáng)材跨距，l＝3.2 m；h 為計(jì)算壓頭，m。壓載艙位置：本塢沉浮時(shí)最大水位差按沉浮曲線為8.477 m，加余量0.500 m，取h＝9.000 m；泵艙位置：最大深沉吃水18.000 m，加余量0.500 m，取h＝18.5 m。

由此可得，壓載艙位置：W＝516 cm3；泵艙位置：W＝1 061 cm3。

原塢底縱骨規(guī)格為350×100×12/17 I.A，計(jì)入帶板14×800，求得實(shí)際剖面模數(shù)為：W＝947.2 cm3，因此可知原塢底縱骨在泵艙位置的縱骨剖面模數(shù)小于規(guī)范要求。

2.1.3 解決方案

綜上可知，位于泵艙位置的塢底板厚和塢底縱骨規(guī)格均不滿足規(guī)范要求，需對(duì)該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，對(duì)于改造方案應(yīng)充分考慮改造施工難度和經(jīng)濟(jì)性等問題。表2羅列了3種問題的解決方案，并對(duì)3種方案進(jìn)行了綜合比較。

表2 解決方案綜合比較

相比較之下可知方案2最為優(yōu)化，即通過在泵艙區(qū)域的塢底板增設(shè)橫向支撐構(gòu)件，使得塢底強(qiáng)構(gòu)件間距由原來的3.2 m改為1.6 m，并考慮加設(shè)肘板，使得計(jì)算骨材跨距l(xiāng)≤1.4 m，這樣就可以使得原塢底板厚和塢底縱骨規(guī)格均能滿足規(guī)范要求。

2.2 總縱強(qiáng)度

2.2.1 總縱彎曲強(qiáng)度

1）設(shè)計(jì)總縱彎矩值

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范》，設(shè)計(jì)總縱彎矩Ms可按以式（3）計(jì)算：

式中：FL設(shè)計(jì)舉升能力，F(xiàn)L＝40 000 t；LD為塢長(zhǎng)，LD＝280.0 m。

計(jì)算得本塢改造方案的設(shè)計(jì)總縱彎矩：

Ms＝3683536.29 kN·m。

2）規(guī)范要求的船中橫剖面模數(shù)

根據(jù)式（4），可求得規(guī)范要求的船中位置甲板處和船底處的橫剖面模數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

3）船中位置實(shí)際橫剖面模數(shù)

采用MARS2000軟件可以計(jì)算出改造后的浮船塢位于船中位置的橫剖面模數(shù)如下：

甲板處實(shí)際橫剖面模數(shù)為

Wtop24.0m＝22 925 900 cm3

表3 甲板處和船底處要求的橫剖面模數(shù)

船底處實(shí)際橫剖面模數(shù)：Wbottom＝37 949 780 cm3

4）總縱彎曲強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，甲板處及船底處的實(shí)際橫剖面模數(shù)均大于規(guī)范要求的橫剖面模數(shù)，故改造后的浮船塢總縱彎曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2.2.2 總縱剪切強(qiáng)度

1）進(jìn)塢船長(zhǎng)

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范》，進(jìn)塢船長(zhǎng)LS（m）

可按以下規(guī)定取值：

式中：FL為設(shè)計(jì)舉升能力，F(xiàn)L＝40 000 t；LD為塢長(zhǎng)，LD＝280.0 m。

本塢改造后的進(jìn)塢船長(zhǎng)計(jì)算得：LS＝224.65 m。

2）剪力計(jì)算簡(jiǎn)化模型

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范》，剪力簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 進(jìn)塢船重量及浮力分布

如圖1所示，q1進(jìn)塢船沿船長(zhǎng)LS矩形分布的載荷部分，q1＝1 164.47 kN/m；q2(x)為進(jìn)塢船沿船長(zhǎng)LS的拋物線分布的載荷部分，q2(x)＝q0(1-Cx2) kN/m，其中，C＝4/LS2＝0.00 007 926，q0＝873.36 kN/m，x是以LD/2為原點(diǎn)（該點(diǎn)也與LS/2重合）的沿塢長(zhǎng)縱向坐標(biāo)；m則為正向指向塢首。qw為浮力載荷部分，qw＝1397.4 kN/m；L1為最短進(jìn)塢船首尾擱墩位置處，L1＝28.075 m；LQmax為最大剪力位置，LQmax按如下確定：

