11.4萬t油船居室總段吊裝撐桿強(qiáng)度校核及分析

劉 濤，孫 良，蔣 江

(江蘇新世紀(jì)造船有限公司，江蘇靖江 214548)

11.4萬t油船居室總段吊裝撐桿強(qiáng)度校核及分析

劉 濤，孫 良，蔣 江

(江蘇新世紀(jì)造船有限公司，江蘇靖江 214548)

11.4萬t油船居室總段在碼頭用浮吊吊裝過程中，對(duì)專用撐桿進(jìn)行計(jì)算校核及有限元分析，為超寬上層建筑總段在完成內(nèi)舾后進(jìn)行整體吊裝的可行性提供理論支持，方案可用來指導(dǎo)大型上層建筑吊裝的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。文中的計(jì)算分析表明該撐桿設(shè)計(jì)方案可行，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

油船;上層建筑;撐捍;整體吊裝;強(qiáng)度

1 11.4萬t油船主要概況

11.4萬t油船的主要量度為:總長為250 m，兩柱間長為240 m，型寬為44 m，設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水均為14.8 m，主機(jī)功率為15 820 kW，服務(wù)航速為15 kn，續(xù)航力為15 000n mile。本船為帶球鼻首傾斜式首柱，尾球方形尾;貨艙區(qū)設(shè)雙層、雙底及1道中縱艙壁;貨油艙區(qū)由油密縱橫艙壁分隔為12個(gè)貨油艙，貨油艙和機(jī)泵艙間設(shè)一隔離艙，作為污油艙或殘油艙。貨艙區(qū)設(shè)有6對(duì)壓載水艙。泵艙、機(jī)艙及甲板室位于尾部，機(jī)艙上方為6層居室，機(jī)艙后為3層甲板室及煙囪。11.4萬t油船總布置圖如圖1所示。

本船居室總段在舾裝碼頭采用浮吊整體吊裝。該總段長 19.26 m，寬 44.0 m，高 16.30 m(不包括雷達(dá)桅高度)，結(jié)構(gòu)僅外圍壁上下貫通。除最下層外，內(nèi)外裝修全部結(jié)束，整段重約710 t。受浮吊吊臂高度限制，擔(dān)心吊裝時(shí)因鋼索分力使結(jié)構(gòu)變形而損害室內(nèi)裝修，為此，設(shè)計(jì)了專用撐桿以分解對(duì)總段吊裝時(shí)鋼索產(chǎn)生的橫向擠壓分力。本文主要對(duì)撐桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核進(jìn)行分析。

2 撐桿結(jié)構(gòu)形式及吊裝纜索的布置

在主船體、上層建筑高度和浮吊吊臂高度一定的情況下，鋼索長度將受限制。經(jīng)計(jì)算，鋼索與吊耳聯(lián)接處的水平交角約為65°。按此角度吊裝，鋼索對(duì)總段產(chǎn)生的橫向分力約為1 200 kN，此力將使總段前后壁板彎曲從而破壞內(nèi)部裝修，因此，必須減小或分解鋼索的橫向分力，其結(jié)構(gòu)形式如圖2～圖5所示。

3 總段撐桿強(qiáng)度校核

總段吊運(yùn)過程分為3個(gè)步驟:

①浮吊將居室總段由碼頭吊起升高;

②浮吊吊運(yùn)總段在江面上移動(dòng)約500 m距離，到達(dá)主船體處;

③在主船體處落鉤，合攏。

考慮到進(jìn)行吊運(yùn)步驟②時(shí)可能的額外動(dòng)載荷因素，在計(jì)算時(shí)，整體結(jié)構(gòu)重量增加20%的裕度，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取為2.0。為確保每一步驟安全吊裝，對(duì)撐桿進(jìn)行了規(guī)范和有限元計(jì)算。

3.1 計(jì)算載荷

式中:G為上層建筑整體重量，G=710 t;g為重力加速度，g=9.81 N/kgf;u 為安全系數(shù)，μ =1.2。

為簡化計(jì)算取P=8 360 kN。

結(jié)構(gòu)鋼材的應(yīng)力許用值見表1。

圖2 撐桿布置圖

圖3 撐桿橫向結(jié)構(gòu)圖

圖4 撐桿縱向結(jié)構(gòu)圖

圖5 浮吊吊裝時(shí)鋼纜張角示意圖

3.2 根據(jù) API(American Petroleum Institute)規(guī)范校核撐桿強(qiáng)度

3.2.1 軸向應(yīng)力Fa計(jì)算

按API規(guī)范中支柱屈曲要求，許用軸向壓應(yīng)力Fa按下面公式計(jì)算:

表1 結(jié)構(gòu)鋼材的應(yīng)力許用值

3.2.2 彎曲應(yīng)力Fb計(jì)算

按API規(guī)范，許用彎曲應(yīng)力Fb按下式計(jì)算:

式中:D為管徑，D=377 mm;Fy為屈服強(qiáng)度，F(xiàn)y=235 MPa;t為管壁厚，t=16 mm。

計(jì)算得 Fb=176.3 MPa。

3.2.3 軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力共同作用

在軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力共同作用時(shí)，需滿足下面公式:

式中:η為交互檢驗(yàn)系數(shù);fbx為X向彎曲應(yīng)力，fbx=45.2 MPa;fby為 Y 向彎曲應(yīng)力，fby=20.0 MPa;fa為軸向應(yīng)力，fa=21.15 MPa。

η =0.43≤1.0，撐桿強(qiáng)度滿足要求。

3.3 有限元結(jié)果

3.3.1 計(jì)算模型

因分析重點(diǎn)在吊耳附近結(jié)構(gòu)和支撐框架，所以模型只建立B甲板以上結(jié)構(gòu)。加載時(shí)，通過增加重力加速度使整個(gè)模型重量達(dá)到8 360 kN。邊界條件取起重船吊鉤處，吊索用桿單元建模;支撐框架用梁單元建模，上建各層甲板及圍壁用板單元，甲板及圍壁上骨材用梁單元建模，吊耳、支撐結(jié)構(gòu)附件骨材腹板用板單元建模。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

有限元分析結(jié)果見表2。

4 結(jié)語

綜述以上校核及分析的結(jié)果，吊運(yùn)時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求。事實(shí)證明，經(jīng)吊裝過程觀察和吊裝后對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)及內(nèi)室裝修情況檢查，總段基本未出現(xiàn)位移變形，達(dá)到預(yù)定效果。因此對(duì)于超寬結(jié)構(gòu)較弱的上層建筑在提升高度受一定限制時(shí)，通過增設(shè)撐桿進(jìn)行整體吊裝這一設(shè)計(jì)方案是可行的。

U661.43

B

2011-11-05

劉濤(1968-)，男，助理工程師，主要從事船舶工藝設(shè)計(jì);

孫良(1970-)，男，助理工程師，主要從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);蔣江(1973-)，男，助理工程師，主要從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表2 有限元分析結(jié)果