“遠洋五”號浮船塢改造船體結構設計

高明星

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

浮船塢作為船廠一項重要基礎配套設施，在船舶維修、建造過程中起著非常重要的作用。隨著近年來世界航運業的快速發展，進廠維修船舶及新建船舶的噸位越來越大，日益增長的修造船市場使得現有的塢修設施已無法滿足企業的經營生產需求。為了適應市場的變化，結合自身經營發展的需要，大連中遠海運重工有限公司擬對目前已有的“遠洋五”號浮船塢進行加長、加寬、加高和舉力增加的升級改造，以滿足20萬噸級的礦砂船、散貨船、油輪、LPG等大型船舶的改造及維修要求。

1 船體結構改造內容

1.1 主要技術參數變化

“遠洋五”號浮船塢改造前后的主要技術參數對比見表1（1 t＝9 810 N）。

1.2 艙室變化情況

本塢改造后仍為整體式浮船塢，由浮箱和2道連續的塢墻組成。全塢浮箱橫向被2道水密縱向艙壁切分，縱向被首、尾端壁及24道水密橫艙壁切分，總計分割出40個壓載水艙，其中原塢32個壓載水艙，新增8個壓載水艙。另外，本塢左、右舷共設10個泵艙，其中原塢8個泵艙，新增2個泵艙。

1.3 改造主要內容

船體結構改造主要涉及如下內容：

1）原浮箱兩舷各加寬7.5 m，兩側塢墻各向外平移7.5 m，加寬后的邊艙與原塢邊艙相連通。

2）原浮箱首部增加50.4 m，加長的浮箱分段與原塢浮箱分段類似。

3）原浮船塢塢墻首部切割后向前移動50.4 m，中間增加塢墻分段50.4 m。

表1 改造前后主要技術參數對比

4）浮船塢塢墻在原頂甲板上加高3.5 m，浮箱的橫向強框間距由原來的12.8 m改為6.4 m。

1.4 改造注意事項

1）改建所需的結構用鋼應采用船級社認可的等級材料，焊接材料需根據船級社要求選取，并應提供船級社證書。

2）改造前需對原塢結構進行結構完整性和測厚檢查，以保證結構設計改造的準確性。

3）對于切割塢墻、平移塢墻、塢墻焊接、新增結構合攏等重要改造節點，船廠應采取安全合理的施工方案，并在前期做好風險評估。

4）在整個浮船塢改造過程中，船廠應控制測量浮箱的撓度，并應注意集中焊接產生的應力，對于主要的合攏焊縫應按照驗船師的要求進行檢測。

5）本塢改造焊接均采用雙面連續焊，焊接尺寸需按照最新的焊接規格表進行施工。改造完成后，需按照密性試驗大綱要求進行密性試驗。

2 船體結構設計

2.1 局部強度

浮船塢的船體構件首先是從滿足船級社規范所要求的局部強度出發加以確定的[1]。本塢由原先的20 000 t舉力提升到40 000 t舉力要求進行改造，塢的主尺度有較大增加，最大沉深、最大水位差也與原塢不同，因此需按照改造后塢的尺度設計結構。對于加長、加寬的新建部分，根據規范要求正常設計即可，這個并不太難。但對于原塢已有部分結構，除了要對原塢的結構強度進行校核外，還需對原塢不滿足強度要求的部分結構給出經濟可行的改造方案。受文章篇幅所限，下面僅以本塢比較有代表性的塢底結構為例，介紹一下對原塢該部分結構的局部強度校核情況和改造建議。

2.1.1 塢底板

根據CCS《浮船塢入級規范2009》[2]，塢底板的板材厚度t應不小于按下式計算所得值，且最小板厚不小于7.5 mm。

由此可得，壓載艙位置為t＝11.86 mm，泵艙位置為t＝15.92 m m，而原塢浮箱底板的板厚均為14.00 mm，因此可知原塢底板在泵艙位置的板厚小于規范要求。

2.1.2 塢底縱骨

根據CCS《浮船塢入級規范2009》，塢底縱骨的最小剖面模數W應不小于按下式計算所得值 式中：s 為扶強材間距，s＝0.8 m；l 為扶強材跨距，l＝3.2 m；h 為計算壓頭，m。壓載艙位置：本塢沉浮時最大水位差按沉浮曲線為8.477 m，加余量0.500 m，取h＝9.000 m；泵艙位置：最大深沉吃水18.000 m，加余量0.500 m，取h＝18.5 m。

由此可得，壓載艙位置：W＝516 cm3；泵艙位置：W＝1 061 cm3。

原塢底縱骨規格為350×100×12/17 I.A，計入帶板14×800，求得實際剖面模數為：W＝947.2 cm3，因此可知原塢底縱骨在泵艙位置的縱骨剖面模數小于規范要求。

2.1.3 解決方案

綜上可知，位于泵艙位置的塢底板厚和塢底縱骨規格均不滿足規范要求，需對該部分結構進行改造，對于改造方案應充分考慮改造施工難度和經濟性等問題。表2羅列了3種問題的解決方案，并對3種方案進行了綜合比較。

表2 解決方案綜合比較

相比較之下可知方案2最為優化，即通過在泵艙區域的塢底板增設橫向支撐構件，使得塢底強構件間距由原來的3.2 m改為1.6 m，并考慮加設肘板，使得計算骨材跨距l≤1.4 m，這樣就可以使得原塢底板厚和塢底縱骨規格均能滿足規范要求。

