摘" 要：對(duì)于近期船塢建設(shè)缺少水位調(diào)節(jié)條件給臥倒式塢門安裝帶來困難的問題，該文提出通過臥倒式塢門內(nèi)部水量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)大角度浮態(tài)調(diào)整的安裝方式，明確多個(gè)穩(wěn)定浮態(tài)對(duì)于臥倒式塢門平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)的必要性；進(jìn)行臥倒式塢門穩(wěn)定浮態(tài)的靜力學(xué)分析，提出基于預(yù)設(shè)臥倒式塢門橫傾角度的浮態(tài)計(jì)算方法；結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)浮態(tài)計(jì)算中艙室容積的形心計(jì)算提出一種簡(jiǎn)化計(jì)算方式，并基于該簡(jiǎn)化方式提出一種自由液面影響下艙室內(nèi)部水重心的工程應(yīng)用算法。

關(guān)鍵詞：臥倒式塢門；浮態(tài)；自由液面；簡(jiǎn)化計(jì)算；工程應(yīng)用算法

中圖分類號(hào)：TP301.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0134-04

Abstract： Lack of water level adjustment in recent dock construction causes difficult in flap dock gate installation. In this paper， a method of installation involving large angle rotation of flap dock gate in free water by adjusting amount of water within flap dock gate is proposed. The necessity of multiple stable afloat conditions during this installation is identified. Static state of dock flap dock gate is analyzed， and a design procedure based on pre-determined flap dock gate heeling angle is proposed. A simplification method in flap dock gate afloat condition centroid calculation is proposed based on real case analysis. An engineering application algorithm is provided for centroid calculation affected by free surface.

Keywords： flap dock gate; afloat condition; free surface; simplification method; engineering application algorithm

臥倒式塢門是國(guó)內(nèi)外大型修造船塢的重要配套設(shè)備之一，其作用是在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)處于直立狀態(tài)擋住塢室外的水，以提供船舶修造作業(yè)條件，而在開啟時(shí)旋轉(zhuǎn)約90°落入塢外預(yù)設(shè)的門坑呈臥倒?fàn)顟B(tài)，可供船舶出入。在以往國(guó)內(nèi)修造船塢的建設(shè)中，臥倒式塢門均在船塢及塢口附近水位可調(diào)的狀態(tài)下完成安裝作業(yè)。隨著現(xiàn)代船塢建設(shè)的發(fā)展，臥倒式塢門的安裝在船塢整體建設(shè)工序步驟中有所調(diào)整，所以對(duì)臥倒式塢門提出了在塢室內(nèi)外水域連通的狀態(tài)下進(jìn)行安裝的要求。

1" 臥倒式塢門的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介

臥倒式塢門一般可分為氣控式和機(jī)械式，其中氣控式是通過調(diào)節(jié)臥倒式塢門內(nèi)部艙室的水和空氣的體積，進(jìn)而改變臥倒式塢門的浮力矩和重力矩，使得臥倒式塢門在浮力矩和重力矩的作用下趨向平臥和直立狀態(tài)；而機(jī)械式臥倒門則配有絞車，絞車通過鋼絲繩拉曳門體，通過放繩將臥倒式塢門放下至平臥狀態(tài)、通過收繩將臥倒式塢門拉起至直立狀態(tài)。

臥倒式塢門一般由門體結(jié)構(gòu)、管路、門鉸、止水、固體壓載及其他附件組成，機(jī)械臥倒式塢門還配備一套由絞車、滑輪、鋼絲繩組成的拉曳系統(tǒng)。臥倒式塢門的門體結(jié)構(gòu)是一個(gè)大型水密鋼結(jié)構(gòu)箱體，其高度方向上一般分3層，上層設(shè)有潮汐艙、中層設(shè)有固定浮艙等、底層設(shè)壓載水艙，門體結(jié)構(gòu)對(duì)稱于其中截面[1]。

在臥倒式塢門安裝至塢口時(shí)，通常僅將位于門體內(nèi)部的管路、安裝在門體底部的門鉸上鉸座、止水等部件安裝在門體結(jié)構(gòu)上一并進(jìn)行安裝，其他部件有的先期完成安裝，如：機(jī)械式臥倒門的絞車、氣控式臥倒門位于岸上的控制室內(nèi)設(shè)備、安裝在塢口基礎(chǔ)上的門鉸下鉸座等，有的則在門體安裝完成后再進(jìn)行安裝，如欄桿、氣控式臥倒門連接至岸上的控制室的管路段、機(jī)械式臥倒門的鋼絲繩等。

2" 臥倒式塢門安裝原理

在船塢建設(shè)具備水位調(diào)節(jié)條件時(shí)，即臥倒式塢門安裝前船塢圍堰未拆除時(shí)，臥倒式塢門可在平臥漂浮狀態(tài)運(yùn)至塢口，然后隨水位逐漸落在門軸上[2]。而當(dāng)因船塢建設(shè)需要，在臥倒式塢門安裝前即拆除圍堰時(shí)，臥倒式塢門無法隨水位落位，此時(shí)就需要臥倒式塢門自身從較適宜托運(yùn)的平臥漂浮狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至直立漂浮狀態(tài)并落位。

