千岛湖水上游泳池设计探讨

朱文康，方革成

(1.杭州千岛湖造船有限公司，浙江杭州311701;2.浙江省船舶检验局杭州检验处，浙江杭州311700)

0 引言

国家5A级风景区千岛湖，位于浙江省淳安县境内，水域面积573 km2，平均水深约34 m，能见度达7 m以上，为国家一类水体，属内河B级航区。由于有着良好的深水资源和秀丽的风景，近几年来，淳安县政府提出了“以湖兴县”的经济发展目标，千岛湖旅游业得到了迅速发展，每年都会吸引上百万国内外游客前来游览观光。但是千岛湖的地形复杂，一年四季水位变化较大，容易发生人员因下湖嬉水、游泳而溺亡的事故，为此，政府决定利用千岛湖的优质水资源，在水上建造一个游泳池。

1 船舶主尺度及参数

总长 67.38 m

垂线间长 64.50 m

设计水线长 64.50 m

总宽 35.25 m

型宽 32.00 m

首尾片体 32.00 m×7.00 m

左右片体 50.50 m×5.00 m

型深 1.50 m

满载吃水 0.90 m

满载排水量 778.89 t

2 布置概况

游泳池趸船由4个片体采用高强度螺栓刚性连接而成，四周均设置舷伸甲板;中部为50 m×21 m国家乙级标准游泳池，池水与千岛湖湖水相通;游泳池露天区域的甲板上铺设室外木地板。

游泳池趸船的每个片体内设置若干个水密横舱壁，分设为空舱、泵站舱及压载水舱。

趸船首甲板上设置医疗救护室、服务台及液压控制室、配电房。在船首部设置2座通往岸边的引桥，每座引桥由3块10 m×3 m钢质浮体连接而成。

游泳池底分设成3个钢质箱体结构，上面铺设多孔不锈钢板。3个箱体的长×宽×深分别为:17 m×21.8 m ×1.8 m、17 m ×21.8 m ×1.2 m、16 m×21.8 m×0.8 m，以满足不同群体对水深的需求。若比赛时，游泳池水深可全部调整为1.8 m，满足国家乙级标准游泳池的要求。每个箱体的四角各设1只液压油缸，通过液压操作系统升降底箱体，以调节游泳池水的深度和清洁游泳池底部卫生。游泳池四周采用钢质骨架结构，敷设多孔不锈钢板。

游泳池照明共采用48套OK/NFC900-J400W，分别安装在池边8根灯柱上，灯杆在甲板以上高度8 m，其照明设施符合国家体育场馆照明的要求。游泳池趸船总布置图如图1所示。

3 主要特点

游泳池趸船的主要特点有:

(1)创新独特性。把游泳池直接放置在湖里，池水与湖水相通(这对水质要求较高)，更加亲近大自然，且作为一个移动的游泳池，可到达同一航区内的任一地方，灵活性较大。

(2)游泳池底部能够升降，可调节游泳池水的深度，能满足不同群体对水深的要求，并可方便清洁游泳池底部卫生。

图1 游泳池趸船总布置图

(3)在游泳池的四壁，设置了一定数量的喷射水泵，增加了池水的流动性，达到了自然换水的功能。

(4)考虑到内部的游泳池结构安装、维修方便等，4个片体采用螺栓连接而不是整体建造。

前期调研、方案设计时发现的主要问题为:

(1)4个片体的连接方式。考虑到内部的游泳池结构安装、维修方便等，4个片体采用螺栓连接而不是整体建造，因此，必须研究螺栓布置方式和校核强度方法。

(2)游泳池底部结构提升以及其结构强度设计问题。

(3)如何保证人员游泳时的安全问题。既要保持游泳池的水与湖水相通，又要保证人员的安全，特别是小孩子的安全。

(4)保证游泳池在正常使用时，不因风浪而使游泳池摇晃。

4 结构设计

该游泳池趸船的主尺度比值不在中国船级社《钢质内河船舶建造规范》的要求范围之内，因此，该趸船的各项构件尺寸不能完全按照该规范设计，其结构强度利用有限元法进行直接计算。

游泳池趸船是一种有别于常规船体的水上结构物，像一种中央“掏空”的扁平船舶，波浪环境条件也有别于常规船舶，所以不宜采用常规船舶的载荷计算公式计算其波浪载荷。设计时按以下3个方面进行有限元强度分析:游泳池趸船波浪载荷直接计算、游泳池趸船结构总纵强度与连接强度有限元分析、游泳池底部结构强度有限元分析。

4.1 波浪载荷直接计算

游泳池趸船波浪载荷直接计算参考中国船级社2003年《集装箱船结构强度直接计算指南》，采用“等效设计波法”计算其波浪载荷。这样得到的波浪载荷可以作为加速度、压力，直接施加到有限元模型上面。

在参考《集装箱船结构强度直接计算指南》的基础上，本趸船采用以下载荷作为该船的支配载荷:

船中最大中拱弯矩、船中最大中垂弯矩、3/8 L处最大扭矩、1/2 L处最大扭矩、5/8 L处最大扭矩。其中，L为垂线间长。

计算结合SESAM软件中的WADAM模块和PATRAN软件进行，建立湿表面模型、质量模型，模型图分别如图2、图3所示。

根据计算确定了设计波的波幅、频率、浪向、相位。对于规则波而言，这些参数确定时，规则波及这个相位下的瞬态即已确定。

根据计算参数，即可确定各支配载荷对应的瞬态下的船体加速度、湖水动压力。

图2 湿表面模型

图3 质量模型

4.2 总纵强度与连接强度有限元分析

游泳池趸船结构总纵强度与连接强度有限元分析根据游泳池趸船波浪载荷直接计算结果。然后，按照中国船级社2009年《钢质内河船舶入级与建造规范》和中国船级社2010年通函《内河浮船坞技术要求》，对千岛湖水上游泳池结构的总纵强度、连接螺栓基座采用有限元方法进行强度校核。结构分析计算采用MSC.PATRAN/NASTRAN软件建立模型并进行分析。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

该游泳池趸船对应于内河湖泊(B级航区)，没有航行的工况，仅有类似于装卸货的系泊工况。尽管中国船级社2009年《钢质内河船舶入级与建造规范》的装卸货工况和中国船级社2010年通函《内河浮船坞技术要求》都不计波浪载荷，但是考虑到该游泳池趸船涉及公共安全，对该船进行总强度校核时，仍考虑波浪载荷的作用。参照CSR规范港内工况，在总纵强度计算时波浪载荷取游泳池趸船波浪载荷直接计算载荷值的40%。

按照游泳池趸船波浪载荷直接计算，考虑了上述5种波浪载荷:

每种波浪弯矩再配以相应的最不利的活载(上人)分布，以及压载、静水载荷构成5种工况。

整船计算有限元模型采用一般网格划分，平面四边形板单元的尺寸以肋距为基准。

(1)甲板、舷侧板架、底部结构

甲板板、舷侧外板、外底板采用4节点四边形单元描述，单元尺寸约为肋距大小。纵桁、强横梁构件、强肋骨、内龙骨、实肋板的腹板采用4节点四边形单元(局部过渡区域采用三角形板单元)描述，面板采用Rod单元模拟，并保证Rod单元的截面积与实际面板截面积一致。普通横梁、主肋骨采用一维梁单元描述，保证梁单元的截面积与相应构件一致，设置在平面板单元的边界上。

(2)舱壁

纵、横舱壁均采用4节点四边形单元描述，单元尺寸约为肋距大小。舱壁上的加强构件采用一维梁单元描述，保证梁单元的截面积与相应构件一致，设置在平面板单元的边界上。

(3)螺栓

该游泳池趸船是4个片体通过120个10.9级M52的高强度螺栓连接而成。计算时采用短梁单元将4个船体连接成一个整体，计算出各种工况下螺栓连接的最大受力情况。

游泳池的活载是按最多上600人，平均重量为75 kg/人计算。分布取与波浪载荷一致的最不利分布，如图5～图7所示。

图5 工况1的活载分布

图6 工况2的活载分布

通过对游泳池总纵强度和连接强度的有限元直接计算，结论为:该趸船结构总纵强度和连接强度符合规范要求。

由于水上游泳池是由4个片体用螺栓连接而成，6个舱的压载或卸载过程应尽量同步，不得单独对一个舱压载或卸载，整个压载或卸载过程不得少于3个循环。

图7 工况3的活载分布

4.3 底部结构强度有限元分析

游泳池底部结构强度有限元分析按照中国船级社2009年《钢质内河船舶入级与建造规范》和中国船级社2010年通函《内河浮船坞技术要求》对游泳池底部结构的强度进行计算和校核。

游泳池底分设成3个尺寸相近的独立钢质箱体结构。由于其截面相同，且受力和边界条件都相同，因此只需针对最大尺寸的片体(17.05 m×21.8 m×1.8 m)进行计算，其他片体的应力都将略小于该箱体。

模型中各类构件的离散单元类型:

(1)板壳单元—盖板、底板、侧板。

(2)梁单元—纵向、横向的骨材。

底部结构有限元模型如图8所示。

图8 底部结构有限元模型

计算工况，考虑下列3种情况:

(1)底部结构吊离水面，载荷为结构自重。

(2)波浪方向向下的水动压力+人的重力载荷+结构自重+箱体浮力。

(3)波浪方向向上的水动压力+结构自重+箱体浮力。

根据强度校核，游泳池底部结构在3种工况载荷的作用下，其应力均小于规范的许用值。

经过上述3个方面的有限元强度分析，该游泳池趸船的结构强度均满足规范和法规的要求。

5 结语

水上游泳池是一种新颖的水上设施，不仅要满足船舶的相关要求，还要满足游泳池的相关标准。投入使用后，受到了有关领导、专家及游客的一致好评，认为该趸船充分利用了千岛湖独特的优质水资源，是一个流动的水上游泳池，外观造型简洁大方，游泳池四周甲板宽敞。该游泳池趸船解决了游客安全下湖嬉水、游泳的难题，也为千岛湖美景增加了新的亮点。

［1］ 中国船级社.钢质内河船舶建造规范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 中国船级社.钢质海船入级规范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］ 中国船级社.内河浮船坞技术要求［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 中国船级社.集装箱船结构强度直接计算指南［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］ GB 5001709-2003，钢结构设计规范［S］.

［6］ 中国船级社.浮船坞入级规范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］ 中华人民共和国海事局.内河船舶法定检验技术规则［M］.北京:人民交通出版社，2011.