“远洋五”号浮船坞改造船体结构设计

高明星

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

浮船坞作为船厂一项重要基础配套设施，在船舶维修、建造过程中起着非常重要的作用。随着近年来世界航运业的快速发展，进厂维修船舶及新建船舶的吨位越来越大，日益增长的修造船市场使得现有的坞修设施已无法满足企业的经营生产需求。为了适应市场的变化，结合自身经营发展的需要，大连中远海运重工有限公司拟对目前已有的“远洋五”号浮船坞进行加长、加宽、加高和举力增加的升级改造，以满足20万吨级的矿砂船、散货船、油轮、LPG等大型船舶的改造及维修要求。

1 船体结构改造内容

1.1 主要技术参数变化

“远洋五”号浮船坞改造前后的主要技术参数对比见表1（1 t＝9 810 N）。

1.2 舱室变化情况

本坞改造后仍为整体式浮船坞，由浮箱和2道连续的坞墙组成。全坞浮箱横向被2道水密纵向舱壁切分，纵向被首、尾端壁及24道水密横舱壁切分，总计分割出40个压载水舱，其中原坞32个压载水舱，新增8个压载水舱。另外，本坞左、右舷共设10个泵舱，其中原坞8个泵舱，新增2个泵舱。

1.3 改造主要内容

船体结构改造主要涉及如下内容：

1）原浮箱两舷各加宽7.5 m，两侧坞墙各向外平移7.5 m，加宽后的边舱与原坞边舱相连通。

2）原浮箱首部增加50.4 m，加长的浮箱分段与原坞浮箱分段类似。

3）原浮船坞坞墙首部切割后向前移动50.4 m，中间增加坞墙分段50.4 m。

表1 改造前后主要技术参数对比

4）浮船坞坞墙在原顶甲板上加高3.5 m，浮箱的横向强框间距由原来的12.8 m改为6.4 m。

1.4 改造注意事项

1）改建所需的结构用钢应采用船级社认可的等级材料，焊接材料需根据船级社要求选取，并应提供船级社证书。

2）改造前需对原坞结构进行结构完整性和测厚检查，以保证结构设计改造的准确性。

3）对于切割坞墙、平移坞墙、坞墙焊接、新增结构合拢等重要改造节点，船厂应采取安全合理的施工方案，并在前期做好风险评估。

4）在整个浮船坞改造过程中，船厂应控制测量浮箱的挠度，并应注意集中焊接产生的应力，对于主要的合拢焊缝应按照验船师的要求进行检测。

5）本坞改造焊接均采用双面连续焊，焊接尺寸需按照最新的焊接规格表进行施工。改造完成后，需按照密性试验大纲要求进行密性试验。

2 船体结构设计

2.1 局部强度

浮船坞的船体构件首先是从满足船级社规范所要求的局部强度出发加以确定的[1]。本坞由原先的20 000 t举力提升到40 000 t举力要求进行改造，坞的主尺度有较大增加，最大沉深、最大水位差也与原坞不同，因此需按照改造后坞的尺度设计结构。对于加长、加宽的新建部分，根据规范要求正常设计即可，这个并不太难。但对于原坞已有部分结构，除了要对原坞的结构强度进行校核外，还需对原坞不满足强度要求的部分结构给出经济可行的改造方案。受文章篇幅所限，下面仅以本坞比较有代表性的坞底结构为例，介绍一下对原坞该部分结构的局部强度校核情况和改造建议。

2.1.1 坞底板

根据CCS《浮船坞入级规范2009》[2]，坞底板的板材厚度t应不小于按下式计算所得值，且最小板厚不小于7.5 mm。

由此可得，压载舱位置为t＝11.86 mm，泵舱位置为t＝15.92 m m，而原坞浮箱底板的板厚均为14.00 mm，因此可知原坞底板在泵舱位置的板厚小于规范要求。

2.1.2 坞底纵骨

根据CCS《浮船坞入级规范2009》，坞底纵骨的最小剖面模数W应不小于按下式计算所得值 式中：s 为扶强材间距，s＝0.8 m；l 为扶强材跨距，l＝3.2 m；h 为计算压头，m。压载舱位置：本坞沉浮时最大水位差按沉浮曲线为8.477 m，加余量0.500 m，取h＝9.000 m；泵舱位置：最大深沉吃水18.000 m，加余量0.500 m，取h＝18.5 m。

由此可得，压载舱位置：W＝516 cm3；泵舱位置：W＝1 061 cm3。

原坞底纵骨规格为350×100×12/17 I.A，计入带板14×800，求得实际剖面模数为：W＝947.2 cm3，因此可知原坞底纵骨在泵舱位置的纵骨剖面模数小于规范要求。

2.1.3 解决方案

综上可知，位于泵舱位置的坞底板厚和坞底纵骨规格均不满足规范要求，需对该部分结构进行改造，对于改造方案应充分考虑改造施工难度和经济性等问题。表2罗列了3种问题的解决方案，并对3种方案进行了综合比较。

表2 解决方案综合比较

相比较之下可知方案2最为优化，即通过在泵舱区域的坞底板增设横向支撑构件，使得坞底强构件间距由原来的3.2 m改为1.6 m，并考虑加设肘板，使得计算骨材跨距l≤1.4 m，这样就可以使得原坞底板厚和坞底纵骨规格均能满足规范要求。

