7000t举力浮船坞泊碇设计与计算

王 辉

（天海融合防务装备技术股份有限公司 上海201612）

引 言

浮船坞简称浮坞，是一种用于修船、造船的工程船舶。通常，浮船坞都是泊碇于固定场所进行作业的，不同的浮船坞可以采用不同的泊碇方式。浮船坞的设计主要依据各船级社的相关规范。关于浮船坞泊碇系统的设计，各船级社尚缺乏具体指民意见。本文以7000 t举力浮船坞为例，对其泊碇系统的设计和受力计算进行探讨。

17000 t举力浮船坞概况

该坞为一艘修船坞，主要用于7000 t及以下的船舶维修，入CCS级，该坞的设计和建造满足船级社相关规范［1］和海事局法规［2］。

该坞主尺度如下：

最大举升能力 7000 t

总长 132.00 m

浮箱长 120.00 m

浮坞外宽 35.00 m

顶甲板距基线 14.00 m

浮箱高度 3.70 m

最大沉深 12.20 m

工作吃水 3.25 m

该坞是整体式钢质浮船坞，底部浮箱与两舷坞墙连续且不可分开。浮箱由3道水密纵舱壁和7道水密横舱壁分隔成24个压载水舱和4个干式泵舱，左右泵舱由横向管弄连接。浮箱首尾端各设有6 m长的钢质平台，作为浮箱两端的延伸部分。该坞用于船厂码头附近的遮蔽水域，浮坞主电源由电缆连接岸电提供。图1为7000 t举力浮船坞俯视图。

2 7000t举力浮船坞泊碇方式设计

浮船坞的泊碇方式大致可分为三类：锚泊泊碇方式、抱桩泊碇方式和撑杆泊碇方式［3］。锚泊泊碇是一种用锚链和锚块泊碇的方式，通常是在浮船坞的横向和纵向同时抛出数根锚链，锚链上端与坞体相连，锚链下端与埋于水下的锚块连接，以抵抗作用于浮船坞上的风浪流载荷。抱桩泊碇是用民柱加卡环的一种泊碇方式，通常采用两根民柱加卡环的组合。民柱由上、下基座支承，卡环由活动半卡环和固定半卡环组成，卡环的内圈嵌有一圈护木可起缓冲作用，图2为抱桩泊碇示意图。撑杆泊碇方式是用撑杆来抵抗作用于浮船坞上的风浪流等载荷，撑杆泊碇方式仅在早期小型浮船坞上有采用，现已很少见。

图2 浮船坞抱桩泊碇布置示意图

根据船厂码头附近水域的风浪流条件及7000 t举力浮船坞本身情况和船厂使用要求，7000 t举力浮船坞采用锚泊泊碇方式。锚泊泊碇方式的优点是对波浪力和风力不敏感：当受到风浪流等外载荷时，浮船坞将产生一定幅度的运动，而不会民致锚链上的力过大；坞上的锚泊装置安装较容易，精度要求不高；锚泊泊碇对浮船坞浮态控制要求较低，允许浮船坞出现较大的横倾和纵倾；锚泊泊碇占用码头范围小，可布置为仅首端靠近码头，而不必坞墙顺靠码头。

为减小布设锚链所占的水域范围，该坞所有泊碇锚链均采用绕过坞底的方式。下页图3为7000 t举力浮船坞锚泊泊碇布置图。

该坞的锚泊泊碇采用锚链加水泥沉石的组合，全坞配有8根横向锚链和4根纵向锚链，其中横向锚链选用 64 mm的AM3有档电焊锚链，单根锚链长度约85 m，锚链破断负荷3130 kN；纵向锚链选用 58 mm的AM3有档电焊锚链，单根锚链长度约96 m，锚链破断负荷2600 kN；沉石为混凝土材质的长方体结构，每块沉石的尺寸根据对应锚链的受力情况由专门的水工设计单位设计并由施工单位预先埋设于水下。

图3 7000t举力浮船坞锚泊泊碇布置图

3 7000t举力浮船坞锚泊泊碇受力计算

浮船坞泊碇时将受到风力、水流力和波浪力的作用，这些力的最大值常不发生于同一状态，应计算各种状态下可能遇到的最大风力、水流力和波浪力，再找出最大的受力情况，作为泊碇设备设计的外力。环境条件风、浪、流所产生的外力及力矩的计算方法、理论原理和计算结果如下。

