0 引　言

“凯力”轮改造是成功改造的一艘多功能起重打捞船，系上海打捞局首艘可坐底作业的工程起重船；充分体现了我国在打捞救生方面的实力与担当，为打捞国际化迈出了坚实的一步。该项目首次打捞作业为一型难船的打捞，该难船原是一艘2194箱的集装箱船“Kea Trader”，于2017年7月12日意外搁浅在南太平洋杜兰德礁区，并在外界环境力持续的冲击下，船体被肢解成若干个分段。在此之前，已经有2条施救船对其进行打捞作业，但均无功而返。上海打捞局委托改造”凯力”轮，首要任务就是打捞该事故集装箱船。如何对不确定的海底礁沟进行本船的船体配载，确保在不确定坐底下主船体结构受力的合理性是推进本文顺利进展的首要前提。

1 总体装载载荷输入

本文坐底式起重工程驳船是专为特定工程量身定制的改造船，拟坐底作业于海沟纵横的海域，典型坐底工况如图1所示，坐底范围沿船长方向限于距尾封板15～115 m范围的任意分段，沿船宽在平底区域共计29 m；其坐底式船型结构物作业时的垂向波浪载荷、安全坐底的对地载荷、舷侧波浪爬升、舷侧砰击载荷均为同时作用的时历变化值，进而直接导致船体结构设计^{[1 - 3]}与常规船型结构物船体结构设计存在很大的不同，与防波堤式的直墙建筑物^{[4 - 5]}设计也存在很大的不同。

本文坐底式起重工程驳船在海浪来浪到达船体后的破波问题较为复杂，不能完全参照防波堤式的直墙建筑物设计，但也不能忽略远海深水来波遇到本坐底式驳船后的破波事实；本坐底式起重工程驳船为改造工程，船体和结构可改造设计的能力均有限，因而，坐底区域的礁盘及海沟分布由实地勘测得到，深水波波浪到达礁盘和本目标驳船后的破波后波浪载荷由模型试验确定^[6-7]，本文仅使用模型试验的实测数据，对深水波到达礁盘和坐底结构物后的破波现象及机理、模型试验数据本身等均不予研究和讨论。

由本文起重工程驳船在均匀坐底状态模型试验，船体遭遇的纵倾力矩设计值为目前同尺度船型规范^[8-9]纵倾力矩值的2～3倍，船体垂向波浪剪力设计值为目前同尺度船型规范波浪垂向剪力值的2～3倍，同时舷侧外板遭遇较强的波浪爬升和瞬时砰击载荷作用；本文起重工程驳船的安全坐底作业能力除受到严格的海况限制外，在波浪纵倾力矩及横倾力矩的联合作用下，其安全坐底时对地载荷可达静水状态下对地载荷的2～3倍，波浪等环境动载荷影响下的坐底时对地载荷沿船长、船宽平底区域的分布呈急剧变化（见图2），且不规则海沟分布导致的多种的多分段坐底式工况作业模式实际会更加加剧对地载荷分布的不均匀，因而本起重工程驳船直接承受环境载荷的外板结构设计受到较为严峻的考验。

本文不涉及本起重工程驳船的坐底稳性设计，船体结构改造设计研究的前提是无论外部风、浪、流等环境载荷如何变化，本船始终处于坐底静止状态，无任何船体刚体运动。着重于对所有垂向载荷直接作用下的船体总纵强度设计进行研究，垂向波浪力峰值变化示意图见图3（正值表示波浪向上的浮力，负值表示波浪向下产生的对地压力）；整体有限元模型仅代表船体刚度，船体所受的所有垂向载荷均以节点载荷的形式施加在强框架湿表面以下节点，且所有垂向载荷总和为零以模拟船体瞬态的力学平衡，具体原理及技术细节可参见文献[1]及文献[10 - 12]，本船总强度设计有限元模型、静水载荷分布、三维设计力学模型示意图如图4～图6所示。

2 弯曲强度结构设计

本船极端对地载荷可达12000 t，船体梁垂向弯曲许用载荷过大则会导致船底纵骨的局部承载能力降低，对压载水的调拨及配载和可坐底作业的环境均提出限制；同样，船体梁弯曲许用载荷过小虽然会一定范围内提高船底纵骨的承载海况，从而放宽了对压载水调拨的要求，但却更大程度地限制了本船可坐底作业的外部波浪环境。

本船典型剖面的弯曲特性计算结果见表1和图7。本文起重工程驳船，通过增加局部纵壁、改设坐底区域船底空舱为压载水舱、自编自动化程序语言进行船体配载并自动迭代优化，最大程度发挥了压载舱调节压载水的能力，实现静水载荷下船体对地载荷沿船长、船宽分布几乎均布，最终，本文工程驳船总强度弯曲UC值控制在0.90，见图8。ALLOWABLE_MS+&ALLOWABLE_MS-为许用静水弯矩最大、最小值；MS_MAX&MS_MIN为坐底作业所有工况包络后的最大、最小值。