2.2 總縱強度

2.2.1 總縱彎曲強度

1）設計總縱彎矩值

根據CCS《浮船塢入級規范》，設計總縱彎矩Ms可按以式（3）計算：

式中：FL設計舉升能力，FL＝40 000 t；LD為塢長，LD＝280.0 m。

計算得本塢改造方案的設計總縱彎矩：

Ms＝3683536.29 kN·m。

2）規范要求的船中橫剖面模數

根據式（4），可求得規范要求的船中位置甲板處和船底處的橫剖面模數，計算結果見表3。

3）船中位置實際橫剖面模數

采用MARS2000軟件可以計算出改造后的浮船塢位于船中位置的橫剖面模數如下：

甲板處實際橫剖面模數為

Wtop24.0m＝22 925 900 cm3

表3 甲板處和船底處要求的橫剖面模數

船底處實際橫剖面模數：Wbottom＝37 949 780 cm3

4）總縱彎曲強度評估結果

根據以上計算結果可知，甲板處及船底處的實際橫剖面模數均大于規范要求的橫剖面模數，故改造后的浮船塢總縱彎曲強度滿足規范要求。

2.2.2 總縱剪切強度

1）進塢船長

根據CCS《浮船塢入級規范》，進塢船長LS（m）

可按以下規定取值：

式中：FL為設計舉升能力，FL＝40 000 t；LD為塢長，LD＝280.0 m。

本塢改造后的進塢船長計算得：LS＝224.65 m。

2）剪力計算簡化模型

根據CCS《浮船塢入級規范》，剪力簡化計算模型如圖1所示。

圖1 進塢船重量及浮力分布

如圖1所示，q1進塢船沿船長LS矩形分布的載荷部分，q1＝1 164.47 kN/m；q2(x)為進塢船沿船長LS的拋物線分布的載荷部分，q2(x)＝q0(1-Cx2) kN/m，其中，C＝4/LS2＝0.00 007 926，q0＝873.36 kN/m，x是以LD/2為原點（該點也與LS/2重合）的沿塢長縱向坐標；m則為正向指向塢首。qw為浮力載荷部分，qw＝1397.4 kN/m；L1為最短進塢船首尾擱墩位置處，L1＝28.075 m；LQmax為最大剪力位置，LQmax按如下確定：

由此可得，x＝96.185 m，最大剪力位置距塢端LQmax＝LD/2－x＝44.215 m。

3）剪力

（1）距塢端L1＝28.05 m處剪力為

Q1＝?qw·L1＝?39 232 kN

（2）距塢端LQmax＝44.215 m處剪力為

Qmax＝?41 063 kN

4）剪切應力

本塢改造后的縱向構件沿塢長方向無變化，因此，剖面特性視作等同于舯剖面數值。可采用MARS2000軟件求得剖面的剪力流，根據剪力流求得浮船塢各位置最大剪切應力值如表4所示。

5）總縱剪切強度評估結果

根據以上計算結果可知，浮船塢各位置最大剪切應力值均小于許用剪切應力，故改造后的浮船塢總縱剪切強度滿足規范要求。

2.3 橫向強度

2.3.1 計算載荷

橫向強度主要是校核浮箱的橫向強框架，通常可簡化為圖2所示的計算模式。

表4 浮船塢各位置剪切應力值

圖2 浮船塢橫剖面載荷作用典型模式

其中改造后的塢墻外型間寬Boutside＝63 m，塢墻內型間寬Binside＝55 m，塢墻寬Bwall＝4 m。

根據CCS《浮船塢入級規范》并結合改造后的浮船塢實際情況，可以確定出如下橫向強度計算載荷。塢墻部分自重qwall＝517.58 k N/m，浮箱部分自重qs-pontoon＝142.83 kN/m，進塢船重量P＝26 091.46 kN，浮箱甲板靜水壓力Ps-deck＝212.39 kN/m，艙內靜水壓力Ps-tank＝663.55 kN/m，塢底外部水壓力Ps-outbottom＝1 280.60 kN/m，內外塢墻處的支反力R1＝R2＝ 3 008.43 kN。

2.3.2 強度校核

1）橫向彎矩、剪力計算[3]

基于上述計算載荷及圖2載荷分布情況，可以求得某一塢寬位置處的縱剖面A-A上所受到的橫向彎矩MA-A和剪力QA-A如下。

距中心線x(m)處剖面彎矩MA-A(x)：

距中心線x(m)處剖面剪力QA-A(x)

2）橫向彎曲應力、剪切應力及相當應力

根據CCS《浮船塢入級規范》要求，在浮箱的橫向長度上選取數個典型浮箱縱剖面進行該剖面的橫向彎曲強度和剪切強度校核，且剖面的校核位置應包括橫向強度較弱處，各選取位置的剖面特性可以采用MARS2000軟件得出。改造后的浮船塢橫向彎曲應力、剪切應力及相當應力可由如下計算公式求得，具體計算結果如表5、表6和表7所示。

彎曲應力計算

剪切應力計算

相當應力計算

表5 彎曲應力計算匯總表

表6 剪切應力計算匯總表

表7 相當應力計算匯總表

3）橫向強度評估結果

根據以上計算結果可知，改造后浮船塢橫向彎曲應力、剪切應力及相當應力均小于規范要求的許用應力，故改造后的浮船塢橫向強度滿足規范要求。

3 結論

本文以大連中遠海運重工“遠洋五”號浮船塢改造工程為例，對浮船塢的船體結構改造內容進行了介紹，并對船體結構設計過程進行了闡述，經過計算評估可知，改造后的浮船塢可以滿足CCS《浮船塢入級規范》要求的局部強度、總縱強度和橫向強度，船體結構改造方案預期能夠實現。同時，本文對于今后的浮船塢改造設計具有很好的參考和借鑒意義。