船塢超高型管柱支撐設(shè)計

王 佳 穎

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

在實施總組或搭載作業(yè)時，各種規(guī)格的支撐管柱起到了支撐分段或總段、保障安全、減少變形、加快松鉤等作用。隨著建造船舶噸位日益增大，管柱支撐高度和受力也隨之增大。超高型管柱支撐面臨著改進設(shè)計的問題。

1 超高型管柱受力分析

圖1 為某船廠超高型管柱支撐目前使用的超高型支撐管子規(guī)格有φ426mm×14mm、φ500mm×18mm兩種，最高的支撐約為28m。影響支撐效果的是撐管尺寸大小和支撐方式。目前使用的管子支撐與外板相連大致有3種形式：1) 與外板上預(yù)裝的撐頭直接對接，見圖2；2) 管子撐頭與吊環(huán)相接支撐，見圖3；3) 管子通過臨時過渡板與甲板相接，見圖4。以下分別簡稱為對接形式A、B、C。管子底部端頭一般直接與地面接觸。

圖2 撐管與外板預(yù)裝撐頭直接對接

圖1 某船廠超高型管柱支撐

圖4 管子通過臨時過渡板與甲板相接

圖3 管子撐頭與吊環(huán)相接支撐

根據(jù)3種對接方式不同的受力特點，進行設(shè)計允許承載力的計算推導(dǎo)，并且對兩種規(guī)格的撐管在15m、20m、25m以及30m 4種高度下的結(jié)構(gòu)強度進行計算分析。

圖5、6給出了3種對接型式的端部受力簡化圖以及其受壓桿力學(xué)模型。

圖5 三種對接型式的受力簡化圖

圖6 三種對接型式的受壓桿件力學(xué)簡化模型

1.1 屈服強度校核

1.1.1 對接型式A（無偏心）

對接型式A的管柱與外板上預(yù)裝的撐頭直接相連，另一段直接與地面接觸，故管柱僅受壓力且無偏心。

管柱實際應(yīng)力 σ ≤ [ σ] = 0 .8σs=188MPa

式中：A——管柱橫截面積；P——壓力；sσ——材料屈服強度。

由（1）式可得

在無偏心情況下，管子屈服強度校核的可承受最大壓力與管子長度無關(guān)，但應(yīng)對其穩(wěn)定性進行校核。

1.1.2 對接型式B和C（有偏心）

對接型式B的管柱與外板上吊環(huán)相連，另一端直接與地面接觸，故管柱僅受壓力，保守地認為發(fā)生受力的偏心作用在管子最外側(cè)（即偏心 /2d ）。

對于對接型式C，管柱通過一塊臨時搭接板與分段相連，分段另一端與船體固定，故管柱僅受到偏心壓力，保守地認為偏心500mm。

1) 有偏心的情況較為復(fù)雜，將偏心力P作如下等價替換：作用在圓管中心的壓力P及一順時針力矩MP。

管柱實際最大應(yīng)力

式中：A——管柱橫截面積；W——剖面模數(shù)；Δ——偏心距離；

將放大系數(shù)代入式（3）后可得到：

由于EPP＜，整理式（4）后可得

基于上式的物理意義，實際管子強度校核可承受的最大壓力如下式

2) 計算剖面模數(shù)W、慣性矩I、剖面積A：

聯(lián)立（1）～（9）式，代入數(shù)據(jù)計算結(jié)果如下：

表1 對接型式A（無偏心）下的支撐最大壓力

表2 對接型式B和C（偏心）下的支撐最大壓力

1.2 穩(wěn)定性校核

由于管柱細長，需要進行穩(wěn)定性校核。

1) 計算模型：兩端絞支的受壓桿。

2) 用下式計算各規(guī)格桿的柔度λ：

式中：l——桿的長度；I——慣性矩；A——橫截面積。

計算結(jié)果見表3。

表3 管子柔度計算

3) 對細長桿（124λ≥）計算臨界壓力crP：

式中對Q235鋼，E＝206GPa，A為橫截面積。

4) 對中長桿（0124λ＜＜）用公式（12）計算臨界壓力crP：

5) 穩(wěn)定許用壓力Pst用下式計算：

式中：φ——折減系數(shù)，可從《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ19-1988）中查詢。

1.3 設(shè)計允許承載力

撐管設(shè)計允許承載力為許用穩(wěn)定力和強度校核最大壓力的較小值。綜上，表4、5、6匯總了在3種不同對接方式下的撐管設(shè)計允許承載力。

表4 對接型式A下的設(shè)計允許承載力

表5 對接型式B下的設(shè)計允許承載力

表6 對接型式C下的設(shè)計允許承載力

2 設(shè)計分析和改進

圖7、8比較了3種對接型式下φ426mm×14mm和φ500mm×18mm兩種規(guī)格撐管的設(shè)計允許承載力計算結(jié)果。

圖7 各高度下的φ426mm×14mm撐管設(shè)計允許承載力

圖8 各高度下的φ500mm×18mm撐管設(shè)計允許承載力

基于以上分析計算結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實際作業(yè)情況，對于船塢現(xiàn)場搭載所用超高型支撐設(shè)計建議如下：

1) 從設(shè)計允許承載力的角度，偏心對設(shè)計允許承載力影響很大，對接型式從好到壞依次為A、B、C。其中采用C型對接方式還會影響下一總段搭載，建議盡量使用A型支撐對接方式；

2) 當支撐管柱高度≥20m時，φ426mm×14mm規(guī)格的撐管易發(fā)生失穩(wěn)破壞，其設(shè)計承載力較小，現(xiàn)場應(yīng)使用規(guī)格為φ500mm×18mm的撐管，以保證其彎曲剛度，具備足夠的支撐能力；

3) 當支撐管柱高度≥25m時，為進一步提高支撐管柱的穩(wěn)定性，結(jié)合考慮施工現(xiàn)場場地要求等實際因素，建議可在撐管底部支撐面四角添加肘板（如圖9）的對接方式以增加斷面抗彎約束能力，提高其穩(wěn)定性以及減小偏心放大系數(shù)。

此處假定增加肘板支撐的端部為剛性約束（圖10為力學(xué)簡化模型圖），對φ500mm×18mm規(guī)格管柱（高度大于25m）底部支撐面四角添加肘板后的設(shè)計允許承載力進行計算。表7對比了管柱底部支撐面四角添加肘板前后的設(shè)計允許承載力，平均提高支撐承載力129%。

圖10 管柱底部添加肘板后受壓桿件力學(xué)模型

圖9 管柱底部支撐面四角添加肘板示意

表7 φ500mm×18mm規(guī)格管柱底部支撐改進前后設(shè)計允許承載力對比

3 結(jié) 語

基于文中的分析結(jié)果和搭載作業(yè)現(xiàn)場情況，建議對高度大于25m的支撐管子底座擴大支撐面以及在其四角添加肘板，增加端面抗彎約束能力，能夠提高其設(shè)計支撐承載力一倍以上，能夠大幅提高現(xiàn)場超高型管子支撐的使用效果和安全性。

[1] 休斯O F. 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 華南理工大學(xué)出版社，1988.

[2] 倪 樵，李國清，錢 勤. 材料力學(xué)[M]. 華中科技大學(xué)出版社，2006.