海工用單軌吊梁支撐設計及強度校核

王正權(quán)， 邵小豐， 胡國賢， 楊勝國

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺 264000)

海工用單軌吊梁支撐設計及強度校核

王正權(quán)， 邵小豐， 胡國賢， 楊勝國

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺 264000)

海工用單軌吊梁以往的經(jīng)驗設計會造成設計冗余不足，因此，選擇常用的3 t及以下的單軌吊梁為研究對象，通過力學原理及模型簡化進行實際受力和強度校核，給出單軌吊梁的設計參考數(shù)值，進而優(yōu)化其設計。

單軌吊梁；支撐布置；支撐連接

0 引言

以往的單軌吊梁設計中，工程師對于吊梁的選取及其支撐的布置沒有清晰的概念，都只是憑借經(jīng)驗來進行設計，沒有詳細準確的計算數(shù)據(jù)作為設計支撐，往往造成設計的過度冗余或不足，浪費了大量的人力工時及材料。而3 t及以下單軌吊梁的應用在海工裝備中的數(shù)量較多，所以亟需梳理和總結(jié)其設計，并進行標準固化，從而為后續(xù)項目的設計提供數(shù)據(jù)支持。

應用力學原理進行模型簡化及計算，基于美國船級社(ABS)的WSD 許用應力設計方法，即只考慮材料的屈服強度利用系數(shù)，并結(jié)合常用的海工規(guī)范，校核不同起重作業(yè)工況下吊梁工字鋼、支撐的強度及剛度，以確定不同工況下工字鋼及支撐的尺寸及布置，使其滿足材料特性及規(guī)范的要求。最后將單軌吊梁的設計標準固化，成為企業(yè)內(nèi)部通用的設計標準。

1 工字鋼選取

綜合吊梁起重滑車供應商的選型配置，并結(jié)合船廠海工項目的建造經(jīng)驗，在根據(jù)最重起吊設備/部件的重量確定吊梁的安全載荷(SWL)后，根據(jù)表1中的參數(shù)選取合適的工字鋼作為吊梁[1]。圖1為工字鋼剖面尺寸示意圖。

表1 工字鋼選取

圖2 工字鋼尺寸

2 支撐選取、連接及強度校核

2.1 支撐選取

根據(jù)海工行業(yè)項目的設計及施工經(jīng)驗，選取ASTM A106A/A106 M標準的無縫鋼管作為吊梁的支撐，相關參數(shù)信息見表2。

表2 支撐選取相關參數(shù)

2.2 支撐與船體結(jié)構(gòu)的連接

鋼管支撐不能直接與結(jié)構(gòu)甲板焊接連接，須與球扁鋼、T型材或角鋼等扶強材焊接連接，以消除吊梁對主結(jié)構(gòu)的應力影響。根據(jù)行業(yè)設計經(jīng)驗，得到支撐與球扁鋼、T型材的連接形式，供設計參考。

(1) 與球扁鋼連接

鋼管支撐通過加強板與球扁鋼相連接，加強板插入圓管的條形槽內(nèi)，且為了避免凝水及臟物進入圓管并考慮外形美觀，對圓管削斜開口處用半徑50 mm(R50)的半圓形蓋板進行封蓋，所有焊接連接使用普通直角焊接，如圖2所示。

(2) 與T型材連接

鋼管支撐與T型材面板直接焊接連接，且根據(jù)布置位置及空間尺寸，對支撐的一側(cè)或兩側(cè)采取肘板加強，增加支撐連接的牢固性，如圖2所示。

圖2 支撐連接形式

2.3 支撐強度校核

2.3.1 受力設計

支撐受力如圖3所示，長度為H的圓管支撐與工字鋼焊接，考慮起重設備的動態(tài)操作，支撐的受力分為水平力Ps和豎直力Pv。

圖3 支撐受力分析

參考標準NORSOK R002中H.5.2的要求計算支撐受力[2]：

(1) 豎直方向受力

計算支撐受力：計算時選取動態(tài)載荷系數(shù)為1.5，即

式中：g為重力加速度，g=9.81 N/kg。

(2) 水平方向受力

校核計算時水平方向的受力為10%的Pv，即

2.3.2 支撐材料特性

支撐材料選取ASTM A106 GR.B無縫鋼管，其屈服極限σs=240 MPa,根據(jù)一般機械制造設計經(jīng)驗，材料的安全系數(shù)取1.2，則彎曲許用應力[σ]=200 MPa，剪切許用應力[τ]=120 MPa。鋼管支撐的其他特性見表3。

