浮船塢抱樁區(qū)域塢墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

張士天,邵國伍,嚴(yán)成麟

(金海智造股份有限公司，上海200135)

0 引言

浮船塢在船舶修理和建造等生產(chǎn)過程中發(fā)揮了非常重要的作用。相對于干船塢而言，具有投資少、可靈活移動等優(yōu)點(diǎn)，歷來被人們所青睞[1]。

在浮船塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其局部強(qiáng)度是一個重要的組成部分[2]，尤其是抱樁區(qū)域的塢墻結(jié)構(gòu)，在惡劣天氣情況下會承受非常大的載荷，可達(dá)到數(shù)千噸級。目前，針對此類結(jié)構(gòu)評估的文獻(xiàn)并不多見。業(yè)內(nèi)的設(shè)計與研究基本聚焦于浮船塢的作業(yè)工況下船塢的縱向和橫向強(qiáng)度問題，對處于泊碇狀態(tài)下的塢墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度則關(guān)注不多。事實(shí)上，該區(qū)域的結(jié)構(gòu)常常承受著非常大的載荷，不宜忽視。

本文將以某船塢強(qiáng)度計算為例，介紹一種基于船模試驗(yàn)和有限元分析的評估方法，可為類似問題提供參考。

1 研究對象簡介

1.1 浮船塢情況簡介

本文所評估的浮船塢為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，該塢的主要尺度參數(shù)為：總長240.0 m，浮箱長度220.0 m，浮塢寬48.0 m，最大沉深吃水14.4 m，工作吃水4.2 m，肋骨間距500 mm。

該浮船塢需使用兩套抱樁裝置泊碇在工作水域碼頭，抱樁裝置分別安裝在浮船塢左塢墻首、尾區(qū)域的外側(cè)。

1.2 抱樁裝置及支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

抱樁裝置由卡環(huán)和導(dǎo)柱組成?？ōh(huán)設(shè)于水工建筑(系塢墩)上，導(dǎo)柱設(shè)于塢墻外壁上，由下、上基座固定。浮船塢抱樁裝置見圖1。

圖1 抱樁裝置示意圖

為了保證船塢塢墻內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)具備足夠的強(qiáng)度抵抗載荷，塢墻內(nèi)的首、尾兩抱樁區(qū)域設(shè)置了適量的橫向框架、水平平臺或水平桁材。塢墻構(gòu)件以滿足船級社規(guī)范要求加以確定[1]，采用有限元法進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2 載荷

根據(jù)船塢的操作要求并結(jié)合船塢的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，對浮船塢結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響的載荷主要包含船塢泊碇外力、舷外水壓力、艙內(nèi)水壓力以及船塢的自重。

2.1 泊碇外力

浮船塢在泊碇時，將受到風(fēng)力、水流力和波浪力的作用[3]。為獲得準(zhǔn)確的載荷和運(yùn)動數(shù)據(jù)，設(shè)計選用了水池模擬試驗(yàn)的方法來測定浮船塢在風(fēng)、浪作用下的載荷及運(yùn)動。

2.1.1 水池試驗(yàn)情況介紹

2.1.1.1 模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則及換算方法

為了保證預(yù)報的可靠性與準(zhǔn)確性，模型試驗(yàn)嚴(yán)格遵循有關(guān)的力學(xué)相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型進(jìn)行，并且滿足幾何相似、流體動力相似、非定常流動相似和結(jié)構(gòu)動力相似等準(zhǔn)則。

2.1.1.2 模型縮尺比

根據(jù)浮船塢、碼頭尺寸、自然載荷參數(shù)及試驗(yàn)水池的尺度，綜合考慮模型試驗(yàn)精度問題，取縮尺比λ=50。

2.1.1.3 模型制作

(1)浮船塢模型

浮船塢模型由木材制作，與實(shí)體幾何相似。

(2)導(dǎo)柱模型

導(dǎo)柱實(shí)體為鋼管結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格來說是一個彈性體。為正確模擬導(dǎo)柱對卡環(huán)的作用力，模型設(shè)計中應(yīng)考慮導(dǎo)柱模型與實(shí)體彈性相似。按照上述的相似準(zhǔn)則，導(dǎo)柱模型應(yīng)與實(shí)體滿足抗彎剖面剛度EI相似(E為彈性模量，I為剖面慣性矩)。

模型設(shè)計中將導(dǎo)柱作為梁處理，采用聚楓材料制作導(dǎo)柱模型，在保持導(dǎo)柱模型外徑與實(shí)體外徑幾何相似條件下，通過改變導(dǎo)柱模型的內(nèi)徑來達(dá)到兩者EI相似。

(3)卡環(huán)模型

卡環(huán)實(shí)體為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)支座上設(shè)置鐵梨木襯墊來減小導(dǎo)柱與卡環(huán)間的撞擊作用。鐵梨木為一種彈性體，在導(dǎo)柱作用下會發(fā)生壓縮變形，模型與實(shí)體應(yīng)滿足壓縮變形相似。經(jīng)分析，卡環(huán)模型主體采用鋼材制作，與實(shí)體幾何相似。襯墊采用普通木材，按橫紋方向粘結(jié)于卡環(huán)模型內(nèi)支座上，可達(dá)到模型與實(shí)體壓縮變形相似。

(4)碼頭模型

碼頭尺寸、外形(長、寬、高)、距泥面高度(高程)與實(shí)體幾何相似。碼頭全部采用鋼板制作，用螺絲固定于試驗(yàn)水池底部?？ōh(huán)墩上安裝卡環(huán)，保證縱向和垂向位置與實(shí)體幾何相似。

