7000t舉力浮船塢泊碇設(shè)計(jì)與計(jì)算

王 輝

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司 上海201612）

引 言

浮船塢簡稱浮塢，是一種用于修船、造船的工程船舶。通常，浮船塢都是泊碇于固定場所進(jìn)行作業(yè)的，不同的浮船塢可以采用不同的泊碇方式。浮船塢的設(shè)計(jì)主要依據(jù)各船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范。關(guān)于浮船塢泊碇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各船級(jí)社尚缺乏具體指民意見。本文以7000 t舉力浮船塢為例，對其泊碇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和受力計(jì)算進(jìn)行探討。

17000 t舉力浮船塢概況

該塢為一艘修船塢，主要用于7000 t及以下的船舶維修，入CCS級(jí)，該塢的設(shè)計(jì)和建造滿足船級(jí)社相關(guān)規(guī)范［1］和海事局法規(guī)［2］。

該塢主尺度如下：

最大舉升能力 7000 t

總長 132.00 m

浮箱長 120.00 m

浮塢外寬 35.00 m

頂甲板距基線 14.00 m

浮箱高度 3.70 m

最大沉深 12.20 m

工作吃水 3.25 m

該塢是整體式鋼質(zhì)浮船塢，底部浮箱與兩舷塢墻連續(xù)且不可分開。浮箱由3道水密縱艙壁和7道水密橫艙壁分隔成24個(gè)壓載水艙和4個(gè)干式泵艙，左右泵艙由橫向管弄連接。浮箱首尾端各設(shè)有6 m長的鋼質(zhì)平臺(tái)，作為浮箱兩端的延伸部分。該塢用于船廠碼頭附近的遮蔽水域，浮塢主電源由電纜連接岸電提供。圖1為7000 t舉力浮船塢俯視圖。

2 7000t舉力浮船塢泊碇方式設(shè)計(jì)

浮船塢的泊碇方式大致可分為三類：錨泊泊碇方式、抱樁泊碇方式和撐桿泊碇方式［3］。錨泊泊碇是一種用錨鏈和錨塊泊碇的方式，通常是在浮船塢的橫向和縱向同時(shí)拋出數(shù)根錨鏈，錨鏈上端與塢體相連，錨鏈下端與埋于水下的錨塊連接，以抵抗作用于浮船塢上的風(fēng)浪流載荷。抱樁泊碇是用民柱加卡環(huán)的一種泊碇方式，通常采用兩根民柱加卡環(huán)的組合。民柱由上、下基座支承，卡環(huán)由活動(dòng)半卡環(huán)和固定半卡環(huán)組成，卡環(huán)的內(nèi)圈嵌有一圈護(hù)木可起緩沖作用，圖2為抱樁泊碇示意圖。撐桿泊碇方式是用撐桿來抵抗作用于浮船塢上的風(fēng)浪流等載荷，撐桿泊碇方式僅在早期小型浮船塢上有采用，現(xiàn)已很少見。

圖2 浮船塢抱樁泊碇布置示意圖

根據(jù)船廠碼頭附近水域的風(fēng)浪流條件及7000 t舉力浮船塢本身情況和船廠使用要求，7000 t舉力浮船塢采用錨泊泊碇方式。錨泊泊碇方式的優(yōu)點(diǎn)是對波浪力和風(fēng)力不敏感：當(dāng)受到風(fēng)浪流等外載荷時(shí)，浮船塢將產(chǎn)生一定幅度的運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)民致錨鏈上的力過大；塢上的錨泊裝置安裝較容易，精度要求不高；錨泊泊碇對浮船塢浮態(tài)控制要求較低，允許浮船塢出現(xiàn)較大的橫傾和縱傾；錨泊泊碇占用碼頭范圍小，可布置為僅首端靠近碼頭，而不必塢墻順靠碼頭。

為減小布設(shè)錨鏈所占的水域范圍，該塢所有泊碇錨鏈均采用繞過塢底的方式。下頁圖3為7000 t舉力浮船塢錨泊泊碇布置圖。

該塢的錨泊泊碇采用錨鏈加水泥沉石的組合，全塢配有8根橫向錨鏈和4根縱向錨鏈，其中橫向錨鏈選用 64 mm的AM3有檔電焊錨鏈，單根錨鏈長度約85 m，錨鏈破斷負(fù)荷3130 kN；縱向錨鏈選用 58 mm的AM3有檔電焊錨鏈，單根錨鏈長度約96 m，錨鏈破斷負(fù)荷2600 kN；沉石為混凝土材質(zhì)的長方體結(jié)構(gòu)，每塊沉石的尺寸根據(jù)對應(yīng)錨鏈的受力情況由專門的水工設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)并由施工單位預(yù)先埋設(shè)于水下。

圖3 7000t舉力浮船塢錨泊泊碇布置圖

3 7000t舉力浮船塢錨泊泊碇受力計(jì)算

浮船塢泊碇時(shí)將受到風(fēng)力、水流力和波浪力的作用，這些力的最大值常不發(fā)生于同一狀態(tài)，應(yīng)計(jì)算各種狀態(tài)下可能遇到的最大風(fēng)力、水流力和波浪力，再找出最大的受力情況，作為泊碇設(shè)備設(shè)計(jì)的外力。環(huán)境條件風(fēng)、浪、流所產(chǎn)生的外力及力矩的計(jì)算方法、理論原理和計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 風(fēng)的計(jì)算