為實(shí)現(xiàn)臥倒式塢門調(diào)整漂浮姿態(tài)這一動(dòng)作，雖然可以使用大型浮吊進(jìn)行直接調(diào)整[3]，但考慮到常規(guī)臥倒式塢門的尺度，一種較為經(jīng)濟(jì)的方法是將臥倒式塢門內(nèi)的固定浮艙、操作艙和臨時(shí)封閉并接上管路的潮汐艙均用作調(diào)節(jié)艙，通過向以上各艙室內(nèi)分別緩慢灌入一定量的水改變臥倒式塢門的排水量、重心、浮心，臥倒式塢門在重力矩和浮力矩的作用下，逐漸穩(wěn)定在特定的吃水和旋轉(zhuǎn)角度，最終隨潮位的變化落在門鉸下鉸座上。

盡管這一浮態(tài)調(diào)整方式僅需確定平臥、直立這2個(gè)浮態(tài)即可指導(dǎo)整個(gè)調(diào)整過程，但此二狀態(tài)間艙室內(nèi)水量相差較大，如在短時(shí)間內(nèi)完成各艙室水量調(diào)整，則重力矩、浮力矩作用下的門體旋轉(zhuǎn)速度較快，同時(shí)由于臥倒式塢門自身規(guī)模導(dǎo)致所需拖帶力一般大于拖船、絞盤、系船柱的能力，門體轉(zhuǎn)至直立狀態(tài)后容易繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，造成浮態(tài)失控。而如果減慢艙室灌水速度但不注意灌水順序，由于隨增大的重力一同增加的浮力可能具有更大的力臂，則重力矩、浮力矩綜合作用下的門體可能會(huì)出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。因此，為使得整個(gè)旋轉(zhuǎn)安裝過程盡量平穩(wěn)，需要在平臥、直立之間增加若干穩(wěn)定浮態(tài)，即門體在這些浮態(tài)時(shí)均需要處于平衡狀態(tài)。

3" 臥倒式塢門的浮態(tài)

3.1" 臥倒式塢門受力分析

為便于浮態(tài)分析，假設(shè)安裝中的臥倒式塢門門體所處水域?yàn)殪o水，則門體僅受重力和浮力，其漂浮于水上處于力平衡和力矩平衡狀態(tài)，即有

W=B和W·xg=B·xB，

式中：W為塢門重力；B為塢門浮力；xg為塢門沿船塢塢長(zhǎng)方向重心；xB為塢門沿船塢塢長(zhǎng)方向浮心，即塢門水下部分沿船塢塢長(zhǎng)方向形心。

設(shè)塢門內(nèi)有n個(gè)可灌水艙室，則塢門重力W有

W=Wfg+ Wi，

式中：Wfg為門體結(jié)構(gòu)和固定在門體結(jié)構(gòu)上所有部件的總重力；Wi為第i個(gè)艙室中水的重力。

根據(jù)《浮體靜力學(xué)與動(dòng)穩(wěn)性理論》[4]，塢門沿船塢塢長(zhǎng)方向重心可按以下公式計(jì)算

xg= ，

式中：xfg為對(duì)應(yīng)門體總重力Wfg的沿船塢塢長(zhǎng)方向重心；xb，i為第i個(gè)艙室內(nèi)水的沿船塢塢長(zhǎng)方向重心。

塢門的浮力有

B= V，

式中：？籽為塢門安裝所處水域的水密度；V為特定浮態(tài)時(shí)塢門水下部分的體積。

為使得門體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，除重力與浮力相等以外，還需要滿足浮心位于重心的上方0.05 m[5]，故有

yB-yg 0.05 m，

式中：yB為塢門豎直方向浮心；yg為塢門豎直方向重心。

3.2" 臥倒式塢門浮態(tài)分析

3.2.1" 臥倒式塢門浮態(tài)計(jì)算方式

在臥倒式塢門的力平衡、力矩平衡公式中，門體結(jié)構(gòu)及固定在門體結(jié)構(gòu)上所有部件的合成重心隨門體橫傾角度α變化。塢門各艙室內(nèi)水的重心xb，i隨水的重量wi和門體橫傾角度α變化，且若艙室內(nèi)水未滿，還需要進(jìn)行自由液面影響修正。塢門水下部分的體積大小和對(duì)應(yīng)的浮心根據(jù)門體橫傾角度α和門體吃水l確定。

將臥倒式塢門的力平衡、力矩平衡相關(guān)公式代入整理后，可用于求解的公式數(shù)量小于變量數(shù)量（即：門體橫傾角度α、門體吃水l、各艙室灌水量wi），無法求解。為此，可先假定一個(gè)確定的橫傾角度，然后設(shè)定門體吃水初選值，進(jìn)而根據(jù)力平衡公式逐個(gè)調(diào)整艙室的灌水量，再求得門體浮心、各艙室內(nèi)水的重心等浮態(tài)參數(shù)，并驗(yàn)證力矩平衡及浮心高于重心的規(guī)范要求，將此過程反復(fù)迭代后，可得到一個(gè)穩(wěn)定的浮態(tài)。經(jīng)實(shí)際臥倒式塢門設(shè)計(jì)安裝項(xiàng)目嘗試，門體橫傾角度以10～15°的步進(jìn)進(jìn)行設(shè)置，從而將臥倒式塢門的浮態(tài)自平臥至直立間加入5～8個(gè)中間穩(wěn)定狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。

