用于沉船打撈的托底鋼梁設(shè)計(jì)

段明昕　陳世?！●R駿　汪有軍

摘要：在舉世矚目的“世越”號(hào)沉船打撈工程中，交通運(yùn)輸部上海打撈局創(chuàng)造性地應(yīng)用了托底鋼梁打撈方法。該方法是將一組托底鋼梁墊在沉船之下，打撈時(shí)起吊力作用于托底鋼梁而非直接作用于沉船上。因此，該方法對(duì)沉船船體結(jié)構(gòu)破壞較小，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)主方提出的整體打撈并盡量避免船體破壞的要求。該文對(duì)“世越”號(hào)打撈工程托底鋼梁的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，并應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)托底鋼梁結(jié)構(gòu)和沉船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，為以后打撈工程中應(yīng)用類似打撈方法提供了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：沉船打撈 托底鋼梁 設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 ANSYS

0 引 言

2014年4月16日，“世越”號(hào)客輪在韓國(guó)西南部海域沉沒(méi)，舉世震驚。該船是一艘載有476人的客輪。該沉船事故共造成304人遇難，142人受傷，并有9人失蹤。

2015年5月22日至6月22日，韓國(guó)海洋水產(chǎn)部對(duì)“世越”號(hào)客輪進(jìn)行國(guó)際公開(kāi)招標(biāo)。

韓國(guó)海洋水產(chǎn)部要求中標(biāo)單位對(duì)沉船實(shí)施整體打撈，且打撈過(guò)程中維持沉船左傾狀態(tài)不變，不能將沉船扳正。上海打撈局最終憑借技術(shù)部門(mén)提交的一種人性化打撈方案一舉中標(biāo)。該方案是將一組托底鋼梁墊在沉船左舷之下，在起吊過(guò)程中，起吊拉力作用于鋼梁兩端眼板的銷軸上，托底鋼梁則拖住整個(gè)船體的重量。由于托底鋼梁與沉船船體接觸面積較大，且起吊力不是直接作用在沉船船體之上，因此該打撈方案對(duì)沉船船體結(jié)構(gòu)破壞較小，最終成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)沉船的整體打撈。

本文對(duì)托底鋼梁的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)托底鋼梁和沉船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 托底鋼梁設(shè)計(jì)要求

托底鋼梁的設(shè)計(jì)需要滿足打撈過(guò)程中的相關(guān)使用要求。這些要求是由沉船的主尺度、船舶重量等參數(shù)和沉船起浮方案共同決定的。

1.1 沉船主要參數(shù)

“世越”號(hào)沉船船體總長(zhǎng)145.61m，垂線間長(zhǎng)132m，船寬22m，型深14m（加上上層建筑船舶主體總高度為26.75m）。沉船空船重量為6 113噸，載重量3 794噸，總重量9 907噸。

1.2 沉船起浮方案描述

整個(gè)沉船打撈的起吊過(guò)程大致可以分為以下幾個(gè)步驟：1.兩艘抬浮駁在沉船兩側(cè)水面上拋錨就位，每艘駁船上各有一系列鋼絞線系統(tǒng)。鋼絞線系統(tǒng)將沉船緩緩提升至沉船右舷離開(kāi)水面13.5m左右。2.在抬浮沉船過(guò)程中，半潛駁預(yù)先在沉船位置附近壓載下潛至吃水26m處待命。3.抬浮駁與沉船帶好纜，并將沉船移船至半潛駁處，并與半潛駁帶纜，隨后將沉船船體調(diào)整至半潛駁甲板以上的預(yù)定設(shè)計(jì)位置。4.半潛駁排掉壓載水，緩慢起浮至與托底鋼梁下底面接觸。5.半潛駁繼續(xù)排載至滿足拖航吃水要求。

1.3 托底鋼梁設(shè)計(jì)要求

根據(jù)沉船起浮方案描述，打撈工程中，整個(gè)沉船船體最多出水13.5m左右，此時(shí)沉船還有一定的內(nèi)浮力以及船體結(jié)構(gòu)自身的浮力。再考慮到沉船重量，以及沉船主尺度和托底鋼梁穿過(guò)沉船左舷的實(shí)際施工難度，對(duì)托底鋼梁的技術(shù)要求總結(jié)如表1-1所示：

1.4 托底鋼梁結(jié)構(gòu)和焊接工藝要求

對(duì)托底鋼梁的結(jié)構(gòu)和焊接工藝要求為：

1.托底鋼梁為箱型結(jié)構(gòu)，寬度1.8m，高度0.9m，長(zhǎng)度27m，設(shè)置4道腹板和若干橫隔板以避免屈曲。2.根據(jù)沉船型線，大部分托底剛梁上需要設(shè)置支墩，支墩面板需要根據(jù)船體型線放樣。3.焊接要保證全焊透。由于該梁用于水下打撈，而且鋼梁內(nèi)部具有多個(gè)隔艙，要保證這些隔艙的水密性，需要進(jìn)行氣密性測(cè)試。4.所有焊縫需要做探傷檢測(cè)。