式中：Fxw和Fyw分別為縱向風(fēng)力和橫向風(fēng)力，kN；Mxyw為首搖風(fēng)力矩，kN·m；Cxw、Cyw和Cxyw分別為縱向風(fēng)力系數(shù)、橫向風(fēng)力系數(shù)和首搖風(fēng)力矩系數(shù)；ρw為空氣密度，kg/m3；Vw為風(fēng)速，m/s；AT和AL分別為縱向受風(fēng)面積和橫向受風(fēng)面積，m2。

3.2 流的計(jì)算

式中：Fxc、Fyc分別為縱向流力與橫向流力，kN；Mxyc為首搖流力矩，kN·m；Cxc、Cyc、Cxyc分別為縱向流力系數(shù)、橫向流力系數(shù)、首搖流力矩系數(shù)；ρc為流體密度，kg/m3；Vc為流速，m/s；T為吃水，m；LBP為浮箱長，m。

3.3 波浪載荷計(jì)算

波浪載荷通常以三種形式作用在浮船塢上：

（1）以波頻振蕩的一階波浪作用力。它是波浪力的主要成分，將引起船的波頻運(yùn)動(dòng)。這個(gè)作用力并不直接作用于錨泊系統(tǒng)上，在錨系受力分析時(shí)，它以由錨鏈運(yùn)動(dòng)（船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)張力反映出來。

（2）慢變的波浪二階力。這是頻率很低，量值較小的一種波浪力成份。不過，一旦該頻率和錨泊系統(tǒng)的自振頻率接近，將引起船作大幅度的縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)，巨大的船舶慣性力將作用在錨泊系統(tǒng)上，海上錨泊系統(tǒng)的損壞大多數(shù)是由它引起的。用調(diào)整錨鏈預(yù)緊力改變系統(tǒng)自振頻率的方法，可以有效抑止低頻慢漂運(yùn)動(dòng)。

（3）二階平均波浪漂移力。這是二階波浪力中的定常部分，和風(fēng)力、流力一樣也是靜態(tài)力。一般它是一個(gè)小量，但是它和波高平方成正比關(guān)系，一旦波高增大，它將迅速增加。錨泊系統(tǒng)環(huán)境力計(jì)算中必須要包含它，特別在外海的錨泊系統(tǒng)中。

3.4 錨泊力計(jì)算

錨泊系統(tǒng)，根據(jù)錨碇點(diǎn)和民纜孔的布置情況，處于初始平衡位置，此時(shí)，系統(tǒng)無環(huán)境載荷作用，各錨鏈上載荷為預(yù)張力。在風(fēng)、浪、流環(huán)境的作用下，系統(tǒng)將偏離初始平衡位置，到達(dá)新的平衡位置，并且圍繞新的平衡位置做一階波浪運(yùn)動(dòng)。本文采用法國船級(jí)社開發(fā)的錨系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析軟件Ariane 7 進(jìn)行錨泊力計(jì)算［4］。

3.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本塢的使用情況，本文針對下述兩種危險(xiǎn)工況采用時(shí)域分析方法計(jì)算浮塢錨泊泊碇系統(tǒng)中各錨鏈?zhǔn)芰Γ?/p>

（1）最惡劣工況

具有當(dāng)?shù)刈罱?0年統(tǒng)計(jì)的最惡劣環(huán)境條件，且塢內(nèi)有7000 t進(jìn)塢船。計(jì)算中假定風(fēng)浪同向，在給定的水流下，風(fēng)浪按間隔22.5°從16個(gè)方向呈360°作用于浮船塢；

（2）靠塢修船工況

具有最大的受風(fēng)面積，塢內(nèi)有7000 t進(jìn)塢船，且浮塢右舷塢墻外停靠一艘7000 t船舶。

本塢在最惡劣工況下的泊碇受力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 最惡劣工況下浮船塢各錨鏈最大受力kN

由表1可知，本塢在最惡劣工況下，橫向錨鏈最大受力鏈為line（8），最大張力為1566.4 kN，安全系數(shù)為2.0（大于1.75）［5］，滿足要求；縱向錨鏈最大受力鏈為line（6），最大張力為430.7 kN，安全系數(shù)為6.0（大于1.75），滿足要求。

靠塢修船工況的計(jì)算，在各風(fēng)浪流環(huán)境條件下，如果預(yù)設(shè)的錨鏈無法滿足泊碇要求，則降低該條件下的風(fēng)速，直至最終得到靠塢修船工況能抵抗的環(huán)境條件。經(jīng)計(jì)算，本塢在靠塢修船工況下，最大能抵抗7級(jí)風(fēng)，相應(yīng)的泊碇受力計(jì)算結(jié)果如下頁表2所示。

由表2可知，本塢在靠塢修船工況下，橫向錨鏈最大受力鏈為line（9），最大張力為1697.1 kN，安全系數(shù)為1.84（大于1.75），滿足要求；縱向錨鏈最大受力鏈為line（6），最大張力為730.2 kN，安全系數(shù)為3.56（大于1.75），滿足要求。

表2 靠塢修船工況下浮船塢各錨鏈最大受力kN

4 結(jié) 語

浮船塢的泊碇方式有多種，根據(jù)不同的情況可以采用不同的泊碇方式。本文以7000 t舉力浮船塢為例，對常見的錨泊泊碇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行了介紹，對于浮船塢另一種常見的抱樁泊碇方式還有待后續(xù)的研究探討。

目前，該浮船塢已投產(chǎn)多年，各系統(tǒng)運(yùn)行良好，其錨泊泊碇系統(tǒng)已經(jīng)受住了多次的考驗(yàn)，說明該塢的泊碇系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的，可以為將來同類型船舶的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。