表3 支撐用鋼管其他材料特性

2.3.3 支撐極限長度確定

根據(jù)以上受力分析及力學原理可得；

由σ=σa+σb= Pv/A+ Ps·H/W= Pv/A+ Pv·10%·H/W，得出：

當σ=[σ]時，H具有極限長度，即允許出現(xiàn)的最大長度。安全載荷分別為1.0 t、2.0 t和3.0 t時，各個參數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 各參數(shù)計算結(jié)果

通過以上計算結(jié)果可以得出，當σ=[σ]=200 MPa時，不同載荷下的剪應力τ<[τ]=120 MPa，且支撐的最大長度可以分別做到1 502 mm，1 337 mm，1 461 mm。但在實際設計時，在保證設備起吊高度的前提下應盡可能縮短支撐長度，以保證支撐具有足夠的受力強度和吊梁操作穩(wěn)定性，從而確保船上起重作業(yè)的安全性。

3 工字鋼的強度與剛度校核

3.1 最大跨距時工字鋼的強度及剛度校核

3.1.1 支撐間最大跨距的確定

支撐間距布置如圖4所示，吊梁支撐間的跨距為L，受集中載荷P的作用，根據(jù)受力工況及力學原理，需要計算出L允許出現(xiàn)的最大值，以使實際設計時的支撐布置更合理，避免過度設計，減少支撐數(shù)量，從而降低建造成本。

圖4 支撐間距布置

根據(jù)力學原理，將上述的受力工況簡化為集中載荷作用下，兩端固定的簡支梁，其受力簡圖及撓曲線方程，見表5。

表5 簡支梁受力簡圖

表6 不同載荷下支撐間最大跨度及工字鋼垂向最大撓度

通過表6的計算結(jié)果可以看出，安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時吊梁支撐的最大跨距分別為2 824 mm、3 643 mm、3 563 mm，對應的最大撓度分別為4.7 mm、6.1 mm、5.9 mm，且都滿足f≤25 mm的要求。

3.1.2 工字鋼的強度與剛度校核

通過3.1.1節(jié)的計算，根據(jù)規(guī)范的要求得出了吊梁支撐間的最大跨距，而該部分內(nèi)容需要校核支撐在按照最大跨距布置時的強度及剛度是否滿足材料的特性要求，否則須根據(jù)強度和剛度的要求調(diào)整支撐間的跨距，以最終確定最大跨距。

(1) 強度校核

由強度條件設計截面梁的最大彎矩，工字鋼中間截面的彎矩為

且彎曲正應力強度條件為

根據(jù)式(5)和式(6)得到不同載荷下的計算結(jié)果見表7。

表7 不同載荷下工字鋼強度校核計算結(jié)果

通過表7的計算結(jié)果可以得出，支撐按最大跨距布置時，吊梁中間截面處的彎曲正應力都小于彎曲許用應力[σ]，滿足強度要求。

(2) 剛度校核

通過3.1.1節(jié)的計算過程可以得出，支撐的布置跨距在L≤Lmax時，吊梁的垂向撓度f≤fmax=L/600，此時吊梁的剛度滿足要求。通過強度和剛度的校核計算可以得出：安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時，吊梁支撐間的最大跨距分別為2 824 mm、3 643 mm、3 563 mm，設計時可以參考使用。

