自升平台式碎石铺设整平船下水方案优化及强度分析

上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125

1 工程概况

自升平台式碎石铺设整平船“一航津平2”（下文简称整平船）在海底隧道施工建设中是基础整平不可或缺的关键装备，为我国碎石整平领域的第五代核心装备。该船由中交一航局研发投资，上海振华重工建造，集基准定位、石料输送、高精度铺设整平、质量检测验收功能于一体。整平船主船体为箱型“回”字结构，船长98.7m、宽66.3m，型深6.5m，桩腿总长为75m（可根据水深工况环境接长至95m），中间月池尺寸为70.5m×47.3m。铺设整平作业最大水深40m，在不移动船身的情况下作业范围可达57m×44m，每4个船位可完成单个沉管区域的抛石整平作业，且整平船具有在风暴工况下站立自存的能力。

由于整平船具有特殊的箱型“回”字结构，船身较长，若采用驳船横靠码头，整平船横向滑移下水的常规方案将带来较多的问题，增加下水的风险。因此，文章对常规下水方案所存在的风险进行了分析，提出纵向靠驳下水方案，并建立整平船下水的有限元模型，进行强度分析，确保该方案下整平船的强度能够满足船级社规范的要求。

2 常规海工平台下水方案

目前，国内学者对海工平台下水进行了深入的研究。其中，宋友良等[1]对比海工装备和民用船舶，提出了典型海工装备总装建造模式；滕瑶等[2]总结了海工平台在陆上批量并行总装建造模式，该模式通常包括片体组装、分段建造、大模块建造、驳船下水、整体吊装合拢等。其中驳船下水及运输通常由半潜运输驳船横靠码头以减少滑道工装，海工模块或平台在轨道上牵引滑移或者液压顶推到半潜运输驳船，然后半潜运输驳船选择合适条件开始下潜，驳船与海工模块或平台脱离，从而完成下水过程。

根据整平船的设计特点，抬升设备、机舱、变频器室、应急发电机室、空调机室、CO2站室、辅机舱、中控室以及生活区等都集中于整平船首尾处，该处约占60%空船重量，形成了首尾重、中间轻的特点。应用常规海工平台横向滑移下水方式时，整平船首尾外伸部分将处于悬臂梁式的受力状态，整平船与驳船两侧接触处会产生非常大的支反力，将破坏整平船的船底结构。同时，考虑到码头涨落潮的影响，整平船从码头滑移到驳船指定位置后，要求驳船迅速离开码头，避免整平船外伸部分与码头发生搁浅式碰撞。

3 纵向靠驳下水方案

为了解决整平船利用常规下水方案所带来的问题，文章提出整平船纵向靠驳滑移下水方案。该方案要求驳船尾部浮箱具有可拆卸功能，驳船纵向靠码头，整平船从驳船尾部滑移到驳船上，驳船尾部浮箱待整平船滑移到位后再归回原位。在下水过程中，整平船在滑道上始终保持均匀受力状态，滑道的支反力也基本保持一致。该方案有效避免了应力集中及整平船外伸部分与码头碰撞的问题，降低了整平船下水时的风险[3]。

4 船体强度

4.1 模型及荷载

（1）有限元模型。为了分析整平船在纵向靠驳下水情况下的结构强度，文章建立了主船体有限元分析模型，模型包括主甲板下的主船体结构及首尾端的加强工装件，主甲板以上结构采用施加荷载的方式进行简化。其中，滑移轨道采用弹簧模拟，轨道的数量、长度、弹性模量和弹簧刚度根据轨道的实际布置情况及枕木的实际承载能力进行模拟。轨道布置如图1所示。

图1 轨道布置示意图（从下往上看）

（2）模型坐标系。整平船有限元模型坐标系：坐标原点位于0#肋位、船底板、中心线相交处，X方向指向船首，Y方向由船中指向左舷侧，Z方向为垂直向上。

（3）模型边界条件。整平船有限元模型的边界条件如图2所示。

图2 模型边界条件

（4）工况及荷载。整平船下水过程主要考虑整平船在码头上以及滑到半潜驳上的两种情况。在这两种情况下，其下方承载轨道长度相同，且通过分析发现半潜驳自身刚度对计算结果的影响非常有限，故在同一荷载的工况下，整平船在码头上与半潜驳上的计算结果相同。

根据整平船主甲板以上的荷载通过围井结构及左右舷支柱传递到主甲板结构的结构特点，有限元模型中用以下方法对整平船下水过程中的荷载进行了模拟：①主甲板下的船体结构重量通过调整模型结构密度实现；②主甲板以上船首及船尾的中间甲板、控制甲板及中控室的重量通过施加荷载的方式实现；③设备重量，如大小车、锚机、发电机、救生艇及吊机等，通过施加荷载的方式实现；④整平船桩腿为下水之后在舾装码头安装，故在下水过程中无须考虑其荷载。

4.2 许用应力衡准

许用应力衡准根据整平船规格书要求的CCS《海上移动平台入级规范》并参考ABS MOPU规范（美国船级社《移动平台入级规范》）选取。

4.3 结果分析

经过计算，模型最大板单元正应力为108MPa、最大梁单元正应力为116MPa、最大单元剪应力为83.8MPa、最大单元相当应力为157MPa，均低于文章4.2节所示的许用应力数值，表明整平船在下水状态时的强度满足规范要求。

通过支反力数据分析可知，整平船两侧的滑道支反力最大，平均每根滑道承担约35%的空船重量；靠近船中的两根滑道支反力较小，平均每根滑道承担约15%的空船重量。这是由于两侧的滑道接触长度较长，而且更靠近平台围井区域，直接承受较大的船体荷载，且两侧片体上分布着主要的设备，相关荷载也直接传递到最近的滑道上，支反力分布情况符合整平船的设计特点。

5 结论

文章根据整平船的设计特点，对其采用常规海工平台下水方案所存在的问题和风险进行了分析，进而提出纵向靠驳下水方案，并建立了有限元模型进行强度分析，确保该方案中船体强度符合规范要求。通过研究，得出以下结论：

（1）根据整平船首尾重、中间轻且长度较长的设计特点，若采用常规海工平台横向滑移下水方案，整平船外伸部分会出现悬臂梁式受力状态，整平船与驳船两侧接触处会产生非常大的支反力，从而破坏整平船的船底结构，而且存在船体外伸部分与码头发生碰撞的风险。采用纵向靠驳下水方案，则整平船在滑道上始终保持均匀受力状态，滑道的支反力也基本保持一致，可以有效避免应力集中及整平船外伸部分与码头碰撞的问题。

（2）文章通过建立有限元模型，施加弹簧约束边界并模拟整平船下水时的实际荷载状态，进而进行分析计算，确保纵向靠驳下水方案中船体强度符合规范要求，且支反力分布情况也符合整平船的设计特点，证明该方案可行。

整平船纵向靠驳下水方案的提出和有限元分析验证为整平船的下水实施提供了技术指导，为类似海工平台项目提供了可参考的经验。