浮船坞刚性系泊方案的初步探讨

2014-09-09崔冬权

江苏船舶 2014年6期

关键词：船坞系泊作用力

崔冬权

(南通润邦工程船舶技术有限公司，江苏南通 226007)

浮船坞刚性系泊方案的初步探讨

崔冬权

(南通润邦工程船舶技术有限公司，江苏南通 226007)

根据浮船坞使用特点提出了一种适合于浮船坞系泊用的刚性系泊方案。相比于目前广泛采用的码头带缆系泊的传统方式，该系泊方案具有结构简单可靠，操作维护简便，能自适应码头潮差，无后续能源消耗，无需人员照看，系统成本低等诸多优点。通过浮船坞系泊力计算模型的建立及详细解析，提出了该方案详细设计过程中各主要注意事项，同时对该方案的实际布置及使用给出了建议。

浮船坞；系泊设备；刚性系泊

0 引言

相较于船舶或浮式平台这类海上移动建筑系泊装置的设计及布置，浮船坞作为一种使用寿命周期内工作地点相对较为固定的水上浮体，其系泊系统的设计及布置带有鲜明的地域使用特征，这些地域特征主要包括浮船坞工作地域的水文、地质及气象条件。因此，在考虑浮船坞系泊装置的设计时，若涉及到设计计算过程中相关参数的选取，则需参考并研究浮船坞工作地域的水文、地质、气象相关的历史记录数据及统计资料才能最终决定。而对于一般船舶及海上浮式平台类系泊装置的设计则主要偏向于遵循船级社规范要求及部分港口的特殊规定。船舶类主要系泊装置如锚、锚链、锚绞车、缆绳等设备规格的选取均基于该船/平台舾装数(EN)的计算结果。当然，对于浮船坞主要系泊设备的设计及布置，也可以参考船舶类的设计方法进行，但按此方法设计所得到的结果一般会失去其经济性及实用性。在充分考虑到浮船坞系泊装置设计经济性和实用性的前提下，本文提出了一种针对于浮船坞使用特点的刚性系泊方案。该方案兼顾浮船坞实际操作的便利性及安全性，且在一家国外修船厂的浮船坞项目上实际使用。

1 设计原理及系泊力计算

1.1设计原理

船舶、浮船坞等水上浮体的传统系泊方式一般采用锚泊、码头带缆系泊这2种方式。鉴于锚泊形式不属于本文研究的方向，故主要针对于传统的码头带缆系泊方式提出一种经改进的全新的简易系泊方式。根据这种系泊方式的主要特点，可将其定义为第3种系泊形式：刚性系泊，其连接示意图如图1所示。相较于传统的带缆系泊方式，刚性系泊与其主要差异在于浮体与锚固点之间的连接媒介：传统的系泊方式一般采用诸如锚链、缆绳等柔性连接件连接浮体系固点与锚固点，而刚性系泊则采用点对点刚性接触的方式完成浮体跟锚固点之间的连接。

对于浮船坞这种特殊的水上浮体而言，此系泊方式有如下主要优点：

(1)能充分利用浮船坞及码头结构特征合理布置系泊点。

(2)在船坞系泊工作完成后，船坞跟码头间在水平面内的位置便几近于固定(无相对位移)，这样可以缩小对浮船坞正常工作区域水下泥面淤积的监控范围及实际清淤范围。

(3)浮船坞能够自行调整并适应较大的自然潮差且无需人员照看和值守。

(4)跟传统的带缆系泊方式相比，能够节省大量人工及额外的设备投资、维护保养及设备更换费用，提高船坞的利用率。

1.2系泊力计算

码头前系泊的浮船坞通常情况下受到风、浪、流的自然力作用。鉴于波浪对浮船坞系泊力的影响是一个较为复杂的动态过程，且浮船坞一般情况下均安置于具有良好遮蔽性的水体，故本文未考虑波浪对系泊力的影响而仅考虑风和流对系泊力的直接作用，以简化相关的计算模型。本文系泊力计算采用国际海事论坛组织(OCIMF)所推荐的风力、水流力的经验计算公式。

1.2.1受风力计算

风对坞体的作用力计算公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Fwx、Fwy分别为系泊船坞沿x、y方向的风作用力，N；Mwxz、Mwyz、Mwxy分别为风作用力在XZ、YZ、XY平面内对船坞的回转力矩，N·m；Cwx、Cwy、Cwxz、Cwyz、Cwxy分别为风作用力无因次经验系数，数值由船坞外形和风向角确定；ρw为空气密度,kg/m3；Vw为风速，m/s；a为风作用力对船坞的倾覆力臂,m；L为船坞坞体总长,m；AT1、AL1分别为船坞横向和纵向迎风面积,m2。

坞体受风、水流面积示意图如图2所示。

1.2.2水流力计算

水流对坞体的作用力计算公式为：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Fcx、Fcy分别为系泊船坞沿x方向，y方向的流作用力，N；Mcxz、Mcyz、Mcxy分别为水流作用力在XZ、YZ、XY平面内对船坞的回转力矩，N·m；Ccx、Ccy、Ccxz、Ccyz、Ccxy分别为水流作用力无因次经验系数，由船坞外形和流向角确定；ρc为水密度，kg/m3；Vc为水流流速,m/s；b为水流作用力对船坞的倾覆力臂,m；L为船坞坞体总长,m；D为船坞吃水,m。

