某工程船坐底工況底座基梁載荷計算及船體結構強度校核

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(武漢金鼎船舶工程設計有限公司，武漢 430062)

某工地碼頭面標高為+3.2 m，碼頭面與駁船甲板面設置的滑道標高保持一致才能使構件順利上駁，所以駁船甲板面標高即為+3.2 m。工程船型深為6.4 m，由此，將駁船船底面標高定為-3.2 m，此標高即為駁船坐底區域基梁的頂面標高。

通過調整壓載水，可以保證工程船甲板面達到以上所要求的標高。但是，由于船舶浮在水中的不穩定性，無法使重量為3 000 t左右的混凝土預制件順利通過軌道滑移上駁;而且，由于上駁時間較長，潮汐時刻變化，因此，必須加入足夠的壓載水，使船舶處于穩定的坐底狀態才能滿足上駁要求。底座基梁的設計單位需要知道基梁負荷及布置情況才能進行設計，船舶設計者必須提供底座基梁負荷數據，而且船舶坐底狀態的受力情況與正常的航行狀態有很大不同，因此需要校核船舶在坐底狀態的結構強度，才能保證工程的順利實施。

1 工程船主要尺度及底座基梁的布置

該工程船為非自航、單底、單甲板、鋼質箱型工程甲板駁，方艏、方艉，艏部為勺形，艉部下設有2個呆木，設計航區為中國近海。

總長：90.00 m;型寬：26.00 m;

型深：6.40 m;設計吃水：4.70 m。

碼頭工程基地共設置9道底座基梁，其中7道與船體橫艙壁對齊，另外兩道布置于船中附近的強框架位置，見圖1。

圖1 底座基梁布置圖

2 計算過程

2.1 計算方法

根據船體梁實際情況進行全船建模，模型為板梁組合結構，底座基梁按布置位置以實體單元進行建模。有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

進行底座基梁載荷計算時，在底座基梁中心位置沿船舶寬度方向取3個約束點，施加3個方向線位移及繞船長、型深方向兩個角位移的約束;按實際情況施加各種載荷，求出各約束點的約束反力，該反力的大小與底座基梁的載荷相等，方向相反。

進行船體強度校核時，在底座基梁下表面施加全約束，對船體梁結構進行安全評估。

2.2 計算工況

根據用戶提供的潮汐水位以及壓載艙的布置情況，對4種工況(見表1)進行計算，甲板負荷按3 600 t計算，油水及壓載水艙滿載，其中最大吃水5.57 m(LC4)為海水突然漲潮，壓載水沒有排除，船舶起浮，底座基梁不受力的極端工況。

表1 工況標識與描述

2.3 載荷計算

1)按船舶完工圖紙，統計出各肋位空船重量，以集中力形式施加于相應位置的節點上。

2)液艙壓力以面壓力形式施加于各艙室。

3)舷外水壓力P按P=ρgh進行施加。

其中考慮波浪的兩種工況波面高度按理想余弦波進行施加，理想余弦波波高z表達為

式中：h——波高，0.8 m(底座基梁設計單位提供)；

x——沿船長方向坐標；

λ——波長，14.6 m(底座基梁設計單位提供)。

4)在載貨區域施加表面力。

3 計算結果

3.1 底座基梁載荷計算結果

底座基梁載荷計算結果見表2。

表2 吃水2.0 m時底座基梁載荷計算結果

由計算可知，本船在底座狀態，底座基梁5(FR21)所承受的載荷最大，船中處于波谷時，載荷為22 409.26 kN。

3.2 坐底狀態船體強度校核結果

根據《國內航行海船建造規范》(2012)結合《浮船塢規范》給出的許用應力，取各種工況最大值進行安全評估，根據評估結論，通過合理配置壓載水以及進行適當的加強，本船船體結構滿足規范要求，計算結果相見表3及圖3～9。

表3 強度衡準 MPa

圖3 外板相當應力云圖

圖4 縱艙壁相當應力云圖

圖5 強框架相當應力云圖

圖6 外板剪切應力云圖

圖7 縱艙壁剪切應力云圖

圖8 船底及舷側縱骨軸向應力云圖

圖9 艙壁扶強材軸向應力云圖

4 結論

1)通過某工程船在坐底狀態滾裝大型混凝土預制件的工程實例，闡明底座基梁負荷的計算方法以及工程可行性，通過有限元仿真建模計算，得出底座基梁的實際負荷分布情況，為底座基梁設計方提供了設計基礎。

2)提出的計算方法具有普遍性，可以作為其它工程項目設計的參考。

3)仿真模擬與工程實際之間存在一定的差別，底座基梁設計負荷的安全系數的取值問題尚待研究。

[1] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊[M].北京:國防工業出版社,2000.

[2] 王杰德、楊永謙.船體強度與結構設計 [M].北京:國防工業出版社，1995.