董明海，韓晨健，劉 猛，郭永升，趙 陳

（1. 浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山316021；2. 中國(guó)船級(jí)社舟山辦事處，浙江 舟山316000；3. 意大利船級(jí)社（中國(guó)）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(dá)到升、沉動(dòng)作的無(wú)動(dòng)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(shí)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(dòng)對(duì)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(shí)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(duì)浮船塢安全而言意義重大。對(duì)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(yùn)動(dòng)中對(duì)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(mèng)等[1]構(gòu)建了以勢(shì)能理論角度為切入點(diǎn)結(jié)合懸鏈線(xiàn)方程的系泊系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。錢(qián)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(shí)例介紹了采用計(jì)算機(jī)程序求解錨鏈泊碇的浮船塢鏈索力的計(jì)算方法。本文為某30000 噸舉力浮船塢設(shè)計(jì)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(jì)、工作原理、受力情況計(jì)算等方面進(jìn)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(jiàn)表1。從浮船塢的整體布置設(shè)計(jì)來(lái)看，整體塢墻長(zhǎng)201.6m，在頂甲板伸出內(nèi)塢墻0.85m 處設(shè)引船小車(chē)軌道，長(zhǎng)度沿整個(gè)塢墻，如圖1 所示。實(shí)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(qiáng)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(tái)。大開(kāi)口處采用圓型角或拋物線(xiàn)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(gè)塢體以縱骨架式結(jié)構(gòu)為主，橫艙壁、甲板、強(qiáng)橫梁、橫梁和塢底及肋板等構(gòu)件主要承擔(dān)整個(gè)塢體的橫向強(qiáng)度，浮船塢上設(shè)有門(mén)座式起重機(jī)。

浮船塢作業(yè)、系泊時(shí)受到風(fēng)浪、水流條件的影響，具有隨機(jī)性，為起到確保安全，考慮系泊設(shè)備對(duì)塢體結(jié)構(gòu)的影響，需要對(duì)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)加強(qiáng)，浮船塢艏艉設(shè)置兩個(gè)風(fēng)暴系纜柱，配合浮船塢抱樁系泊裝置，對(duì)裝置端部處的支撐結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)[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(jì)

2.1 抱樁系泊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(xiāo)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(xiāo)軸，可方便拆卸、維護(hù)，檢測(cè)?？ōh(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(gè)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(dòng)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(jì)為活動(dòng)結(jié)構(gòu)，上面一層設(shè)計(jì)為固定結(jié)構(gòu)，均為軸瓦狀，銷(xiāo)軸連接?？ōh(huán)采用靈活方便三瓣結(jié)構(gòu)形式，安裝操作簡(jiǎn)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(diǎn)，塢柱與卡環(huán)直接連接操作難度低，強(qiáng)度可靠，減少系泊過(guò)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(guò)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(guò)銷(xiāo)軸鉸接。連接耳相互之間，設(shè)置為齒狀交錯(cuò)形式，即能保證其拆裝方面，有能使各連接處的強(qiáng)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(jì)原理。抱樁系泊裝置所受到的力，主要來(lái)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(guò)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(dòng)態(tài)平衡分析；墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；浮船塢抱樁裝置的整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與強(qiáng)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(duì)裝置的保護(hù)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(qiáng)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(shí)保證塢柱具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)本身具有修理方便的特點(diǎn)。通過(guò)增加控制液壓泵對(duì)抱樁裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了緩沖功能，可實(shí)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(shí)，風(fēng)力、水流力和波浪力將對(duì)其聯(lián)合作用[5-6]，進(jìn)行施加載荷和約束的受力分析評(píng)估對(duì)裝置的安全性能，同時(shí)分析浮船塢抱樁泊碇時(shí)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(mǎn)足規(guī)范要求，確保浮船塢抱樁系泊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)較緩，可取1.0 米/秒。10萬(wàn)噸級(jí)散貨船通過(guò)滑道滑移到浮船塢上，利用低平潮到高平潮的時(shí)間段，在整個(gè)滑移過(guò)駁期間必須確保浮船塢水平高度不變，橫向移動(dòng)不超過(guò)容許范圍。浮船塢T 型靠泊時(shí)，船體船長(zhǎng)方向垂直于流向，受流面寬度220.8 米。水流對(duì)船體的沖擊影響船體的穩(wěn)定，為了保證滑移過(guò)駁期間有效控制浮船塢的橫向移動(dòng)，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(tái)和墩臺(tái)，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)標(biāo)高+8.0m、其厚度5.0m，墩臺(tái)樁采用鋼管樁基，其Φ=1600mm×30，墩臺(tái)下設(shè)有斜樁。

波浪力的計(jì)算方法采用《海港水文規(guī)范》[7]，風(fēng)載荷以及水流力的計(jì)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(jì)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(jì)算：

式（3）中，ρ為流體的密度，V為來(lái)流的速度，A為繞流物體在垂直于來(lái)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(jì)算，分兩種情況分析，當(dāng)D/L＜0.2 時(shí)，D為迎波面寬度，L為波長(zhǎng)。采用流體的繞流理論計(jì)算；當(dāng)D/L＞0.2 時(shí)，采用流體的繞射理論計(jì)算，其由速度分力和慣性分力組成，其計(jì)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(shí)，合力：

合力矩：

在D/L＞0.2 時(shí)，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(jì)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(zhǎng)。

計(jì)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(jì)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(tái)間夾角不同的10 種工況中，浮船塢抱樁強(qiáng)度計(jì)算最大軸向拉力為3126kN，產(chǎn)生在作用載荷與墩臺(tái)間夾角60°時(shí)，設(shè)計(jì)拉應(yīng)力許用極限值為4780kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。最大軸向壓力為5884kN，產(chǎn)生在作用載荷與墩臺(tái)間夾角50°時(shí)，設(shè)計(jì)壓應(yīng)力許用極限值為7890kN，同樣滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。最大變形位移45.5mm，產(chǎn)生在作用載荷與墩臺(tái)間夾角30°時(shí)，設(shè)計(jì)變形許用極限值為65mm，均符合要求，從計(jì)算結(jié)果分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。

4 結(jié)束語(yǔ)

浮船塢抱樁系泊裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是浮船塢作業(yè)安全性、使用壽命的重點(diǎn)工程。根據(jù)浮船塢的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要優(yōu)選合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化布局方案設(shè)計(jì)。文中設(shè)計(jì)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(duì)其受力情況分析，滿(mǎn)足規(guī)范要求，保證運(yùn)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(cái)力。

表2 抱樁柱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果