1.2.3静水恢复力矩计算

在系泊状态下，当坞体在风、水流作用下的回转力矩(YZ及XZ平面内)而产生一个小角度(α、β)偏转后，水对坞体将随之产生反方向的静水恢复力矩，其经验估算公式如下：

MTW=-WαGMT

(11)

MLW=-WβGML

(12)

式中：MTW、MLW分别为船坞在水平面内(XY面)绕纵向轴(X轴)及绕横向轴(Y轴)的静水恢复力矩，N·m；α、β分别为船坞相对于水平面(XY面)绕纵向轴(X轴)及绕横向轴(Y轴)的偏转角，rad；GMT、GML分别为船坞横摇半径及纵摇半径,m；W为船坞排水量,kg。

1.2.4力及力矩平衡计算

当船坞处于稳定系泊的状态下，各系泊点存在如下受力平衡公式：

Fwx+Fcx+2(Mwxy+Mcxy)/B=ΣPxi

(13)

Fwy+Fcy+2 (Mwxy+Mcxy)/L=ΣPyi

(14)

Mwyz+Mcyz+MTW+ΣMPyzi=0

( 15)

Mwxz+Mcxz+MLW+ΣMPxzi=0

( 16)

式中：ΣPxi为各系泊点在X方向的合力，N；i为各系泊点编号，i∈[1,n]；ΣPyi为各系泊点在Y方向的合力，N；B为船坞宽度,m；ΣMPyzi为所有系泊点在YZ面内的约束转矩和，N·m；ΣMPxzi为所有系泊点在XZ面内的约束转矩和，N·m。

基于各系泊点结构强度设计安全考虑，实际计算过程中取i=1, 即以单点系泊作为各系泊点结构强度校核依据，即有如下简化后的平衡公式：

Fwx+Fcx+2(Mwxy+Mcxy)/B=Px

(17)

Fwy+Fcy+2(Mwxy+Mcxy)/L=Py

(18)

Mwyz+Mcyz+MTW+ΣMPyz=0

( 19)

Mwxz+Mcxz+MLW+ΣMPxz=0

( 20)

式(19)、式(20)，由于系泊点P仅作为系泊计算的点支撑，即此支撑点除在X、Y方向有位移约束外，Px为系泊点P在X轴方向的分力，Py为系泊点P在Y轴方向的分力。对于其他任何方向的位移及转矩均无约束，即系泊点P处的实际转矩在数值上始终为零，因此平衡公式(19)、(20)可进一步简化为：

Mwyz+Mcyz+MTW=0

(21)

Mwxz+Mcxz+MLW=0

(22)

式(21)、式(22)中，由风、水流对坞体作用的转矩即倾覆力矩Mwxz、Mwyz、Mcxz、Mcyz，在系泊点P作为支撑点的作用下，坞体将产生一定量的横倾及纵倾，在坞体发生纵倾及横倾的过程中，坞体随之将产生与之反方向的静水恢复力矩，此恢复力矩能及时平衡因风、水流作用所产生的倾覆力矩，从而始终保持坞体在水中的动态平衡，通过平衡公式(21)、(22)，可求得坞体在水平面内绕X轴及绕Y轴的最大偏转角α、β。

为保证船坞在上述受力过程中的动态平衡，作为支撑点的刚性系泊装置在设计过程中需要考虑满足其动态平衡的特殊结构，理论上应在相关平面YZ、XZ内加装铰链，具体设计形式如图3所示。

图3 铰链装置示意图

由式(17)、式(18)可分别计算求得Px及Py的具体数值，根据力的合成即可知系泊点的受力P：

(23)

1.3刚性系泊装置结构设计的注意事项

参考图3铰链装置示意图，根据式(23)计算得到系泊力P。在实际设计过程中，还需要对系泊装置的主要零件进行强度校核：

(1)各销轴的剪切强度校核(件2、件3)。

(2)系泊钩内部耐磨材面压强度校核(件5)。

(3)系泊装置底座跟码头锚定装置间连接螺栓拉伸强度校核(件4)。

(4)系泊装置水平连杆跟竖直连杆间的焊脚高度校核(件6、件7)。

(5)连接系泊钩跟坞体间导轨的强度校核。

2 刚性系泊装置的布置要领及其他注意事项

图4为刚性系泊装置布置图。根据浮船坞的外形特征，刚性系泊点一般布置于船坞的艏艉区域，这跟船舶类的系泊布置选取区域基本相同。若有特殊要求，船坞中部区域亦可增加系泊点。系泊点的设计承载形式分为Y轴单向承载及XY双向承载，根据式(17)、式(18)式中系泊力Px、Py的计算结果详细设计并校核系泊件。

图4 刚性系泊装置布置图

此外，鉴于刚性系泊件的结构及布置特点，考虑到船坞在外界温差下坞体在长度方向的伸缩变形，以及船坞在空载/满载情况下的坞体弯曲变形，在设计系泊件跟码头锚固点间的连接时需作特殊考虑。一般所采用的解决方案是：在码头锚固点上刚性固定某一端的系泊件而让另一段的系泊件在X轴方向无约束，以保证坞体在温差变形及载荷弯曲变形的情况下不对相连的系泊件及坞体结构产生约束性破坏。