3.2 吊梁端部最大外伸長度計算

3.2.1 最大外伸長度確定

懸臂梁受力如圖5所示，在布置支撐時，由于船體結(jié)構(gòu)的限制或支撐間距的調(diào)整，工字鋼會出現(xiàn)一段外伸長度，將根據(jù)計算結(jié)果確定工字鋼允許出現(xiàn)的最大外伸長度，以供設計參考[4]。

圖5 懸臂梁受力分析

根據(jù)力學原理，將懸臂梁受力簡化為集中載荷作用下，一端固定，一端自由的懸臂簡支梁，其簡圖及撓曲線方程如表8所示。

表8 懸臂梁受力簡圖

參考規(guī)范DNV-OS-C101, Section 8中對結(jié)構(gòu)懸臂梁的要求，懸臂工字鋼在自由端受集中力作用時垂向撓度應為f≤2L/600=L/300。

表9 不同載荷下的最大外伸長度及最大撓度

通過表9的計算結(jié)果可以看出，安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時懸臂梁的最大外伸長度分別為998 mm、1 288 mm、1 260 mm，對應的最大撓度分別為3.3 mm、4.3 mm、4.2 mm，均滿足f≤25 mm的要求。

3.2.2 工字鋼的強度與剛度校核

對校核懸臂梁最大長度外伸時的強度及剛度進行校核若不滿足材料的特性要求，須根據(jù)強度和剛度的要求調(diào)整外伸長度，以最終確定最大外伸長度。

(1) 強度校核

根據(jù)懸臂梁的受力簡圖，其剪力圖和彎矩圖如圖6所示。

圖6 懸臂梁剪力圖和彎矩圖

由圖6可知，在梁的各橫截面上，剪力相同。在固定端橫截面處，彎矩最大。不同載荷工況下，剪應力及彎曲應力的計算結(jié)果見表10。

表10 剪應力計算結(jié)果

表11 彎曲應力結(jié)果

通過表10、表11的計算結(jié)果可以得出，懸臂梁在以最大長度Lmax外伸時，其強度滿足材料的特性要求。

(2) 剛度校核

通過3.2.1節(jié)的計算過程可以得出，工字鋼的外伸長度在L≤Lmax時，其垂向撓度f≤fmax=L/300，此時吊梁的剛度滿足要求。

綜合以上強度和剛度的校核計算可以得出：安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時，懸臂梁的最大外伸長度分別為998 mm，1 288 mm，1 260 mm，設計時可以參考使用。

4 結(jié)論

基于理論力學原理進行模型簡化，并結(jié)合項目實際情況和相關的行業(yè)規(guī)范進行分析和計算，該文求解出了不同安全載荷下吊梁布置設計的三個主要參數(shù)：鋼管支撐最大長度、支撐間最大跨距及工字鋼最大外伸長度，其對于海工用單軌吊梁的選型及布置設計給出了指導性的方案，避免了個人的經(jīng)驗性設計，為項目的設計和施工提供了有效的技術支撐。

[1] Hot Rolled section steel：GB/T 706-2008[S].2008.

[2] Annex H. Lifting Equipment：NORSOK R002[S].Edition 2.2012.

[3] Eurocode 3-Design of Steel Structure-Part 6:Crane Supporting Structures：EN 1993-6-2007[S].2007.

[4] Standard Specification for seamless carbon steel pipe for high-temperature service：ASTM A106A/A106 M-2008[S].2008.

Support Design and Strength Check for Offshore Monorail

WANG Zheng-quan, SHAO Xiao-feng, HU Guo-xian, YANG Sheng-guo

(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd, Shandong Yantai 264000, China)

As for 3 tons and below monorails used in offshore rigs, because of design redundancy and deficiency caused by empirical design, mechanics principle and model simplification will be utilized in this paper to complete the implement of actual stress and strength check calculation, then give the monorail design reference value for further design optimization.

monorail crane girder; support arrangement; support connection

1001-4500(2016)06-0015-08

2016-04-01

王正權(quán)(1985-)，男，工程師。

TP391

A