工程船梯架及船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評估

張士天

(金海智造股份有限公司， 上海 200122)

0　引　言

近年來，各類工程船的技術(shù)迅速發(fā)展，一些具備居住功能的工程船，通常需安裝梯架及過橋，這兩個裝置可為往來于海洋平臺與工程船間的海上施工人員提供安全通道。

海洋工程物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是各類安全要求中最基本和最重要的一項。工程船上的梯架通常采用露天設(shè)置，它不僅為海上工程人員提供日常通行的安全通道，還要保證人員可在惡劣天氣下撤離。在復(fù)雜的工況中，此類露天梯架及其支撐結(jié)構(gòu)除要承受其自身的質(zhì)量及人員活動的載荷外，還需考慮不同狀況下的風(fēng)載及加速度。為確保在惡劣海況下梯架及船體支撐結(jié)構(gòu)具備足夠的安全性，需對梯架和船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計進(jìn)行分析。

1　梯架裝置和支撐結(jié)構(gòu)的特點

梯架一般布置于工程船過橋裝置旁，為鋼質(zhì)或鋁質(zhì)的多層焊接結(jié)構(gòu)。梯架裝置主要由數(shù)個塔體、梯架平臺和登程樓梯等3部分組成。梯架的通道一般按照SOLAS要求布置，設(shè)2個獨立的梯道。此外，道達(dá)爾等石油公司也有一些特殊性的要求，需視用戶方的具體要求作進(jìn)一步考慮。

由于作業(yè)人員登乘的海洋平臺高度通常遠(yuǎn)高于工程船的甲板高度，因此梯架的塔體高度較高，塔體高度為5～20 m，需至少設(shè)置2套斜梯。此外，為確保安全，在人員活動的區(qū)域需設(shè)置滿足SOLAS要求的欄桿和安全網(wǎng)。梯架的平臺可采用花鋼板或隔柵板制作，梯架材質(zhì)可采用鋼、鋁或玻璃鋼。典型梯架見圖1。

圖1　典型梯架結(jié)構(gòu)

梯架的船體支撐結(jié)構(gòu)采用船級社認(rèn)可的船用鋼材，塔體與船體的連接方式有2種，可采用焊接連接，鋁制塔體也可通過螺栓緊固的方式連接在船體上。鋼塔立柱處的船體結(jié)構(gòu)需根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果予以加強(qiáng)。

這里所評估的梯架為雙塔、雙梯道式的鋼質(zhì)梯架，設(shè)計安裝于某鋪管船舶艉部，該船的主要尺度見表1。

2　工況的選擇

根據(jù)運營企業(yè)的海上實際操作經(jīng)驗，工況需包含活動載荷、風(fēng)載荷、加速度及斜梯載荷等基本載荷，同時考慮到船舶受x和y兩種不同風(fēng)向的風(fēng)，故設(shè)置2種基本計算工況，見表2。

表1　船舶主尺度

表2　工況匯總表

3　載荷計算

3.1　載荷計算簡述

根據(jù)梯架裝置的海上使用情況，船舶上的梯架裝置通常承受著人員活動載荷及船舶隨波運動過程中的加速度。此外，由于梯架裝置是露天設(shè)置，所以對梯架塔體基座處的支撐結(jié)構(gòu)，除需考慮整個裝置的自重外，還需考慮梯架裝置所承受的風(fēng)載荷。

3.2　設(shè)計載荷

自重載荷匯總表見表3。

3.2.1活動載荷

活動載荷的單元載荷按300 kg/ m2的均布載荷考慮，根據(jù)梯架平臺和樓梯的實際面積可分別算出各處總的活動載荷，活動載荷見表4。

表3　自重載荷

表4　活動載荷

3.2.2風(fēng)載荷

梯架裝置上的風(fēng)載荷由裝置所處水平高度的風(fēng)速所確定，設(shè)計風(fēng)速為35.0 m/s。為便于計算，對分析模型作以下假定[1]:

(1) 任一受風(fēng)構(gòu)件的風(fēng)力與風(fēng)向一致并假定為均布載荷；

(2) 受風(fēng)時，不考慮立柱或其他結(jié)構(gòu)間的相互遮蔽作用；

(3) 船體水上部分所受的風(fēng)力與水下部分的水阻力相平衡；

(4) 不計船舶繞z軸旋轉(zhuǎn)的影響。

風(fēng)力按照歐盟相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[2]計算確定，其基礎(chǔ)風(fēng)壓按下式為

(1)

梯架的體積系數(shù)φ可由下式可得

(2)

式(2)中：A為全部構(gòu)件的投影面積(見圖2和圖3)。Ac為封閉區(qū)域的面積。

圖2　梯架的側(cè)投影面積

圖3　梯架的正投影面積

據(jù)此，可分別計算出不同工況下的系數(shù),φLC01=0.23,可知載荷系數(shù)為cf=1.6；φLC02=0.32，可知載荷系數(shù)為cf=1.6。

考慮到屏蔽作用影響，對于φ≤0.6時，則

(3)

