浮船坞横向强度分析

王 岩,张纹梅,李书丰

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

浮船坞是一种两侧有墙、前后端开敞的槽形平底船,主要作为船舶维修的海上平台。由于其具有机动性好、建造周期短、水位变化适应性强、不占土地不占岸线、被修理船舶的灵活性强等优点而广泛应用。浮船坞的坞墙和坞底通常采用箱形结构,沿纵向和横向分隔成若干舱室,用来装载压载水,使船坞沉浮。由于浮船坞工作过程中,横向结构受到的载荷种类较多,除了浮船坞的自重外,还有进坞船的最大重量、特定吃水下的外部静水压力、均布压载水的内部静水压力以及结构内部的平衡力,因此对浮船坞的横向强度应沿整个坞长范围内进行校核。

1 4500 t级浮船坞概况

本浮船坞主船体为两头贯通的槽型箱体,由坞底和2道坞墙组成,设有浮箱甲板(抬船甲板)、安全甲板和顶甲板。坞底主要用于布置压载水舱。坞墙安全甲板以下主要为压载水舱和 4个干泵舱。安全甲板以上布置船员生活舱室、配电间、工人休息间等。顶甲板以上主要设有中央控制室和行走式起重机等。其主要量度如下:

本坞的结构形式为钢质整体式,坞体由左右 2道坞墙及 1只大浮箱所组成。浮箱内共设 5道纵舱壁,其中中纵剖面处和坞墙内侧下部设为非水密、距船中心线7 800mm左右处设为水密。浮箱内设 3道水密横舱壁,8道非水密横舱壁,6道半舱壁,2道水密半舱壁。浮箱的结构采用横骨架式,浮箱中每隔4档肋位设置桁材,每隔 1 950 mm设一纵向桁材,并在距中心线3 900 mm处设 2道单向纵桁架。坞墙设水平纵通的顶甲板和安全甲板,甲板结构为纵骨架式。内、外坞墙为横骨架式,每隔 4档肋位设置 1个强框架,其他肋位上设置肋骨。此外,内外坞墙上还分别设有 2道水平桁材,且由水平横撑左右相连。浮船坞横剖面示意图如图 1所示,图中尺寸单位为mm。

图1 浮坞横剖面示意图

2 横向强度分析与计算

基于本浮坞的结构,在此选取的校核部位有 3处,分别是浮坞中部、横向距坞中0.9m处(由于此处浮箱甲板及坞底板板厚均减小)、浮坞首尾端部。而计算状态则选取在进坞船长中点与坞长中点处于同一垂直线,且浮船坞的吃水与中龙骨墩高度正好平齐时。

2.1 载荷分析

2.1.1 进坞船的重量

进坞船的重量分布情况,可假定为一等于船长的矩形上叠加一等长的抛物线,且抛物线部分面积为矩形面积的一半。由此假定,可推导出单位长度上进坞船舶的重量Ws的计算公式:

式中:Ws为进船坞重量,kN/m;s为肋距,s=0.6m; P为进船坞的设计举力,P=44 129.9 kN;Ls为80%的坞长,Ls=96 m。

作用在船中处的一档肋位上的进坞船重量:

2.1.2 浮坞自重

浮坞估算重量T=4 050 t,将其按a:b=1: 0.978 7的比例分配到抬船体区域和坞墙区域,可得每档肋位上单位宽度的抬船体区域和坞墙区域自重如下:

式中:W抬船体为抬船体自重,kN/m;B抬船体为抬船体宽度,B抬船体=23.4mm;L为船长,L=120 m;g为重力加速度,g=9.806 65 m/s2。

式中:W坞墙为坞墙自重,kN/m;B坞墙为坞墙宽度,B =3.6 m。

2.1.3 坞外水压力

龙骨墩处浮箱高3.5m,内外坞墙处高3.3m,龙骨墩高1.2 m。根据计算状态,此时坞外吃水为4.7m。可得浮箱和坞墙处坞外单位长度水压力分别为:

式中:d为平均深度,d坞墙=4.7 m,d抬船体=3.4m;ρ为液体密度,ρ=1 000 kg/m3。

2.1.4 坞内水压力

坞内水压力主要是由内部压载水所产生的,当浮船坞吃水4.7m进坞船正好全部抬出水面时,坞内剩余压载水高度可根据压载舱布置情况和平衡条件计算得出为1.562 5m。故可得坞内每档肋位单位长度水压力W压载水为:

式中:h为剩余压载水深度,h=1.562 5m。

2.1.5 结构内部平衡力

根据重力与浮力平衡的原则,将其加在坞墙内外侧壁处,并取为相等而求得。

2.2 浮坞横向强度

2.2.1 受力分析

根据上述的载荷情况,可知浮箱和坞墙所受的均布载荷分别为:

此时,可加在坞墙内外侧壁处,并取为相等的结构内部平衡力R为:

则浮坞中部、距坞中 0.9 m处的受力分析模型如图 2所示,在这些力作用下产生的单个肋位上剪力、弯矩如图3所示。

图2 浮坞受力分析模型

2.2.2 坞中部、距坞中0.9 m处横向强度

由图 3可知,坞中部结构船中所受的弯矩最大,距坞中0.9 m处(向左舷延伸)结构距坞中0.9 m所受的弯矩最大。经校核,船体结构在该剖面处的应力在许用应力范围内。

浮坞的首尾两端,由于不受进坞船重量的作用,船中部仅承受龙骨墩重量,横向中拱状态的剪力和弯矩远小于浮坞中部的剪力和弯矩,故不再讨论。

图3 坞中部、距坞中 0.9m处单个肋距的剪力、弯矩分布图

3 结语

通过上述分析,该坞各部位的弯曲应力、剪切应力、合成应力均小于规范的许可值,其横向强度满足《浮船坞入级与建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》的要求。