对于直接承受外部波浪载荷、不均匀海沟载荷的船底外板结构局部强度设计同样采用三维有限元方法，有限元模型范围为桁材间板架2.46 m×2.0 m；在设计压头下，底部纵骨局部强度UC值最大为0.98，弯曲及剪切应力分布图见图9，底部纵骨局部强度UC值随波浪外载荷试验扫描极值点变化见图10。

3 剪切强度结构设计

本船的波浪爬升、破波及砰击载荷与船体梁垂向波浪载荷是同步增大或同步减小；因而，坐底作业环境下，船体梁垂向剪切许用载荷与舷侧纵骨的局部设计承载能力降低，对不规则海沟分布、压载水的配载和可坐底作业的环境均提出限制；同样，船体梁垂向剪切许用载荷过小虽然会一定范围内提高舷侧允许的波浪爬升、破波及砰击载荷环境，但为避免垂向过载，需严格控制重量分布，对压载水的调配提出了极为严苛的要求。

本船典型剖面的剪切特性计算结果见表2和图11。本文起重工程驳船，通过增加局部纵壁、改设船底空舱为压载水舱、自编自动化程序语言进行船体配载并自动迭代优化，最大程度发挥了压载舱调节压载水的能力，实现静水载荷下船体对地载荷沿船长、船宽分布几乎均布，最终，实现本目标工程驳船总强度剪切UC值控制在0.95，见图12。ALLOWAVLE_SHEAR HOG、ALLOWAVLE_SHEAR SAG为许用静水剪力最大、最小值；SHEAR_MAX&amp、SHEAR_MIN为坐底作业所有工况包络后的最大、最小值。

本文起重打捞工程驳船的模型试验因其自身的复杂性，未能成功得到舷侧砰击载荷的有效测量值，因此工程实际改造设计中，通过结合本改造船原构件承载能力，综合参照了ABS钻井船规范^[8]及直墙建筑物设计相关的港口水文规范^[4-5]中对环境水压力的描述，结合模型试验，确定本工程改造驳船舷侧外板水线附近设计水压力值114.22 kN/m²，舷外静动水压力分布及舷侧外板横向弯曲应力分布示意图见图13。实际设计中，对于直接承受外部波浪载荷爬升、砰击等的舷侧外板结构局部强度设计同样采用三维有限元方法，有限元模型范围为桁材间板架2.46 m$ \times $2.1 m；在设计压头下，舷侧纵骨局部强度UC值最大为1.0，弯曲及剪切应力分布见图14。

4 船体总强度设计总结

船底外板结构强度设计比较严峻，在垂向波浪剪力及舷侧砰击载荷的联合作用下，本起重工程驳船的舷侧外板结构同时遭遇总强度剪切与破波及波浪爬升、砰击等局部弯曲载荷的双重考验；船体改造设计上采用的加强措施：主甲板原开口区域封闭，增设连续主甲板；原双层壳体结构内，增设中纵壁、距中6400 mm对称纵壁共计3道连续纵舱壁；原4.2 m间距的双层底肋板中间增设2.1 m间距的双层底肋板；舷侧外板结构增设2.1 m左右间隔的纵向桁材，舷侧双壳区域增设2.1 m左右间隔的纵向肋板；机舱区域中纵舱壁连续；起重机设备附近的3道内纵壁开孔区统一加强，且对开孔数量进行优化，见图15。所有平底坐底范围内的双层底干舱更改为压载水舱，且严格服从总体配载，以尽可能抵消外底板构件所承受的船外水压力载荷。

通过本文对船体弯曲强度、剪切强度及直接承受所有外载荷的船体外板设计研究，为本坐底式起重工程驳船的船体结构总强度设计奠定了基础；鉴于本船复杂的作业环境及众多的多分段坐底工况，本起重工程驳船在结构改造设计上额外采用的防护措施：外底板间断性铺设横、纵向覆盖过平底坐底区域的26 mm防护板；外底板在纵向、横向桁材处铺设覆盖过平底坐底区域的防护橡胶条；机舱区域双层底内的外底板铺设水泥防护，以上防护措施均不计入对本船总体和局部强度的贡献。

5 结　语

1）针对分段式坐底船型结构物的总体波浪载荷确定需在模型试验基础上借鉴常规船型结构物规范体系及总体配载完成；

2）针对分段式坐底船型结构物的总强度设计，需统筹兼顾船体弯曲总强度与外底板构件的局部弯曲强度；

3）针对分段式坐底船型结构物的总强度设计，需统筹兼顾舷侧外板的剪切总强度与舷侧外板构件的局部弯曲强度。

本文在波浪载荷模型试验的基础上，从相关规范体系结合工程实践，借鉴常规意义上的船型结构物、防波堤式直墙建筑物、坐底式平台等可相关的工程设计经验，总体和局部强度上综合探讨适合于本项目的船体总强度改造设计，以全力保障本项目的工程安全，本文的研究方式为后续类似坐底式船型结构物工程的设计提供参考价值。