式(3)中：a為梯架寬度(9 650 mm， 7 007 mm)；b為梯架高度(7 007 mm，9 650 mm)。

經(jīng)計算可知，βLC01=0.739，βLC02=0.660。

風(fēng)載荷為

Fw=(1+β)cfArefq

(4)

式(4)中：cf為載荷系數(shù)；Aref為參考投影面積。

根據(jù)不同工況下的風(fēng)載荷，可計算得到Fw LD01=58.92 kN；Fw LD02=59.37 kN。

3.2.3梯架斜梯的載荷

該船梯架設(shè)有4對鋼質(zhì)斜梯，采用簡化計算模型的方法，將斜梯自重及其所承受的載荷進(jìn)行換算得出斜梯兩端的載荷后，以集中載荷的形式施加在梯架有限元模型相應(yīng)的位置(見圖4)。

a) 斜梯載荷示意圖

b) 斜梯載荷受力簡圖

根據(jù)力學(xué)平衡原理，則

F2=f2+N2

(5)

Gtotal×LSPAN/2×sin40°+L′×LSPAN×cos40°=0

(6)

Gtotal=W+nWLIVE

(7)

式(5)～式(7)中：W為單個斜梯的自重，約為4.61 kN；n為踏板的數(shù)量，n=14;WLIVE為活動載荷,每個踏板取100 kg。各力結(jié)果匯總于表5。

船舶運動的加速度見表6?；据d荷匯總見表7。

表5　斜梯相關(guān)載荷

表6　船舶運動加速度

表7　基本載荷

4　有限元模型介紹及結(jié)果分析

4.1　有限元模型

強(qiáng)度設(shè)計采用有限元直接計算法對梯架和工程船船體支撐結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行靜力學(xué)分析。

有限元模型采用笛卡兒右手坐標(biāo)系，模型的x軸正向指向船首，y軸正向指向左舷，z軸正向垂直向上，模型采用封閉的國際單位制。模型中梯架的縱、橫向鋼梁采用梁單元模擬，斜撐采用桿單元模擬。船體支撐結(jié)構(gòu)的甲板板、舷側(cè)外板、縱艙壁板、橫艙壁板、強(qiáng)橫梁和縱桁的腹板、筒體結(jié)構(gòu)板采用二維殼元模擬。甲板縱骨、艙壁扶強(qiáng)材及舷側(cè)縱骨等次要構(gòu)件采用梁單元模擬。

模型的非自由邊約束x，y，z等3個方向的移動自由度。船體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料主要為船用普通鋼，泊松比為0.3，彈性模量取2.06×108MPa，密度為7.85 t/m3。

4.2　設(shè)計衡準(zhǔn)

可對單元的合成應(yīng)力[3]進(jìn)行評估，通過有限元計算，可直接得到各設(shè)計工況下的單元的應(yīng)力。參考美國船級社船級社規(guī)范[4]，結(jié)構(gòu)的許用合成應(yīng)力不應(yīng)超過Fy/Fs，其中Fy為材料的屈服強(qiáng)度315 N/mm2，F(xiàn)s為安全系數(shù)，對于混合載荷時的合成應(yīng)力取值為1.25 MPa，剪切應(yīng)力取1.88 MPa。應(yīng)力計算結(jié)果輸出見圖5～圖7。

a) LC01工況

b) LC02工況

a) LC01工況

b) LC02工況

2種工況下的位移計算結(jié)果及2種工況下的梯架結(jié)構(gòu)位移結(jié)果見圖8。

a) LC01工況

b) LC02工況

對各工況下的最大合成應(yīng)力、發(fā)生位置和最大應(yīng)力分量進(jìn)行統(tǒng)計，參見表8～表10。

表8　船體支撐結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力

表9　梯船體支撐結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力

表10　梯架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

由于此次校核的屈服強(qiáng)度合成應(yīng)力和剪切應(yīng)力都遠(yuǎn)低于許用值，因此出現(xiàn)受壓屈曲失穩(wěn)的可能性較小。若計算結(jié)果接近許用值，則應(yīng)進(jìn)一步評估結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能。屈曲評估可采用特征值屈曲分析法進(jìn)行評估。有限元程序根據(jù)特征值公式計算造成結(jié)構(gòu)負(fù)剛度的應(yīng)力剛度陣的比例因子確定失穩(wěn)點。

根據(jù)分析結(jié)果可知，梯架裝置及其船體支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，滿足規(guī)范要求。同時，2種工況下的最大位移皆出現(xiàn)在梯架的最頂層，所以，在設(shè)計階段及后續(xù)的建造階段均需給予足夠的重視，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行局部加強(qiáng)。

5　結(jié)　語

結(jié)構(gòu)安全是船舶安全的基本前提，且對工程船上人員活動或操作頻繁的區(qū)域需予以足夠的重視。結(jié)合有關(guān)規(guī)則要求，對某工程船梯架及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估和總結(jié)。強(qiáng)度評估以法規(guī)及規(guī)范作為依據(jù)，通過計算獲得相關(guān)的基本載荷，并結(jié)合設(shè)備在海上的實際使用情況，確定計算工況組合，利用直接計算法來確定相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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