2.2 总纵强度

2.2.1 总纵弯曲强度

1）设计总纵弯矩值

根据CCS《浮船坞入级规范》，设计总纵弯矩Ms可按以式（3）计算：

式中：FL设计举升能力，FL＝40 000 t；LD为坞长，LD＝280.0 m。

计算得本坞改造方案的设计总纵弯矩：

Ms＝3683536.29 kN·m。

2）规范要求的船中横剖面模数

根据式（4），可求得规范要求的船中位置甲板处和船底处的横剖面模数，计算结果见表3。

3）船中位置实际横剖面模数

采用MARS2000软件可以计算出改造后的浮船坞位于船中位置的横剖面模数如下：

甲板处实际横剖面模数为

Wtop24.0m＝22 925 900 cm3

表3 甲板处和船底处要求的横剖面模数

船底处实际横剖面模数：Wbottom＝37 949 780 cm3

4）总纵弯曲强度评估结果

根据以上计算结果可知，甲板处及船底处的实际横剖面模数均大于规范要求的横剖面模数，故改造后的浮船坞总纵弯曲强度满足规范要求。

2.2.2 总纵剪切强度

1）进坞船长

根据CCS《浮船坞入级规范》，进坞船长LS（m）

可按以下规定取值：

式中：FL为设计举升能力，FL＝40 000 t；LD为坞长，LD＝280.0 m。

本坞改造后的进坞船长计算得：LS＝224.65 m。

2）剪力计算简化模型

根据CCS《浮船坞入级规范》，剪力简化计算模型如图1所示。

图1 进坞船重量及浮力分布

如图1所示，q1进坞船沿船长LS矩形分布的载荷部分，q1＝1 164.47 kN/m；q2(x)为进坞船沿船长LS的抛物线分布的载荷部分，q2(x)＝q0(1-Cx2) kN/m，其中，C＝4/LS2＝0.00 007 926，q0＝873.36 kN/m，x是以LD/2为原点（该点也与LS/2重合）的沿坞长纵向坐标；m则为正向指向坞首。qw为浮力载荷部分，qw＝1397.4 kN/m；L1为最短进坞船首尾搁墩位置处，L1＝28.075 m；LQmax为最大剪力位置，LQmax按如下确定：

由此可得，x＝96.185 m，最大剪力位置距坞端LQmax＝LD/2－x＝44.215 m。

3）剪力

（1）距坞端L1＝28.05 m处剪力为

Q1＝−qw·L1＝−39 232 kN

（2）距坞端LQmax＝44.215 m处剪力为

Qmax＝−41 063 kN

4）剪切应力

本坞改造后的纵向构件沿坞长方向无变化，因此，剖面特性视作等同于舯剖面数值。可采用MARS2000软件求得剖面的剪力流，根据剪力流求得浮船坞各位置最大剪切应力值如表4所示。

5）总纵剪切强度评估结果

根据以上计算结果可知，浮船坞各位置最大剪切应力值均小于许用剪切应力，故改造后的浮船坞总纵剪切强度满足规范要求。

2.3 横向强度

2.3.1 计算载荷

横向强度主要是校核浮箱的横向强框架，通常可简化为图2所示的计算模式。

表4 浮船坞各位置剪切应力值

图2 浮船坞横剖面载荷作用典型模式

其中改造后的坞墙外型间宽Boutside＝63 m，坞墙内型间宽Binside＝55 m，坞墙宽Bwall＝4 m。

根据CCS《浮船坞入级规范》并结合改造后的浮船坞实际情况，可以确定出如下横向强度计算载荷。坞墙部分自重qwall＝517.58 k N/m，浮箱部分自重qs-pontoon＝142.83 kN/m，进坞船重量P＝26 091.46 kN，浮箱甲板静水压力Ps-deck＝212.39 kN/m，舱内静水压力Ps-tank＝663.55 kN/m，坞底外部水压力Ps-outbottom＝1 280.60 kN/m，内外坞墙处的支反力R1＝R2＝ 3 008.43 kN。

2.3.2 强度校核

1）横向弯矩、剪力计算[3]

基于上述计算载荷及图2载荷分布情况，可以求得某一坞宽位置处的纵剖面A-A上所受到的横向弯矩MA-A和剪力QA-A如下。

距中心线x(m)处剖面弯矩MA-A(x)：

距中心线x(m)处剖面剪力QA-A(x)

2）横向弯曲应力、剪切应力及相当应力

根据CCS《浮船坞入级规范》要求，在浮箱的横向长度上选取数个典型浮箱纵剖面进行该剖面的横向弯曲强度和剪切强度校核，且剖面的校核位置应包括横向强度较弱处，各选取位置的剖面特性可以采用MARS2000软件得出。改造后的浮船坞横向弯曲应力、剪切应力及相当应力可由如下计算公式求得，具体计算结果如表5、表6和表7所示。

弯曲应力计算

剪切应力计算

相当应力计算

表5 弯曲应力计算汇总表

表6 剪切应力计算汇总表

表7 相当应力计算汇总表

3）横向强度评估结果

根据以上计算结果可知，改造后浮船坞横向弯曲应力、剪切应力及相当应力均小于规范要求的许用应力，故改造后的浮船坞横向强度满足规范要求。

3 结论

本文以大连中远海运重工“远洋五”号浮船坞改造工程为例，对浮船坞的船体结构改造内容进行了介绍，并对船体结构设计过程进行了阐述，经过计算评估可知，改造后的浮船坞可以满足CCS《浮船坞入级规范》要求的局部强度、总纵强度和横向强度，船体结构改造方案预期能够实现。同时，本文对于今后的浮船坞改造设计具有很好的参考和借鉴意义。