千島湖水上游泳池設計探討

朱文康，方革成

(1.杭州千島湖造船有限公司，浙江杭州311701;2.浙江省船舶檢驗局杭州檢驗處，浙江杭州311700)

0 引言

國家5A級風景區千島湖，位于浙江省淳安縣境內，水域面積573 km2，平均水深約34 m，能見度達7 m以上，為國家一類水體，屬內河B級航區。由于有著良好的深水資源和秀麗的風景，近幾年來，淳安縣政府提出了“以湖興縣”的經濟發展目標，千島湖旅游業得到了迅速發展，每年都會吸引上百萬國內外游客前來游覽觀光。但是千島湖的地形復雜，一年四季水位變化較大，容易發生人員因下湖嬉水、游泳而溺亡的事故，為此，政府決定利用千島湖的優質水資源，在水上建造一個游泳池。

1 船舶主尺度及參數

總長 67.38 m

垂線間長 64.50 m

設計水線長 64.50 m

總寬 35.25 m

型寬 32.00 m

首尾片體 32.00 m×7.00 m

左右片體 50.50 m×5.00 m

型深 1.50 m

滿載吃水 0.90 m

滿載排水量 778.89 t

2 布置概況

游泳池躉船由4個片體采用高強度螺栓剛性連接而成，四周均設置舷伸甲板;中部為50 m×21 m國家乙級標準游泳池，池水與千島湖湖水相通;游泳池露天區域的甲板上鋪設室外木地板。

游泳池躉船的每個片體內設置若干個水密橫艙壁，分設為空艙、泵站艙及壓載水艙。

躉船首甲板上設置醫療救護室、服務臺及液壓控制室、配電房。在船首部設置2座通往岸邊的引橋，每座引橋由3塊10 m×3 m鋼質浮體連接而成。

游泳池底分設成3個鋼質箱體結構，上面鋪設多孔不銹鋼板。3個箱體的長×寬×深分別為:17 m×21.8 m ×1.8 m、17 m ×21.8 m ×1.2 m、16 m×21.8 m×0.8 m，以滿足不同群體對水深的需求。若比賽時，游泳池水深可全部調整為1.8 m，滿足國家乙級標準游泳池的要求。每個箱體的四角各設1只液壓油缸，通過液壓操作系統升降底箱體，以調節游泳池水的深度和清潔游泳池底部衛生。游泳池四周采用鋼質骨架結構，敷設多孔不銹鋼板。

游泳池照明共采用48套OK/NFC900-J400W，分別安裝在池邊8根燈柱上，燈桿在甲板以上高度8 m，其照明設施符合國家體育場館照明的要求。游泳池躉船總布置圖如圖1所示。

3 主要特點

游泳池躉船的主要特點有:

(1)創新獨特性。把游泳池直接放置在湖里，池水與湖水相通(這對水質要求較高)，更加親近大自然，且作為一個移動的游泳池，可到達同一航區內的任一地方，靈活性較大。

(2)游泳池底部能夠升降，可調節游泳池水的深度，能滿足不同群體對水深的要求，并可方便清潔游泳池底部衛生。

圖1 游泳池躉船總布置圖

(3)在游泳池的四壁，設置了一定數量的噴射水泵，增加了池水的流動性，達到了自然換水的功能。

(4)考慮到內部的游泳池結構安裝、維修方便等，4個片體采用螺栓連接而不是整體建造。

前期調研、方案設計時發現的主要問題為:

(1)4個片體的連接方式。考慮到內部的游泳池結構安裝、維修方便等，4個片體采用螺栓連接而不是整體建造，因此，必須研究螺栓布置方式和校核強度方法。

(2)游泳池底部結構提升以及其結構強度設計問題。

(3)如何保證人員游泳時的安全問題。既要保持游泳池的水與湖水相通，又要保證人員的安全，特別是小孩子的安全。

(4)保證游泳池在正常使用時，不因風浪而使游泳池搖晃。

4 結構設計

該游泳池躉船的主尺度比值不在中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》的要求范圍之內，因此，該躉船的各項構件尺寸不能完全按照該規范設計，其結構強度利用有限元法進行直接計算。

游泳池躉船是一種有別于常規船體的水上結構物，像一種中央“掏空”的扁平船舶，波浪環境條件也有別于常規船舶，所以不宜采用常規船舶的載荷計算公式計算其波浪載荷。設計時按以下3個方面進行有限元強度分析:游泳池躉船波浪載荷直接計算、游泳池躉船結構總縱強度與連接強度有限元分析、游泳池底部結構強度有限元分析。

4.1 波浪載荷直接計算

游泳池躉船波浪載荷直接計算參考中國船級社2003年《集裝箱船結構強度直接計算指南》，采用“等效設計波法”計算其波浪載荷。這樣得到的波浪載荷可以作為加速度、壓力，直接施加到有限元模型上面。

在參考《集裝箱船結構強度直接計算指南》的基礎上，本躉船采用以下載荷作為該船的支配載荷:

船中最大中拱彎矩、船中最大中垂彎矩、3/8 L處最大扭矩、1/2 L處最大扭矩、5/8 L處最大扭矩。其中，L為垂線間長。

計算結合SESAM軟件中的WADAM模塊和PATRAN軟件進行，建立濕表面模型、質量模型，模型圖分別如圖2、圖3所示。

根據計算確定了設計波的波幅、頻率、浪向、相位。對于規則波而言，這些參數確定時，規則波及這個相位下的瞬態即已確定。

根據計算參數，即可確定各支配載荷對應的瞬態下的船體加速度、湖水動壓力。

圖2 濕表面模型

圖3 質量模型

4.2 總縱強度與連接強度有限元分析

游泳池躉船結構總縱強度與連接強度有限元分析根據游泳池躉船波浪載荷直接計算結果。然后，按照中國船級社2009年《鋼質內河船舶入級與建造規范》和中國船級社2010年通函《內河浮船塢技術要求》，對千島湖水上游泳池結構的總縱強度、連接螺栓基座采用有限元方法進行強度校核。結構分析計算采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件建立模型并進行分析。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

該游泳池躉船對應于內河湖泊(B級航區)，沒有航行的工況，僅有類似于裝卸貨的系泊工況。盡管中國船級社2009年《鋼質內河船舶入級與建造規范》的裝卸貨工況和中國船級社2010年通函《內河浮船塢技術要求》都不計波浪載荷，但是考慮到該游泳池躉船涉及公共安全，對該船進行總強度校核時，仍考慮波浪載荷的作用。參照CSR規范港內工況，在總縱強度計算時波浪載荷取游泳池躉船波浪載荷直接計算載荷值的40%。

按照游泳池躉船波浪載荷直接計算，考慮了上述5種波浪載荷:

每種波浪彎矩再配以相應的最不利的活載(上人)分布，以及壓載、靜水載荷構成5種工況。

整船計算有限元模型采用一般網格劃分，平面四邊形板單元的尺寸以肋距為基準。

(1)甲板、舷側板架、底部結構

甲板板、舷側外板、外底板采用4節點四邊形單元描述，單元尺寸約為肋距大小。縱桁、強橫梁構件、強肋骨、內龍骨、實肋板的腹板采用4節點四邊形單元(局部過渡區域采用三角形板單元)描述，面板采用Rod單元模擬，并保證Rod單元的截面積與實際面板截面積一致。普通橫梁、主肋骨采用一維梁單元描述，保證梁單元的截面積與相應構件一致，設置在平面板單元的邊界上。

(2)艙壁

縱、橫艙壁均采用4節點四邊形單元描述，單元尺寸約為肋距大小。艙壁上的加強構件采用一維梁單元描述，保證梁單元的截面積與相應構件一致，設置在平面板單元的邊界上。

(3)螺栓

該游泳池躉船是4個片體通過120個10.9級M52的高強度螺栓連接而成。計算時采用短梁單元將4個船體連接成一個整體，計算出各種工況下螺栓連接的最大受力情況。

游泳池的活載是按最多上600人，平均重量為75 kg/人計算。分布取與波浪載荷一致的最不利分布，如圖5～圖7所示。

圖5 工況1的活載分布

圖6 工況2的活載分布

通過對游泳池總縱強度和連接強度的有限元直接計算，結論為:該躉船結構總縱強度和連接強度符合規范要求。

由于水上游泳池是由4個片體用螺栓連接而成，6個艙的壓載或卸載過程應盡量同步，不得單獨對一個艙壓載或卸載，整個壓載或卸載過程不得少于3個循環。

圖7 工況3的活載分布

4.3 底部結構強度有限元分析

游泳池底部結構強度有限元分析按照中國船級社2009年《鋼質內河船舶入級與建造規范》和中國船級社2010年通函《內河浮船塢技術要求》對游泳池底部結構的強度進行計算和校核。

游泳池底分設成3個尺寸相近的獨立鋼質箱體結構。由于其截面相同，且受力和邊界條件都相同，因此只需針對最大尺寸的片體(17.05 m×21.8 m×1.8 m)進行計算，其他片體的應力都將略小于該箱體。

模型中各類構件的離散單元類型:

(1)板殼單元—蓋板、底板、側板。

(2)梁單元—縱向、橫向的骨材。

底部結構有限元模型如圖8所示。

圖8 底部結構有限元模型

計算工況，考慮下列3種情況:

(1)底部結構吊離水面，載荷為結構自重。

(2)波浪方向向下的水動壓力+人的重力載荷+結構自重+箱體浮力。

(3)波浪方向向上的水動壓力+結構自重+箱體浮力。

根據強度校核，游泳池底部結構在3種工況載荷的作用下，其應力均小于規范的許用值。

經過上述3個方面的有限元強度分析，該游泳池躉船的結構強度均滿足規范和法規的要求。

5 結語

水上游泳池是一種新穎的水上設施，不僅要滿足船舶的相關要求，還要滿足游泳池的相關標準。投入使用后，受到了有關領導、專家及游客的一致好評，認為該躉船充分利用了千島湖獨特的優質水資源，是一個流動的水上游泳池，外觀造型簡潔大方，游泳池四周甲板寬敞。該游泳池躉船解決了游客安全下湖嬉水、游泳的難題，也為千島湖美景增加了新的亮點。

［1］ 中國船級社.鋼質內河船舶建造規范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 中國船級社.鋼質海船入級規范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］ 中國船級社.內河浮船塢技術要求［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 中國船級社.集裝箱船結構強度直接計算指南［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］ GB 5001709-2003，鋼結構設計規范［S］.

［6］ 中國船級社.浮船塢入級規范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］ 中華人民共和國海事局.內河船舶法定檢驗技術規則［M］.北京:人民交通出版社，2011.