大型耙吸挖泥船泥艙箱型肋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭曉浩陳源華喬國(guó)瑞

（1.長(zhǎng)江航道局武漢430010；2.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所上海200011）

大型耙吸挖泥船泥艙箱型肋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭曉浩1陳源華1喬國(guó)瑞2

（1.長(zhǎng)江航道局武漢430010；2.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所上海200011）

大型耙吸挖泥船；泥艙；箱型肋板；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)多艘耙吸式挖泥船泥艙中部區(qū)域箱形肋板與縱艙壁交接處上端部因裂紋而滲漏的事件，對(duì)其成因展開(kāi)研究，并結(jié)合定性分析及強(qiáng)度校核，對(duì)耙吸式挖泥船泥艙箱型肋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使泥艙底部結(jié)構(gòu)獲得足夠的強(qiáng)度和剛度。

0 引言

“長(zhǎng)鯨2”號(hào)是一艘萬(wàn)方級(jí)的大型耙吸挖泥船，由長(zhǎng)江航道局委托七○八研究所設(shè)計(jì)，南通港閘船舶制造有限公司建造。按照交通部交規(guī)劃發(fā)［2005］347號(hào)文件批示，為滿足長(zhǎng)江下游航運(yùn)事業(yè)發(fā)展及船舶大型化需求，加快長(zhǎng)江下游航道建設(shè)，按照“立足國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造，引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備”的原則，開(kāi)發(fā)建造8 000m3自航耙吸挖泥船（實(shí)際艙容10 080m3）。該船由長(zhǎng)江航道局率先開(kāi)創(chuàng)，是我國(guó)獨(dú)立開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型耙吸挖泥船工程項(xiàng)目。

“長(zhǎng)鯨2”號(hào)為鋼質(zhì)全焊接、雙機(jī)、雙槳、雙舵、雙耙、帶首樓的耙吸挖泥船，采用了淺吃水、大方形系數(shù)、雙尾、球鼻首的先進(jìn)船型，以及拼裝式導(dǎo)流尾鰭和先進(jìn)的“一拖三”復(fù)合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)型式。本船主要用于長(zhǎng)江南京以下航道的維護(hù)疏浚，兼作沿海港口和航道的疏浚維護(hù)工程。本船的作業(yè)水域?yàn)殡x岸20 nmile以內(nèi)，可在無(wú)限航區(qū)調(diào)遣航行。交船后三年間，該船已參與長(zhǎng)江口深水航道、膠州灣等疏浚工程，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和積極的社會(huì)效益。

“長(zhǎng)鯨2”號(hào)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，近船中的泥艙箱型肋板與泥艙縱壁連接處發(fā)現(xiàn)有滲漏現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)查看后發(fā)現(xiàn)箱型肋板頂端連接處的泥艙縱壁有細(xì)微裂紋。泥艙前后區(qū)域并無(wú)發(fā)現(xiàn)此類問(wèn)題。

1 原因分析

1.1 原船設(shè)計(jì)情況

“長(zhǎng)鯨2”號(hào)泥艙箱型肋板在泥艙縱壁及泥艙箱型龍骨對(duì)應(yīng)處的加強(qiáng)僅為加強(qiáng)筋型式，泥艙縱壁處對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)筋為HP300×13，箱型龍骨處對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)筋為FB250×12；箱型肋板頂端為R150的圓弧形，加強(qiáng)筋在R150區(qū)域并未對(duì)齊箱型肋板圓弧形頂端；加強(qiáng)筋的下端均為削斜。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 原船泥艙箱型肋板端部加強(qiáng)型式

圖2 原船泥艙縱壁（對(duì)應(yīng)泥艙箱型肋板）

回顧近10年來(lái)耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)情況，5 000m3及以下艙容的中小型耙吸挖泥船，泥艙型式基本均采用箱型肋板的型式。其優(yōu)點(diǎn)是箱型肋板和箱型龍骨構(gòu)成的漏斗形泥井使泄泥比較方便快捷，且底部箱型結(jié)構(gòu)整體剛性較好。

