浮船坞新型抱桩系泊装置设计

董明海，韩晨健，刘 猛，郭永升，赵 陈

（1. 浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山316021；2. 中国船级社舟山办事处，浙江 舟山316000；3. 意大利船级社（中国）有限公司，浙江 舟山316000；4. 上海船舶工艺研究所舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山316021）

0 引 言

浮船坞是一种利用压载水的调配使其主体达到升、沉动作的无动力驳，主要用于遮蔽水域内或码头旁的固定作业，下潜使船舶驶入后排空压载水上浮，起到临时干坞的作用。浮船坞在泊碇状况下，全舱空载，重心较高，因此波浪撞击浮船坞产生的晃动对其安全、稳定的作业有很大的影响。因此，必须在浮船坞泊碇时使用系泊装置与码头稳固的连接在一起。

浮船坞在系泊方式的选择、结构形式，对浮船坞安全而言意义重大。对这种系泊装置，也必须考虑其受到各种载荷力、外力的影响，不至于在运动中对浮船坞或码头的结构造成损坏。大型的浮船坞泊碇的方式主要有两种形式，即：锚泊泊碇、抱桩泊碇。抱桩泊碇水域范围较小，漂移量小，随波浪升沉坞体也随之升沉，遮蔽水域应用较为广泛。袁梦等[1]构建了以势能理论角度为切入点结合悬链线方程的系泊系统数学模型。钱顺良[2]介绍了一种浮船坞用液压系泊卡环的结构及工作原理。邱崚、唐军等[3]结合实例介绍了采用计算机程序求解锚链泊碇的浮船坞链索力的计算方法。本文为某30000 吨举力浮船坞设计了一种带有缓冲能力的系泊抱桩装置，从装置的结构设计、工作原理、受力情况计算等方面进行了论述。

1 某30000 吨举力大型浮船坞介绍

某30000 吨举力浮船坞的物理量，包括主尺度、主要参数见表1。从浮船坞的整体布置设计来看，整体坞墙长201.6m，在顶甲板伸出内坞墙0.85m 处设引船小车轨道，长度沿整个坞墙，如图1 所示。实心橡胶滚轮安装在坞墙尾部入口处，有防撞作用。顶甲板采用水密的结构，可增加纵向强度和保证水密。顶甲板伸出外坞墙1m，并安装骨架，以作为顶甲板的外伸平台。大开口处采用圆型角或抛物线型角光顺，以减少应力集中。

某30000 吨举力浮船坞的中横剖面，如图1 所示，底部采用双层底结构、两侧为浮箱，整个坞体以纵骨架式结构为主，横舱壁、甲板、强横梁、横梁和坞底及肋板等构件主要承担整个坞体的横向强度，浮船坞上设有门座式起重机。

浮船坞作业、系泊时受到风浪、水流条件的影响，具有随机性，为起到确保安全，考虑系泊设备对坞体结构的影响，需要对设备的支撑结构采取适当加强，浮船坞艏艉设置两个风暴系缆柱，配合浮船坞抱桩系泊装置，对装置端部处的支撑结构予以加强[4]，配合使用。防止恶劣海况下异常情况出现。浮船坞在抱桩系泊状态下平面示意图如图2 所示。

表1 浮船坞主要物理量

图1 浮船坞中横剖面图

2 具有缓冲功能的浮船坞抱桩装置设计

2.1 抱桩系泊的结构特点。浮船坞抱桩装置其主要结构设有：上、下基座、坞柱、卡环、销轴部件等，其中上、下基座分别设置在坞墙外侧上、下侧，卡环一端与坞柱连接，另一端与系坞墩连接，卡环内设置销轴，可方便拆卸、维护，检测。卡环与坞柱外部套设连接部设置有防撞缓冲合金塑料。整个装置可保证浮船坞在抱桩系泊中，体现出装置刚性，保证浮船坞受力状态下的动态平衡。示意图如图3 所示。

图2 浮船坞抱桩系泊状态平面示意图

卡环结构中，设有三层瓦环结构，其中下面两层设计为活动结构，上面一层设计为固定结构，均为轴瓦状，销轴连接。卡环采用灵活方便三瓣结构形式，安装操作简单。在系坞墩上安装卡环，与之固定，坞柱与上基座、下基座卡环相连接，并与浮船坞外侧坞墙固定。坞柱与卡环内部结构形式示意图如图4 所示。其特点，坞柱与卡环直接连接操作难度低，强度可靠，减少系泊过程中工程施工量。

图3 浮船坞抱柱装置主要结构及布置

图4 坞柱与卡环内部结构图

装置中固定瓦环、环形角，设置在大于90°小于120°范围。一方面降低坞柱建造的难度，另一方面内部增设防撞控制液压泵，提高坞柱定位纠偏功能，保证其系泊过程安全性。固定卡环的环的本体设有内环面，卡环面的左右两端设有一连接耳；相互连接，通过销轴铰接。连接耳相互之间，设置为齿状交错形式，即能保证其拆装方面，有能使各连接处的强度得以保证，提高装置整体稳定性。

