船體分段搭載鋼管支撐載荷淺析

摘要：在船體分段搭載過程中，大量重心外飄分段或總段需進行臨時剛性支撐。采用鋼管支撐有其獨特的優(yōu)勢，已成為業(yè)內(nèi)主流。根據(jù)不同的分段重量選擇合適規(guī)格以及長度的鋼管，快速確定支撐鋼管的載荷，在生產(chǎn)設計過程中有廣泛的應用價值。本文對GB/T 17395-2008以及ISO 4200-1991 中部分常見規(guī)格的鋼管進行計算分析，得出許用載荷。

關鍵詞：船體；搭載；鋼管；支撐；載荷

中圖分類號：U671.4文獻標識碼：A

Analysis of Axial Ioad of Steel Tube in Form of Rigid Support During Hull Block Loading

QIN Yafeng

（Shanghai Huarun Dadong Shipping Engineering Co.,Ltd. Shanghai 202155）

Abstract:In the process of hull block loading, a lot of bow flare or broad side blocks in need of temporary rigid support; using steel tube as support has its unique advantages, has been the mainstream in the shipbuilding industry；it is essential to quickly determine the right size and length of steel tube according to different weight of blocks, there is a wide range of such applications in the production design process. This paper focused on some common standard steel tubes from GB/T 17395-2008 and ISO 4200-1991 in calculation analysis and deduced the allowable load.

Keywords: hull; block loading; steel tube; rigid support; axial load

1 引言

在船體建造過程中，首尾或舷側分段由于重心外飄，在總組或搭載時需要在分段下方或邊緣加剛性支撐，以固定分段完成裝配作業(yè)。

剛性支撐可以選擇多種型式，如角鋼制成的長方體擱架、工字鋼、結構鋼管等。其中鋼管支撐因為其制作簡單、各向承載力相同、同等重量情況下承載力最大等諸多優(yōu)點而具有其獨特的優(yōu)勢。

2 支撐鋼管選型

目前國內(nèi)各大船廠所承接的船舶日趨大型化，如180 000 DWT散貨船、10 000TEU集裝箱船等，其型深分別達到24.9 m和27.2 m。相應的支撐長度可達15m以上，一般屬于細長桿。

由歐拉公式可知，相同規(guī)格細長桿的承載能力主要取決于材料的彈性模量E，與屈服強度無關。而普通強度鋼與高強度鋼的彈性模量基本相同，因此鋼管支撐可以選取GB/T 17395-2008中Q235等級的鋼管。同時考慮到材料的通用性，本文選取了ISO 4200-1991與GB/T 17395-2008均收錄的部分常見規(guī)格鋼管作為研究對象。

3 支撐連接型式及受力分析

鋼管支撐型式一般為頂部與船體吊環(huán)或預裝支撐頭相連。與支撐頭相連時可電焊固定，與吊環(huán)等相連時可插銷固定，使用時更為方便快捷，符合快速搭載的要求。

支撐底部可加鐵楔或千斤頂，用于微調高度，直接落于船塢內(nèi)水泥地面，亦可選在塢底預埋件位置。

下面以頂部為吊環(huán)型式支撐作為研究對象，計算其許用載荷。此支撐可視為一端自由，另端固定的壓桿。

圖1為某型船首部分段的搭載支撐示意圖；假定1714分段重量為G，相鄰分段1614與1714之間的剪切力為Fs，鋼管的支撐力為FN，根據(jù)力矩平衡原理可得:

FN=GL1/(L1+L2) （1）

圖 1 某型船首部分段的搭載支撐示意圖

4支撐載荷計算

壓桿根據(jù)長細比λ的大小可分為3類：細長桿、中長桿和粗短桿。

（1）細長桿：當長細比λ大于或等于某個極限值λp，即λ＞λp（對Q235鋼，λp=101），其所受載荷超過臨界應力時將發(fā)生彈性屈曲。臨界應力為：

（2）

（2）中長桿：當λs≤λ＜λp（對Q235鋼，λs=61.6）時壓桿將發(fā)生非彈性屈曲。其臨界應力為:

（3）

式中：a和b為與材料有關的常數(shù)， Q235鋼的a=304 MPa，b=1.12MPa

（3）粗短桿：當λ＜λs時，壓桿不會發(fā)生屈曲，但會發(fā)生屈服。其臨界應力即為屈服應力：

（4）

綜上可知，計算許用載荷首先需確定壓桿細長比λ

(4) （5）

式中:——長度系數(shù)，為=2；

——鋼管長度（mm）；

——慣性半徑（mm）。

假定鋼管外徑為273 mm，壁厚10 mm,長度10 000 mm，則計算可得， 215＞，屬于細長桿，可應用歐拉公式：

式中：E——彈性模量，E=200 GPa;

I ——慣性矩(mm4）;

μ——長度系數(shù)，為μ=2;

——鋼管長度(為mm).

得出許用載荷為： kN

5 部分規(guī)格鋼管許用載荷

針對船廠實際施工范圍，將鋼管規(guī)格推廣到GB/T 17395-2008及ISO4200中常見的部分規(guī)格，對直徑273 mm~508 mm、長度10 000 mm~20 000 mm范圍內(nèi)的鋼管許用載荷進行了計算，結果如表1所列。

表1GB17395中常見規(guī)格鋼管許用載荷

注：長度單位m；鋼管規(guī)格為外徑×壁厚，單位mm；許用載荷單位kN。

6結論

船體分段搭載過程中使用的支撐鋼管，基本上都屬于細長桿，可使用Q235材質結構鋼管，應用歐拉公式計算許用載荷，校核其穩(wěn)定性。

需要指出的是，搭載支撐鋼管的許用載荷，在需滿足壓桿穩(wěn)定性要求的同時，仍受到初始彎曲以及偏心軸力的影響，但由于實際施工中鋼管彎曲度、軸力偏心距一般較小，偏心軸力所形成的彎矩導致的內(nèi)力起次要作用，在計算時可忽略。

在工程實際中，安全系數(shù)取2.5，所得結果經(jīng)實踐檢驗較為可靠。

參考文獻

[1]范欽珊，殷雅俊.材料力學[M].北京：清華大學出版社,2004.

[2] GB/T 17395-2008,無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差[S].北京:中國標準出版社,2008.

[3]ISO 4200-1991,Plain end steel tubes ,welded and seamless-General table of dimensions and masses per unit length[S].Geneva: ISO/TC5,1991.

作者簡介：秦亞峰（1983-），男，工程師。主要從事船舶修理及建造工藝工作。

收稿日期：2014-01-14