“長(zhǎng)鯨2”號(hào)作為國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)的大型耙吸挖泥船項(xiàng)目，延續(xù)采用了以往中小型耙吸挖泥船的泥艙型式。不過(guò)，大型耙吸挖泥船在船型尺度和泥艙尺度上都較中小型耙吸挖泥船有較大提高，外載荷和泥漿載荷均較大，因此在泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需更全面的考慮。該船設(shè)計(jì)依據(jù)的是中國(guó)船級(jí)社（CCS）“鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范”2006年版，該版規(guī)范對(duì)泥艙箱型肋板端部的連接及強(qiáng)框架設(shè)置情況沒(méi)有明確的要求，但2009年版中已明確定義了泥艙箱型肋板間距為量至箱型肋板的中心，并要求在箱型肋板中心線處設(shè)置強(qiáng)框架。

1.2 初步分析

根據(jù)滲漏點(diǎn)位置來(lái)看，其正位于泥艙箱型肋板頂端R150圓弧處，而加強(qiáng)筋并未與頂端圓弧部分對(duì)齊，見(jiàn)圖2，該處節(jié)點(diǎn)處理欠妥。泥艙箱型肋板的端部（尤其是端部的頂部）也是應(yīng)力集中的區(qū)域，箱型肋板端部加強(qiáng)不足。

從泥艙底部結(jié)構(gòu)來(lái)看，泥艙四周圍壁作為泥艙底部構(gòu)件的邊界剛性支撐，泥艙箱型龍骨和箱型肋板可看作縱向和橫向強(qiáng)構(gòu)件。我們通常比較關(guān)注泥艙底部構(gòu)件在泥艙端壁處的連接過(guò)渡，尤其作為參與船體梁總縱強(qiáng)度的箱型龍骨，船級(jí)社規(guī)范對(duì)箱型龍骨在泥艙前后端壁的過(guò)渡有著明確的規(guī)定。

對(duì)于泥艙箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)的過(guò)渡，由于施工的復(fù)雜性、抽艙管等管線的布置、縱向通道的設(shè)置等原因，箱型肋板若在箱型龍骨內(nèi)連續(xù)較為困難。而如果箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)沒(méi)有延伸過(guò)渡，則箱型肋板被箱型龍骨截?cái)喑勺笥蚁蟽刹糠?，形成剖面局部突變，這時(shí)的箱型肋板基本可看作懸臂梁結(jié)構(gòu)。泥艙滿載時(shí)，箱型肋板承受泥漿載荷和船底水壓力，載荷傳遞至箱型肋板的根部即泥艙縱壁區(qū)域結(jié)構(gòu)，而如果泥艙箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)保持連續(xù)，則箱型肋板可看作跨距為左右舷泥艙縱壁間距的橫向連續(xù)強(qiáng)構(gòu)件，同樣承受泥漿載荷和外部載荷。

兩種型式的箱型肋板受力簡(jiǎn)化示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 箱型肋板受力簡(jiǎn)化示意圖

懸臂梁端部彎矩：

箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)連續(xù)與不連續(xù)相比，端部彎矩減少1/3。實(shí)際上箱型肋板不連續(xù)時(shí)也不是簡(jiǎn)單的懸臂梁，箱型肋板這種箱型組合梁因剖面形狀與長(zhǎng)度等特點(diǎn)用簡(jiǎn)單梁系計(jì)算其結(jié)果也會(huì)有出入。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，箱型肋板連續(xù)時(shí)其端部應(yīng)力可降低10%以上。

