浮船塢抱樁泊碇靠船墩結構強度分析

劉燕星　陳曉明　江峰

摘 要：浮船塢抱樁泊碇形式的應用日漸廣泛，常見于作業水域狹小和風浪小的沿海地區。隨著停泊的浮船塢噸位變大，浮船塢抱樁泊碇時對靠船墩產生的沖擊力非常巨大，因此承受頻繁外載荷沖擊的靠船墩的結構設計是抱樁泊碇系統設計中的主要難點之一。本文以某浮船塢抱樁泊碇靠船墩為研究對象，探討靠船墩在極端海況下的外力計算和結構強度分析方法。

關鍵詞：抱樁泊碇；靠船墩；外力計算；結構強度分析

中圖分類號：U673.3 文獻標識碼：A

Abstract： In recent years， the floating dock piles mooring has been widely used in coastal areas with narrow waters and small waves. With the increasing tonnage of moored floating dock， it is difficult to design dolphin for the floating dock piles due to the huge and complex external loads on the floating dock piles mooring. To overcome the problem， the calculation of the external force and the method of structural strength analysis for dolphin of the floating dock piles mooring under extreme sea conditions are preliminarily discussed.

Key words： Pile mooring； Dolphin； Load calculation； Structural strength analysis

1 引言

浮船塢廣泛應用于船舶修造，其主要有兩種泊碇方式：抱樁泊碇和錨泊泊碇。近年來，由于在抱樁泊碇狀態下浮船塢平面位置漂移量極小，對周圍水域基本無影響，非常便于岸上設備安全運送，故在我國水域資源日益緊張的情況下，抱樁泊碇應用越來越廣泛。

浮船塢采用抱樁形式泊碇時，抱樁裝置由卡環、導柱及上下基座組成：卡環設于水工構筑物（靠船墩）上；導柱設于右塢墻外壁上；上基座與浮船塢頂甲板齊平，下基座與浮船塢塢底齊平。

靠船墩主要承載浮船塢泊碇系統的受力，隨著浮船塢噸位變大，浮船塢抱樁泊碇時對靠船墩產生的沖擊力非常巨大，因此靠船墩樁的合理布置、墩臺外力計算方法以及墩臺的結構強度計算方法，對浮船塢泊碇系統結構的安全和造價影響很大。

本文以某船廠浮船塢的抱樁泊碇靠船墩結構設計為例，分別采用理正高樁碼頭軟件和有限元分析軟件Patran，計算浮船塢在各種工況下遭受外力作用時靠船墩結構的應力及變形，并在對計算結果進行分析比較的基礎上，選擇更為合理的強度計算方法，以指導工程實踐。

2 浮船塢抱樁泊碇外力計算

在抱樁泊碇狀態下，浮船塢主要遭受風力、水流力和波浪力的耦合作用。為保證浮船塢抱樁泊碇的安全，需要考慮浮船塢抱樁泊碇時各種作業狀態下可能遇到的最大風力、水流力和波浪力，從中得出最大的泊碇受力情況作為設計的外載荷。

目前浮船塢抱樁泊碇外力計算，可采用邱崚經驗公式計算方法、規范計算方法、數值模擬方法和模型試驗方法。

根據上述各種方法，某浮船塢抱樁泊碇靠船墩在極端海況下的外力計算結果如表1。

根據上述計算結果和實際工程實踐可知：模型試驗方法計算結果最為準確，但費用過于昂貴；數值模擬方法應用前景較好，但目前技術手段尚未成熟，無法真正用于工程實用；邱崚經驗公式計算結果過大，應充分考慮其計算誤差；而《海港水文規范》和《港口工程載荷規范》的計算結果雖忽略了浮船塢在抱樁泊碇狀態下的小范圍橫蕩影響，導致計算結果偏大，但仍是目前初步設計階段采用的主要計算手段。

3 靠船墩結構強度分析方法

靠船墩是浮船塢抱樁泊碇系統的關鍵設備，其結構優化設計是工程應用的難點之一。一般靠船墩采用高樁墩臺結構。其中，對于中、小型船舶靠船墩主要采用耐久性好、造價低的鋼筋混凝土樁；對于大型船舶、浮船塢或必須承受頻繁沖擊荷載的靠船墩主要采用抗彎能力大、彈性好的大直徑鋼管樁。目前對普通船舶靠船墩的研究較多，但對大型浮船塢靠船墩結構設計的專業研究極少。

本文分別采用三維彈性桿系有限元方法和三維彈性混合有限元方法綜合分析靠船墩整體結構受力情況，并通過對某項目八萬噸浮船塢抱樁泊碇靠船墩進行結構優化分析，以研究上述兩種分析方法在實際工程中的應用情況。