2.1.1.4 主要試驗(yàn)設(shè)備和測量儀器

本次試驗(yàn)的目的是測定在波浪和風(fēng)等自然載荷作用下，導(dǎo)柱對卡環(huán)的作用力，模型試驗(yàn)中必須正確模擬波浪、風(fēng)等參數(shù)。試驗(yàn)利用水池的造波機(jī)和造風(fēng)機(jī)模擬試驗(yàn)要求的波浪及風(fēng)參數(shù)，利用超聲波測量儀、傾角傳感器測量相對位移和橫搖及縱搖。

2.1.2 水域環(huán)境模擬

根據(jù)該船塢設(shè)計工作水域的水文資料，最高潮水位為+4.325 m，最低水位為-0.246 m。 試驗(yàn)選取了浮塢4 m和4.5 m吃水高、低兩種潮位下四種不同浪向(西北NW、西W、西南SW和南S)時的多種組合海況，通過讀取設(shè)置在卡環(huán)環(huán)墩的兩分力傳感器數(shù)據(jù)來測量卡環(huán)所受的法向分力(Fx)和縱向分力(Fy)，使用傾角傳感器和超聲波測量儀測量橫搖及縱搖、垂蕩和導(dǎo)柱與卡環(huán)間的相對運(yùn)動。

由于試驗(yàn)狀態(tài)下船塢模型的延船塢寬度和長度的反復(fù)運(yùn)動，因而試驗(yàn)采集了最大法向壓力、法向拉力和切向力。有限元強(qiáng)度評估時，對卡環(huán)處的受力采用所有試驗(yàn)海況下最大法向壓力或最大法向拉力與最大切力的合力。試驗(yàn)測得各潮位海況下最大載荷及有限元計算輸入值見表1。

表1 測量工況下卡環(huán)最大受力及有限元計算輸入值

2.2 舷外水壓力

舷外水壓力施加于船塢外板和船塢底板上。在兩種不同的吃水狀態(tài)下，其所受到的舷外水壓力不同。塢墻外板的水壓力P與吃水深度之間的計算公式如下：

P=ρg(h-Z)

式中：h為船塢吃水；Z為載荷位置距離基線的高度；ρ為水的密度；g為重力加速度。

2.3 艙內(nèi)壓載水壓力

對位于船塢舷側(cè)、雙層底的壓載艙施加靜水壓力P2。計算公式為：

P2=ρg(h2-Z2)

式中：h2為壓載艙自基線量起的最大水深；Z2為載荷位置距離基線的高度。

2.4 結(jié)構(gòu)自重

對有限元模型施加初始慣性力模擬自重。

2.5 極端高潮位下載荷

當(dāng)卡環(huán)位于導(dǎo)柱中間時，塢墻上、下基座處的受力相同，為總載荷的一半。極端高潮位時，卡環(huán)中心與下基座中心的距離約為1.99 m，此時塢墻上、下基座處的受力將不相同。根據(jù)力矩平衡方程，確定載荷分配系數(shù)。

3 工況的選擇

分析船模試驗(yàn)各工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，船塢在4.5 m吃水、浪向SW(82°)高潮位4.326 m情況下所承受的載荷最大?？紤]到極端高潮位的情況，對于浮船塢塢墻支撐強(qiáng)度評估，選取表2的4種工況。

表2 浪向SW(82°)工況組合表

4 有限元模型介紹及結(jié)果分析

4.1 有限元模型

強(qiáng)度設(shè)計采用有限元直接計算法對船體支撐結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行靜力學(xué)分析。

模型選取船塢尾部抱樁縱向Fr35至Fr115、橫向船塢中心至塢墻外板的區(qū)域區(qū)作為評估范圍。船塢主要構(gòu)件的板材采用二維殼單元模擬?？v骨、普通橫梁、強(qiáng)構(gòu)件面板、加強(qiáng)筋板等采用梁單元模擬。

模型的非自由邊約束了X、Y、Z三個方向的移動自由度。

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)要求對單元的合成應(yīng)力[4]進(jìn)行評估，許用值根據(jù)規(guī)范[5]的規(guī)定確定。

根據(jù)分析結(jié)果可知，卡環(huán)基座區(qū)域的塢墻結(jié)構(gòu)經(jīng)過加強(qiáng)設(shè)計考慮后，在所有工況下最大應(yīng)力為130.0 MPa(位于頂甲板開口處)，最大剪切應(yīng)力為85.8 MPa位于舭部Fr68強(qiáng)框架)，符合規(guī)范要求。典型工況的應(yīng)力、位移結(jié)果輸出見圖2和圖3。

5 結(jié)論

圖2 船體支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(受壓狀態(tài))

圖3 結(jié)構(gòu)位移(受壓狀態(tài))

(1)由水池試驗(yàn)測得船塢各工況下抱樁區(qū)域相關(guān)的受力和運(yùn)動的原始數(shù)據(jù)。水池試驗(yàn)基于浮船塢服務(wù)水域的水文情況并考慮了船塢的設(shè)計工況。

(2)采用三維有限元分析的方法對塢墻相關(guān)區(qū)域強(qiáng)度進(jìn)行直接強(qiáng)度分析。有限元模型的載荷不僅要考慮泊碇外力，還考慮了舷外水壓力、艙內(nèi)水壓力、結(jié)構(gòu)自重等載荷。

此外，浮船塢抱樁的上、下基座同時承受了較大的載荷，在做基座設(shè)計時應(yīng)予以重視。若船塢塢墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力輸出接近許用值時，還應(yīng)補(bǔ)充考慮屈曲強(qiáng)度的問題。