泥艙縱壁處的高應(yīng)力和較大變形，同時(shí)泥艙裝卸（該船每天24小時(shí)裝卸泥約17次）時(shí)泥艙箱型肋板對(duì)泥艙縱壁產(chǎn)生低頻拉壓交變載荷等多種因素影響，造成箱型肋板圓弧形頂端處的焊縫和縱壁板產(chǎn)生了低頻疲勞損傷［1］。

1.3 措施

根據(jù)以上分析，采取如下措施：

（1）對(duì)出現(xiàn)裂紋的縱艙壁板局部更換；出現(xiàn)裂縫的焊縫清除干凈，并重新施焊。焊接時(shí)焊接和焊后處理等應(yīng)采用合理的焊接工藝，確保焊接質(zhì)量。

（2）對(duì)泥艙縱壁處結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)：

①對(duì)應(yīng)泥艙箱型肋板上部斜板及頂端圓弧部分的加強(qiáng)桁材，桁材頂端圓弧為R150；

②對(duì)應(yīng)泥艙箱型肋板中心的位置，增設(shè)泥艙縱壁垂直加強(qiáng)桁材；

③增設(shè)3425A.BL泥艙縱壁水平加強(qiáng)桁材及肘板，見(jiàn)圖4。

圖4 泥艙縱壁典型加強(qiáng)

（3）泥艙內(nèi)加強(qiáng)：在泥艙箱型肋板中心位置增設(shè)上下加強(qiáng)肘板，與邊艙加強(qiáng)垂直桁材相接，見(jiàn)圖5。

圖5 箱型肋板中心處加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

（4）泥艙箱型龍骨內(nèi)加強(qiáng)（僅船中2個(gè)箱型肋板加強(qiáng)）：對(duì)應(yīng)FR85~89、FR95~99箱型肋板的位置，增設(shè)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。

圖6 箱型龍骨內(nèi)過(guò)渡加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

2 強(qiáng)度校核驗(yàn)證

根據(jù)以上分析和措施，對(duì)箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)的不同加強(qiáng)過(guò)渡型式進(jìn)行了強(qiáng)度校核和比較，選取其中四種典型方案進(jìn)行比較，四種方案加強(qiáng)型式如圖7~10所示：方案1為原船計(jì)算模型；方案2為箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)進(jìn)行延伸過(guò)渡，抽艙管和通道處開(kāi)孔；方案3為僅在箱型肋板端部作加強(qiáng)；方案4為方案2和3的結(jié)合，箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)延伸過(guò)渡，且下部開(kāi)有大開(kāi)孔，此種型式的加強(qiáng)型式從結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變水平上與方案2都十分接近。三種方案的校核結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 方案1原船計(jì)算模型

圖8 方案2箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)連續(xù)過(guò)渡

圖9 方案3箱型肋板僅端部加強(qiáng)

從表1中四種方案的應(yīng)力水平和相對(duì)位移計(jì)算結(jié)果看，方案一（即原船方案），泥艙縱壁處應(yīng)力水平較高，箱型肋板頂點(diǎn)處的泥艙縱壁縱骨存在應(yīng)力集中，箱型肋板與箱型龍骨連接處應(yīng)力水平不高，但變形較大，說(shuō)明箱型肋板和箱型龍骨一起變形，箱型龍骨和箱型肋板剛性均相對(duì)較弱；方案二，即箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)作延伸過(guò)渡，泥艙縱壁及骨材、箱型肋板靠近泥艙縱壁處的應(yīng)力水平均有所降低，箱型肋板靠近箱型龍骨處應(yīng)力有所提高，但也遠(yuǎn)低于許用值，說(shuō)明提高箱型肋板的剛性后，箱型肋板端部的應(yīng)力和變形均較原船有所改善；方案三，僅箱型肋板端部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，端部應(yīng)力和變形有所降低，但箱型龍骨處的變形依然較大；方案四，箱型龍骨和泥艙縱壁均進(jìn)行過(guò)渡加強(qiáng)，箱型肋板、箱型龍骨和泥艙縱壁處的應(yīng)力和應(yīng)變水平均顯著降低，效果明顯。