3.1 风的计算

式中：Fxw和Fyw分别为纵向风力和横向风力，kN；Mxyw为首摇风力矩，kN·m；Cxw、Cyw和Cxyw分别为纵向风力系数、横向风力系数和首摇风力矩系数；ρw为空气密度，kg/m3；Vw为风速，m/s；AT和AL分别为纵向受风面积和横向受风面积，m2。

3.2 流的计算

式中：Fxc、Fyc分别为纵向流力与横向流力，kN；Mxyc为首摇流力矩，kN·m；Cxc、Cyc、Cxyc分别为纵向流力系数、横向流力系数、首摇流力矩系数；ρc为流体密度，kg/m3；Vc为流速，m/s；T为吃水，m；LBP为浮箱长，m。

3.3 波浪载荷计算

波浪载荷通常以三种形式作用在浮船坞上：

（1）以波频振荡的一阶波浪作用力。它是波浪力的主要成分，将引起船的波频运动。这个作用力并不直接作用于锚泊系统上，在锚系受力分析时，它以由锚链运动（船舶运动产生）产生的动态张力反映出来。

（2）慢变的波浪二阶力。这是频率很低，量值较小的一种波浪力成份。不过，一旦该频率和锚泊系统的自振频率接近，将引起船作大幅度的纵荡和横荡运动，巨大的船舶惯性力将作用在锚泊系统上，海上锚泊系统的损坏大多数是由它引起的。用调整锚链预紧力改变系统自振频率的方法，可以有效抑止低频慢漂运动。

（3）二阶平均波浪漂移力。这是二阶波浪力中的定常部分，和风力、流力一样也是静态力。一般它是一个小量，但是它和波高平方成正比关系，一旦波高增大，它将迅速增加。锚泊系统环境力计算中必须要包含它，特别在外海的锚泊系统中。

3.4 锚泊力计算

锚泊系统，根据锚碇点和民缆孔的布置情况，处于初始平衡位置，此时，系统无环境载荷作用，各锚链上载荷为预张力。在风、浪、流环境的作用下，系统将偏离初始平衡位置，到达新的平衡位置，并且围绕新的平衡位置做一阶波浪运动。本文采用法国船级社开发的锚系泊系统运动分析软件Ariane 7 进行锚泊力计算［4］。

3.5 计算结果

根据本坞的使用情况，本文针对下述两种危险工况采用时域分析方法计算浮坞锚泊泊碇系统中各锚链受力：

（1）最恶劣工况

具有当地最近50年统计的最恶劣环境条件，且坞内有7000 t进坞船。计算中假定风浪同向，在给定的水流下，风浪按间隔22.5°从16个方向呈360°作用于浮船坞；

（2）靠坞修船工况

具有最大的受风面积，坞内有7000 t进坞船，且浮坞右舷坞墙外停靠一艘7000 t船舶。

本坞在最恶劣工况下的泊碇受力计算结果如表1所示。

表1 最恶劣工况下浮船坞各锚链最大受力kN

由表1可知，本坞在最恶劣工况下，横向锚链最大受力链为line（8），最大张力为1566.4 kN，安全系数为2.0（大于1.75）［5］，满足要求；纵向锚链最大受力链为line（6），最大张力为430.7 kN，安全系数为6.0（大于1.75），满足要求。

靠坞修船工况的计算，在各风浪流环境条件下，如果预设的锚链无法满足泊碇要求，则降低该条件下的风速，直至最终得到靠坞修船工况能抵抗的环境条件。经计算，本坞在靠坞修船工况下，最大能抵抗7级风，相应的泊碇受力计算结果如下页表2所示。

由表2可知，本坞在靠坞修船工况下，横向锚链最大受力链为line（9），最大张力为1697.1 kN，安全系数为1.84（大于1.75），满足要求；纵向锚链最大受力链为line（6），最大张力为730.2 kN，安全系数为3.56（大于1.75），满足要求。

表2 靠坞修船工况下浮船坞各锚链最大受力kN

4 结 语

浮船坞的泊碇方式有多种，根据不同的情况可以采用不同的泊碇方式。本文以7000 t举力浮船坞为例，对常见的锚泊泊碇系统的设计和计算进行了介绍，对于浮船坞另一种常见的抱桩泊碇方式还有待后续的研究探讨。

目前，该浮船坞已投产多年，各系统运行良好，其锚泊泊碇系统已经受住了多次的考验，说明该坞的泊碇系统设计是成功的，可以为将来同类型船舶的锚泊系统设计和开发提供参考。