自升平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船下水方案優(yōu)化及強(qiáng)度分析

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125

1 工程概況

自升平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船“一航津平2”（下文簡(jiǎn)稱整平船）在海底隧道施工建設(shè)中是基礎(chǔ)整平不可或缺的關(guān)鍵裝備，為我國(guó)碎石整平領(lǐng)域的第五代核心裝備。該船由中交一航局研發(fā)投資，上海振華重工建造，集基準(zhǔn)定位、石料輸送、高精度鋪設(shè)整平、質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收功能于一體。整平船主船體為箱型“回”字結(jié)構(gòu)，船長(zhǎng)98.7m、寬66.3m，型深6.5m，樁腿總長(zhǎng)為75m（可根據(jù)水深工況環(huán)境接長(zhǎng)至95m），中間月池尺寸為70.5m×47.3m。鋪設(shè)整平作業(yè)最大水深40m，在不移動(dòng)船身的情況下作業(yè)范圍可達(dá)57m×44m，每4個(gè)船位可完成單個(gè)沉管區(qū)域的拋石整平作業(yè)，且整平船具有在風(fēng)暴工況下站立自存的能力。

由于整平船具有特殊的箱型“回”字結(jié)構(gòu)，船身較長(zhǎng)，若采用駁船橫靠碼頭，整平船橫向滑移下水的常規(guī)方案將帶來(lái)較多的問(wèn)題，增加下水的風(fēng)險(xiǎn)。因此，文章對(duì)常規(guī)下水方案所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，提出縱向靠駁下水方案，并建立整平船下水的有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度分析，確保該方案下整平船的強(qiáng)度能夠滿足船級(jí)社規(guī)范的要求。

2 常規(guī)海工平臺(tái)下水方案

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)海工平臺(tái)下水進(jìn)行了深入的研究。其中，宋友良等[1]對(duì)比海工裝備和民用船舶，提出了典型海工裝備總裝建造模式；滕瑤等[2]總結(jié)了海工平臺(tái)在陸上批量并行總裝建造模式，該模式通常包括片體組裝、分段建造、大模塊建造、駁船下水、整體吊裝合攏等。其中駁船下水及運(yùn)輸通常由半潛運(yùn)輸駁船橫靠碼頭以減少滑道工裝，海工模塊或平臺(tái)在軌道上牽引滑移或者液壓頂推到半潛運(yùn)輸駁船，然后半潛運(yùn)輸駁船選擇合適條件開(kāi)始下潛，駁船與海工模塊或平臺(tái)脫離，從而完成下水過(guò)程。

根據(jù)整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，抬升設(shè)備、機(jī)艙、變頻器室、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室、空調(diào)機(jī)室、CO2站室、輔機(jī)艙、中控室以及生活區(qū)等都集中于整平船首尾處，該處約占60%空船重量，形成了首尾重、中間輕的特點(diǎn)。應(yīng)用常規(guī)海工平臺(tái)橫向滑移下水方式時(shí)，整平船首尾外伸部分將處于懸臂梁式的受力狀態(tài)，整平船與駁船兩側(cè)接觸處會(huì)產(chǎn)生非常大的支反力，將破壞整平船的船底結(jié)構(gòu)。同時(shí)，考慮到碼頭漲落潮的影響，整平船從碼頭滑移到駁船指定位置后，要求駁船迅速離開(kāi)碼頭，避免整平船外伸部分與碼頭發(fā)生擱淺式碰撞。

3 縱向靠駁下水方案

為了解決整平船利用常規(guī)下水方案所帶來(lái)的問(wèn)題，文章提出整平船縱向靠駁滑移下水方案。該方案要求駁船尾部浮箱具有可拆卸功能，駁船縱向靠碼頭，整平船從駁船尾部滑移到駁船上，駁船尾部浮箱待整平船滑移到位后再歸回原位。在下水過(guò)程中，整平船在滑道上始終保持均勻受力狀態(tài)，滑道的支反力也基本保持一致。該方案有效避免了應(yīng)力集中及整平船外伸部分與碼頭碰撞的問(wèn)題，降低了整平船下水時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

4 船體強(qiáng)度

4.1 模型及荷載

（1）有限元模型。為了分析整平船在縱向靠駁下水情況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，文章建立了主船體有限元分析模型，模型包括主甲板下的主船體結(jié)構(gòu)及首尾端的加強(qiáng)工裝件，主甲板以上結(jié)構(gòu)采用施加荷載的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化。其中，滑移軌道采用彈簧模擬，軌道的數(shù)量、長(zhǎng)度、彈性模量和彈簧剛度根據(jù)軌道的實(shí)際布置情況及枕木的實(shí)際承載能力進(jìn)行模擬。軌道布置如圖1所示。