圖10 方案4箱型肋板在泥艙縱壁和箱型龍骨內(nèi)加強(qiáng)

表1 三種方案應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果［2］

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)泥艙箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)及泥艙縱壁處過(guò)渡加強(qiáng)型式進(jìn)行校核和比較，可知箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)連續(xù)過(guò)渡使得箱型肋板的剛性增強(qiáng)，載荷傳遞發(fā)生變化，泥艙底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變均有明顯的改善。

類似型式的泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如下幾點(diǎn)可作參考：

（1）箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)有效過(guò)渡加強(qiáng)是很必要的，而且明顯改善了箱型肋板和箱型龍骨的變形；

（2）箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)的過(guò)渡，并不需要完全過(guò)渡，如圖8所示。箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)大開(kāi)孔區(qū)域應(yīng)力很低，考慮到抽艙管、縱向通道及可能設(shè)置的高壓沖水管等布置，以及節(jié)省鋼料的考慮，圖6所示的過(guò)渡加強(qiáng)型式較合理；

（3）箱型肋板在箱型龍骨內(nèi)的有效過(guò)渡型式，因泥艙中部區(qū)域變形相對(duì)于泥艙兩端較大，可以僅考慮在泥艙中部區(qū)域的2~3個(gè)箱型肋板進(jìn)行相應(yīng)過(guò)渡，這對(duì)鋼材重量的控制也是較為有利。當(dāng)然，所有箱型肋板（本船共6個(gè)箱型肋板）均進(jìn)行過(guò)渡是更好的辦法，每處過(guò)渡結(jié)構(gòu)的重量約3 t，設(shè)計(jì)時(shí)可綜合考量；

（4）箱型肋板在泥艙縱壁處的加強(qiáng)也很有必要。目前CCS“鋼質(zhì)海船規(guī)范”（2009年版）規(guī)定泥艙箱型肋板中心線處應(yīng)設(shè)置橫向強(qiáng)框架，較圖5中所示的泥艙縱壁設(shè)置局部垂直桁材加強(qiáng)型式更為方便、合理，更利于載荷的傳遞；

（5）泥艙結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題也需做適當(dāng)考慮。一些熱點(diǎn)區(qū)域如：箱型肋板與泥艙縱壁連接處板及縱骨等節(jié)點(diǎn)，處理都需特別注意，可適當(dāng)增加圓弧形肘板等。

［1］趙學(xué)謙，周佳，喬國(guó)瑞.“長(zhǎng)鯨2”耙吸船泥艙疲勞強(qiáng)度評(píng)估報(bào)告［R］.2011.

［2］趙學(xué)謙，周佳，喬國(guó)瑞.“長(zhǎng)鯨2”耙吸船泥艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估報(bào)告［R］.2011.

Structural optimization for mud hold box ribbed slab of large TSHD

GUO Xiao-hao1CHEN Yuan-hua1QIAO Guo-rui2
（1.Chang jiang River Dredging，Wuhan 430010，China；2.Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

Large TSHD；mud hold；box ribbed slab；structural optimization

By aiming at several Trailing Suction Hopper Dredger（TSHD）crack leakage accidents which happened around the upper end conjunction of longitudinal bulkheads and box ribbed slab in the middle of mud hold，this paper studies the causes inherent，and optimizes the structure of the mud hold box ribbed slab by combing the qualitative analysis and strength verification，which ensures the mod hold structure has enough strength and stiffness.

U663

A

1001-9855（2011）06-0036-05

2011-09-22；

2011-10-18

郭曉浩（1952-），男，漢族，教授級(jí)高工，主要從事船舶內(nèi)燃機(jī)研究管理工作。

陳源華（1960-），男，漢族，教授級(jí)高工，主要從事船舶機(jī)械的研究管理工作。

喬國(guó)瑞（1979-），男，漢族，工程師，主要從事船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。