由此可得，x＝96.185 m，最大剪力位置距塢端LQmax＝LD/2－x＝44.215 m。

3）剪力

（1）距塢端L1＝28.05 m處剪力為

Q1＝?qw·L1＝?39 232 kN

（2）距塢端LQmax＝44.215 m處剪力為

Qmax＝?41 063 kN

4）剪切應(yīng)力

本塢改造后的縱向構(gòu)件沿塢長(zhǎng)方向無變化，因此，剖面特性視作等同于舯剖面數(shù)值?？刹捎肕ARS2000軟件求得剖面的剪力流，根據(jù)剪力流求得浮船塢各位置最大剪切應(yīng)力值如表4所示。

5）總縱剪切強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，浮船塢各位置最大剪切應(yīng)力值均小于許用剪切應(yīng)力，故改造后的浮船塢總縱剪切強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2.3 橫向強(qiáng)度

2.3.1 計(jì)算載荷

橫向強(qiáng)度主要是校核浮箱的橫向強(qiáng)框架，通?？珊?jiǎn)化為圖2所示的計(jì)算模式。

表4 浮船塢各位置剪切應(yīng)力值

圖2 浮船塢橫剖面載荷作用典型模式

其中改造后的塢墻外型間寬Boutside＝63 m，塢墻內(nèi)型間寬Binside＝55 m，塢墻寬Bwall＝4 m。

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范》并結(jié)合改造后的浮船塢實(shí)際情況，可以確定出如下橫向強(qiáng)度計(jì)算載荷。塢墻部分自重qwall＝517.58 k N/m，浮箱部分自重qs-pontoon＝142.83 kN/m，進(jìn)塢船重量P＝26 091.46 kN，浮箱甲板靜水壓力Ps-deck＝212.39 kN/m，艙內(nèi)靜水壓力Ps-tank＝663.55 kN/m，塢底外部水壓力Ps-outbottom＝1 280.60 kN/m，內(nèi)外塢墻處的支反力R1＝R2＝ 3 008.43 kN。

2.3.2 強(qiáng)度校核

1）橫向彎矩、剪力計(jì)算[3]

基于上述計(jì)算載荷及圖2載荷分布情況，可以求得某一塢寬位置處的縱剖面A-A上所受到的橫向彎矩MA-A和剪力QA-A如下。

距中心線x(m)處剖面彎矩MA-A(x)：

距中心線x(m)處剖面剪力QA-A(x)

2）橫向彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力及相當(dāng)應(yīng)力

根據(jù)CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范》要求，在浮箱的橫向長(zhǎng)度上選取數(shù)個(gè)典型浮箱縱剖面進(jìn)行該剖面的橫向彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度校核，且剖面的校核位置應(yīng)包括橫向強(qiáng)度較弱處，各選取位置的剖面特性可以采用MARS2000軟件得出。改造后的浮船塢橫向彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力及相當(dāng)應(yīng)力可由如下計(jì)算公式求得，具體計(jì)算結(jié)果如表5、表6和表7所示。

彎曲應(yīng)力計(jì)算

剪切應(yīng)力計(jì)算

相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算

表5 彎曲應(yīng)力計(jì)算匯總表

表6 剪切應(yīng)力計(jì)算匯總表

表7 相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算匯總表

3）橫向強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，改造后浮船塢橫向彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力及相當(dāng)應(yīng)力均小于規(guī)范要求的許用應(yīng)力，故改造后的浮船塢橫向強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

本文以大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工“遠(yuǎn)洋五”號(hào)浮船塢改造工程為例，對(duì)浮船塢的船體結(jié)構(gòu)改造內(nèi)容進(jìn)行了介紹，并對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述，經(jīng)過計(jì)算評(píng)估可知，改造后的浮船塢可以滿足CCS《浮船塢入級(jí)規(guī)范》要求的局部強(qiáng)度、總縱強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度，船體結(jié)構(gòu)改造方案預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)。同時(shí)，本文對(duì)于今后的浮船塢改造設(shè)計(jì)具有很好的參考和借鑒意義。