圖1 軌道布置示意圖（從下往上看）

（2）模型坐標(biāo)系。整平船有限元模型坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)位于0#肋位、船底板、中心線相交處，X方向指向船首，Y方向由船中指向左舷側(cè)，Z方向?yàn)榇怪毕蛏稀?/p>

（3）模型邊界條件。整平船有限元模型的邊界條件如圖2所示。

圖2 模型邊界條件

（4）工況及荷載。整平船下水過(guò)程主要考慮整平船在碼頭上以及滑到半潛駁上的兩種情況。在這兩種情況下，其下方承載軌道長(zhǎng)度相同，且通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)半潛駁自身剛度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常有限，故在同一荷載的工況下，整平船在碼頭上與半潛駁上的計(jì)算結(jié)果相同。

根據(jù)整平船主甲板以上的荷載通過(guò)圍井結(jié)構(gòu)及左右舷支柱傳遞到主甲板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元模型中用以下方法對(duì)整平船下水過(guò)程中的荷載進(jìn)行了模擬：①主甲板下的船體結(jié)構(gòu)重量通過(guò)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)密度實(shí)現(xiàn)；②主甲板以上船首及船尾的中間甲板、控制甲板及中控室的重量通過(guò)施加荷載的方式實(shí)現(xiàn)；③設(shè)備重量，如大小車、錨機(jī)、發(fā)電機(jī)、救生艇及吊機(jī)等，通過(guò)施加荷載的方式實(shí)現(xiàn)；④整平船樁腿為下水之后在舾裝碼頭安裝，故在下水過(guò)程中無(wú)須考慮其荷載。

4.2 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

許用應(yīng)力衡準(zhǔn)根據(jù)整平船規(guī)格書要求的CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》并參考ABS MOPU規(guī)范（美國(guó)船級(jí)社《移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》）選取。

4.3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，模型最大板單元正應(yīng)力為108MPa、最大梁?jiǎn)卧龖?yīng)力為116MPa、最大單元剪應(yīng)力為83.8MPa、最大單元相當(dāng)應(yīng)力為157MPa，均低于文章4.2節(jié)所示的許用應(yīng)力數(shù)值，表明整平船在下水狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

通過(guò)支反力數(shù)據(jù)分析可知，整平船兩側(cè)的滑道支反力最大，平均每根滑道承擔(dān)約35%的空船重量；靠近船中的兩根滑道支反力較小，平均每根滑道承擔(dān)約15%的空船重量。這是由于兩側(cè)的滑道接觸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且更靠近平臺(tái)圍井區(qū)域，直接承受較大的船體荷載，且兩側(cè)片體上分布著主要的設(shè)備，相關(guān)荷載也直接傳遞到最近的滑道上，支反力分布情況符合整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

5 結(jié)論

文章根據(jù)整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)其采用常規(guī)海工平臺(tái)下水方案所存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出縱向靠駁下水方案，并建立了有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，確保該方案中船體強(qiáng)度符合規(guī)范要求。通過(guò)研究，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)整平船首尾重、中間輕且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，若采用常規(guī)海工平臺(tái)橫向滑移下水方案，整平船外伸部分會(huì)出現(xiàn)懸臂梁式受力狀態(tài)，整平船與駁船兩側(cè)接觸處會(huì)產(chǎn)生非常大的支反力，從而破壞整平船的船底結(jié)構(gòu)，而且存在船體外伸部分與碼頭發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。采用縱向靠駁下水方案，則整平船在滑道上始終保持均勻受力狀態(tài)，滑道的支反力也基本保持一致，可以有效避免應(yīng)力集中及整平船外伸部分與碼頭碰撞的問(wèn)題。

（2）文章通過(guò)建立有限元模型，施加彈簧約束邊界并模擬整平船下水時(shí)的實(shí)際荷載狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行分析計(jì)算，確?？v向靠駁下水方案中船體強(qiáng)度符合規(guī)范要求，且支反力分布情況也符合整平船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，證明該方案可行。

整平船縱向靠駁下水方案的提出和有限元分析驗(yàn)證為整平船的下水實(shí)施提供了技術(shù)指導(dǎo)，為類似海工平臺(tái)項(xiàng)目提供了可參考的經(jīng)驗(yàn)。