2.2 抱桩系泊装置的设计原理。抱桩系泊装置所受到的力，主要来源是浮船坞坞体所受风、浪、流的作用后，传递给船浮船坞抱桩装置的作用力，装置受力后，应具有调节控制能力，最后力由船墩主要承载，受力过程中抱桩装置的部件之间的配合关系，安全载荷的分析尤为重要。浮船坞抱桩装置的安全性，取决于以下主要因素：外力的大小；浮船坞受力情况；合理布置的船墩桩；动态平衡分析；墩台的结构强度；浮船坞抱桩装置的整个系统的结构特点与强度。

浮船坞抱桩装置卡环内设有一拼装结构的防撞衬套，卡环与坞柱外部套设连接部设置有防撞缓冲合金塑料，衬套、合金塑料起缓冲作用，其厚度设置在100mm 左右，也起到对装置的保护作用，而且损坏后更换安装方便，成本也比较低。主隔板、辅隔板及环板均起到加强作用，主隔板的设置方式可提高坞柱的抗外力载荷性能，同时保证坞柱具有足够的强度和稳定性，装置设计的结构本身具有修理方便的特点。通过增加控制液压泵对抱桩装置进行调节，增加了缓冲功能，可实现调节浮船坞安全的浮态。系泊装置的修理浮船坞抱桩装置可提高浮船坞的作业效率、停泊的安全性。

3 装置受力分析

浮船坞在作业和停泊时，风力、水流力和波浪力将对其联合作用[5-6]，进行施加载荷和约束的受力分析评估对装置的安全性能，同时分析浮船坞抱桩泊碇时状态下遇到的极端海况下的风力、水流力和波浪力，抱桩的许用抗拔力，桩的竖向许用承载力、最大拉应力、最大压应力、最大位移。从中得出最大的泊碇受力情况是否满足规范要求，确保浮船坞抱桩系泊装置结构设计合理。

浮船坞靠泊一般设在码头附近，潮流水域，落潮流速取1.2 米/秒，涨潮流速相对较缓，可取1.0 米/秒。10万吨级散货船通过滑道滑移到浮船坞上，利用低平潮到高平潮的时间段，在整个滑移过驳期间必须确保浮船坞水平高度不变，横向移动不超过容许范围。浮船坞T 型靠泊时，船体船长方向垂直于流向，受流面宽度220.8 米。水流对船体的冲击影响船体的稳定，为了保证滑移过驳期间有效控制浮船坞的横向移动，结合抱桩系泊系统，缆绳系带应足以抵御涨落潮水流力和风压力。有靠桩墩台和墩台，均为钢筋混凝土结构，墩台标高+8.0m、其厚度5.0m，墩台桩采用钢管桩基，其Φ=1600mm×30，墩台下设有斜桩。

波浪力的计算方法采用《海港水文规范》[7]，风载荷以及水流力的计算方法采用《港口工程载荷规范》[8]。风载荷，采用风速为V=36.9m/s，波浪要素：H1%=1.8m，T=5s。波谱选用JONSWAP 波浪谱，有义波高取4.2m，跨零周期为16.4s，γ为3.3，谱峰频率0.15Hz。

风力计算，主要包括浮船坞基本风压力、标准值下的风压力情况。

（1）基本风压力

（2）标准值下的风压力

式（1）、式（2）中，V为风速，μS为体型系数，μZ为变化系数。

水流力计算：

式（3）中，ρ为流体的密度，V为来流的速度，A为绕流物体在垂直于来流方向的投影面积，CW为绕流阻力系数。

波浪力就是波浪产生的与波浪平行的正向力，波浪力按规范公式计算，分两种情况分析，当D/L＜0.2 时，D为迎波面宽度，L为波长。采用流体的绕流理论计算；当D/L＞0.2 时，采用流体的绕射理论计算，其由速度分力和惯性分力组成，其计算公式如下：

速度分力：

力矩：

惯性分力：

力矩：

作用于构件的正向水平总波浪力P为PD和PI的合力，在D/L＜0.2 时，合力：

合力矩：

在D/L＞0.2 时，圆形柱体主要受惯性力的作用，最大水平总波浪力为：

合力：

合力矩：

式（4）至式（11）中，CD为速度力系数；DM为惯性力系数；r为水容重；H为计算波高；D为构件迎波面宽度；A为构件的截面积；L为波长。

计算得到浮船坞抱桩系泊装置，在10 种工况中所受内力、应力结果如表2 所示。

计算结果表明：浮船坞抱桩系泊状态下风、浪、流作用荷载与墩台间夹角不同的10 种工况中，浮船坞抱桩强度计算最大轴向拉力为3126kN，产生在作用载荷与墩台间夹角60°时，设计拉应力许用极限值为4780kN，满足设计要求。最大轴向压力为5884kN，产生在作用载荷与墩台间夹角50°时，设计压应力许用极限值为7890kN，同样满足设计要求。最大变形位移45.5mm，产生在作用载荷与墩台间夹角30°时，设计变形许用极限值为65mm，均符合要求，从计算结果分析其结构强度足够。

4 结束语

浮船坞抱桩系泊装置系统的设计是浮船坞作业安全性、使用寿命的重点工程。根据浮船坞的结构特点，需要优选合理结构设计、优化布局方案设计。文中设计了一种具有缓冲功能的浮船坞抱桩系泊装置，并应用规范公式对其受力情况分析，满足规范要求，保证运行的高效性，减少了浮船坞安全事故的发生概率，提高浮船坞系泊效率，降低使用成本，节省大量的人力财力。

表2 抱桩柱强度计算结果