3.2.2" 自由液面影響

一個(gè)未完全灌滿的艙室內(nèi)將產(chǎn)生自由液面，船舶為減小自由液面對(duì)中心的影響通常設(shè)置多道艙壁[6]，但臥倒式塢門受其制造成本所限一般無法采用該方式，因此需要在浮態(tài)計(jì)算中進(jìn)行自由液面修正。由于浮態(tài)計(jì)算中需要根據(jù)已知灌水量和塢門角度求取重心位置，首先就需要計(jì)算自由液面的位置。對(duì)于一個(gè)確定的臥倒式塢門，每個(gè)艙室的自由液面及灌水重心理論上可準(zhǔn)確計(jì)算得到。

臥倒式塢門門體結(jié)構(gòu)為加強(qiáng)門體強(qiáng)度和剛度，其面板、甲板、肋骨等主要結(jié)構(gòu)一般會(huì)設(shè)置T排、角鋼等構(gòu)件[7]，如圖2所示。在計(jì)算各艙室內(nèi)部容積時(shí)，應(yīng)當(dāng)將這些構(gòu)件及相應(yīng)筋板等附件所占體積扣除，因此艙室內(nèi)部容積不能按表面平整的平行六面體計(jì)算。因?yàn)榫_計(jì)算每根T排、角鋼構(gòu)件、筋板在相應(yīng)狀態(tài)下的體積及其對(duì)自由液面的影響將會(huì)在工程設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的大量計(jì)算，宜在計(jì)算中對(duì)艙室內(nèi)部空間進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，可在較小的誤差內(nèi)提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率。

考慮到一般臥倒式塢門中不同構(gòu)件所占體積的大小，通?？梢詫⒓訌?qiáng)面板的構(gòu)件（即縱桁材）、加強(qiáng)甲板和隔板的構(gòu)件中的主要T排、型鋼簡(jiǎn)化為平直通長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這一簡(jiǎn)化方式對(duì)比簡(jiǎn)化前的艙室及進(jìn)一步將所有加強(qiáng)構(gòu)件去除的艙室（圖4），其對(duì)容積大小、形心位置的計(jì)算較為準(zhǔn)確。以實(shí)際臥倒式塢門為例，簡(jiǎn)化前、簡(jiǎn)化后、過度簡(jiǎn)化的艙室內(nèi)容積、形心對(duì)比見表1。

對(duì)于一已知形狀及目標(biāo)形狀面積（或目標(biāo)形狀面積占該形狀總面積之比），為滿足目標(biāo)形狀下部與已知形狀邊緣重合、上部為水平直線（即艙室內(nèi)自由液面）的條件，可采用二分法求得目標(biāo)形狀上部水平邊的位置，進(jìn)而求得形心位置。工程設(shè)計(jì)時(shí)，可在目前主流CAD軟件中通過二分法反復(fù)作圖獲得。為進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率，也可將作圖過程編寫為程序，自動(dòng)求近似解。程序偽代碼如圖5所示。輸入為形狀各端點(diǎn)坐標(biāo)矩陣，目標(biāo)形狀面積占總面積之比；輸出為形心坐標(biāo)。

由圖5可知，偽代碼中的面積計(jì)算部分findArea由于簡(jiǎn)化后的艙室截面是簡(jiǎn)單多邊形，故直接采用高斯面積公式

，

式中：n為多邊形的端點(diǎn)個(gè)數(shù)；xi、yi為各端點(diǎn)坐標(biāo)。

偽代碼可在Matlab中實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行界面如圖6所示。相較于采用沿y軸積分的方式計(jì)算面積，采用高斯公式的計(jì)算效率更高。

4" 實(shí)際安裝作業(yè)中的注意事項(xiàng)

以上門體浮態(tài)分析是基于靜水的前提、以臥倒式塢門設(shè)計(jì)圖紙為對(duì)象進(jìn)行。在實(shí)際安裝作業(yè)中，安裝水域的波浪、臥倒式塢門制造誤差及各部件安裝誤差均會(huì)影響門體浮態(tài)分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以除了灌水作業(yè)所需的輔助船舶、設(shè)備以外，實(shí)際安裝作業(yè)還需要準(zhǔn)備抽水設(shè)備、輔助拖船等，以保證門體安裝可安全、平穩(wěn)地完成。

5" 結(jié)束語

臥倒式塢門通過浮態(tài)調(diào)整進(jìn)行的門體安裝與水位可調(diào)狀態(tài)下進(jìn)行的安裝作業(yè)不同，需要對(duì)浮態(tài)調(diào)整進(jìn)行分析計(jì)算。通過按浮態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分步灌水，可使得臥倒式塢門門體自行平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，以經(jīng)濟(jì)的方式完成安裝。

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