2 典型托底鋼梁設(shè)計(jì)圖紙和結(jié)構(gòu)校核

2.1 典型托底鋼梁設(shè)計(jì)圖

其中一組典型托底鋼梁和連接件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

2.2 托底鋼梁強(qiáng)度校核

對(duì)其中一根托底鋼梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。采用大型通用有限元軟件ANSYS 16.0對(duì)托底鋼梁進(jìn)行建模計(jì)算。板材采用的是Shell63單元，加強(qiáng)筋采用的是Beam188單元。在托底鋼梁與船體接觸兩端施加簡(jiǎn)支約束，在該托底鋼梁兩端眼板上分別施加125*1.3=162.5T，以及207*1.3=269.1T的載荷。上式中1.3是安全系數(shù)。托底鋼梁有限元模型和約束、載荷條件如圖2-3所示。

另外，由于托底鋼梁是密閉的，因此還需要在托底鋼梁面板上施加10米水壓。如圖2-4所示。

最終托底鋼梁的板材Shell單元和加強(qiáng)筋的beam單元Von Mises應(yīng)力分布云圖分別如圖2-5和圖2-6所示。托底鋼梁的板材shell單元最大Von Mises應(yīng)力為296MPa，加強(qiáng)筋的beam單元最大Von Mises應(yīng)力為134MPa。根據(jù)挪威船級(jí)社DNV海工操作規(guī)范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系數(shù)取1.15，則Q345鋼材的許用應(yīng)力為345/1.15=300MPa，Q235鋼材的許用應(yīng)力為235/1.15=204MPa。該托底鋼梁的板材shell單元和加強(qiáng)筋beam單元的最大Von Mises應(yīng)力均小于各自材料許用應(yīng)力，因此，托底鋼梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足要求的。

2.3 托底鋼梁整體屈曲校核

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于橫截面如圖2-7所示的箱型結(jié)構(gòu)

當(dāng)

h/b0<=6 （1）

且

（2）

則認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體不會(huì)發(fā)生屈曲，不需要進(jìn)行屈曲校核。本文中的托底鋼梁橫截面請(qǐng)參見(jiàn)圖2，可以認(rèn)為本文中的托底鋼梁是3個(gè)27米長(zhǎng)的箱型結(jié)構(gòu)組裝在一起，則每個(gè)箱型結(jié)構(gòu)的寬度為0.6米（1.8/3），另外托底鋼梁高度為0.9米。

根據(jù)圖2-7，h為箱型結(jié)構(gòu)橫截面高度；b0為箱型結(jié)構(gòu)橫截面寬度；另外l1為箱型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，本文中托底鋼梁取27米（為保守起見(jiàn)，本文并不考慮托底鋼梁中間橫隔板的作用）；fy為結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度，本文托底鋼梁為345MPa。

將本文的托底鋼梁參數(shù)代入（1）式和（2）式中，則有：

h/b0=0.9/0.6=1.5<6

l1/ b0=27/0.6=45<95*（235/345）=64.7

根據(jù)以上計(jì)算，本文的托底鋼梁整體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范規(guī)定的不需要進(jìn)行屈曲分析的箱型結(jié)構(gòu)要求。

3 起吊過(guò)程中沉船船體結(jié)構(gòu)校核

在沉船起吊過(guò)程中，托底鋼梁作為沉船船體的承載結(jié)構(gòu)對(duì)沉船船體施加載荷。該章節(jié)對(duì)起吊過(guò)程中沉船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模受力分析計(jì)算。

沉船船體有限元模型板材采用Shell181單元，骨材采用Beam188單元，柱子采用link180單元。在沉船船體艏艉兩端三個(gè)方向用彈簧單元相連接，在彈簧單元遠(yuǎn)端施加簡(jiǎn)支約束。在沉船船體與托底鋼梁接觸的地方施加吊力通過(guò)托底鋼梁轉(zhuǎn)移給沉船船體的載荷，并且通過(guò)重力場(chǎng)施加沉船船體重力載荷。分別如圖2-8和圖2-9所示。

最終沉船船體的Von Mises應(yīng)力分布云圖如圖2-10所示。沉船船體有限元模型最大Von Mises應(yīng)力為189.17MPa。根據(jù)挪威船級(jí)社DNV海工操作規(guī)范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系數(shù)取1.15，沉船結(jié)構(gòu)主要材料是Q235鋼材，則沉船船體材料許用應(yīng)力為204MPa。沉船船體有限元模型最大Von Mises應(yīng)力小于其材料許用應(yīng)力，因此在起吊過(guò)程中，沉船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足要求的，船體結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

沉船打撈是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，并且每個(gè)打撈工程都有自身的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。本文提供的用于“世越”號(hào)沉船打撈的托底鋼梁設(shè)計(jì)，從業(yè)主方的要求和沉船實(shí)際情況出發(fā)，按照施工要求完成了對(duì)托底鋼梁從無(wú)到有的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)托底鋼梁和沉船船體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)校核。

未來(lái)很有可能有類似的打撈工程需要應(yīng)用跟托底鋼梁相類似的起吊結(jié)構(gòu)，或者需要根據(jù)沉船自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的打撈工具結(jié)構(gòu)，對(duì)于這些打撈工程本文都具有一定的借鑒意義。

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