3.1 結構強度分析方法理論基礎

3.1.1 三維彈性實體有限元方法

根據三維實體彈性有限元理論，實體單元節點應力為：

3.1.2 三維彈性桿系有限元方法

三維彈性桿系有限元方法是先在局部坐標系建立單元特性方程，再變換到總體坐標系下。節點線位移矢量和角位移矢量：

3.2 工程實例概況

某項目八萬噸3#浮船塢總長252 m、浮箱長252 m、塢墻長229.6 m、型寬（外塢墻間寬）52.0 m、型深（頂甲板距基線高） 18.5 m；靠塢墩采用高樁墩臺結構，墩臺面標高+6.0 m、墩臺厚度3.0 m，墩臺采用現澆鋼筋混凝土結構；根據工程區巖土工程勘察報告所提供的土層情況及計算參數，墩臺樁基采用φ1400 mm×20鋼管樁，每個墩臺設42根斜樁，樁斜度7：1～3：1，樁平面扭角10o～50o；樁底標高：1#靠塢墩樁底標高-47.0 m，2#樁底標高-48.0 m。具體靠塢墩的平面和立面布置圖，如圖1所示。endprint

3.3 靠塢墩結構計算

浮船塢對靠船墩的擠靠力和拖拽力按規范計算及物理模型試驗的結果取值。根據項目專家評審意見，浮船塢單個靠船墩的受力按下式計算：

在工程實際計算中，靠塢墩結構計算按10個計算工況，分別對應浮船塢靠船墩0o ～ 90o方向受力作業狀況。

3.3.1 三維彈性桿系有限元法

在三維彈性桿系有限元計算過程中，假定靠船墩的墩臺結構為剛體，不進行有限元單元剖分；而每個靠塢墩的鋼管樁則簡化為一個等面積的三維彈性桿件，桿件下部剛接；鋼管樁用一個三維梁單元模擬。

采用理正高樁碼頭軟件進行三維彈性桿系有限元分析計算，計算模型如圖2所示。

3.3.2 三維彈性混合有限元方法

三維彈性混合有限元，本文實際是指三維彈性實體-梁有限元。在利用三維彈性混合有限元方法計算時，考慮墩臺的彈性作用，對整個工程結構物進行有限元單元剖分，其中墩臺采用若干8節點實體單元劃分，鋼管樁采用若干三維梁單元模擬，且各鋼管樁下部為剛性約束。

靠船墩結構利用大型有限元程序Patran進行分析計算，計算模型如圖3所示。

3.3.3 兩種方法對比分析

兩種方法計算結果對比分析如表4。

從表4可知，兩種方法得出的結構應力和位移計算值均小于設計容許值，滿足規范要求，證明該高樁墩臺結構設計合理。上述兩種方法的計算結果分布形式相同，數值非常接近，說明了兩種方法的可行性和可靠性。

不過，由表4亦可知，兩種方法計算的靠船墩各樁的軸力、應力和位移也存在一定的差別，主要體現在三維彈性桿系有限元法計算結果比三維混合彈性有限元法要偏大。究其原因，主要是由于這兩種方法在進行計算時所作的理論假設和算法精度不同引起。

三維彈性桿系有限元法的理正高樁碼頭軟件屬于專業性軟件，理論簡化和假設較多，僅可模擬等截面樁，故計算數值偏大，但針對性強；而基于三維彈性混合有限元法的Patran軟件屬于通用軟件，模型可更貼近實際工程，可模擬變截面樁，計算精度較高。由于兩種方法在實際計算過程中都有各自的優缺點，從工程安全性角度考慮，建議優先采用三維彈性桿系有限元法作為靠船墩強度計算方法。

4 結束語

大型浮船塢抱樁泊碇外力計算及靠船墩結構強度計算的方法較多，但尚未形成成熟的設計體系，而選用合理的計算方法，對浮船塢泊碇系統結構的安全及工程造價尤為重要。本文在工程實踐中，初步探討了浮船塢抱樁泊碇靠船墩外力計算方法及適用范圍，提出了適用于浮船塢的抱樁泊碇靠船墩結構設計的三維彈性桿系有限元法和三維彈性混合有限元法，對今后大型浮船瑪抱樁泊碇靠船墩的設計和建造工作具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 中華人民共和國交通運輸部，港口工程載荷規范[S].人民交通出版社， 2010.

[2] 中華人民共和國交通運輸部，海港水文規范[S].人民交通出版社， 1998.

[3] 基于Fluent的浮船塢抱樁泊碇外力計算研究[J]. 大連理工大學 ， 2013 （09） .endprint