海洋平臺甲板片吊點布設(shè)方法優(yōu)化

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(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島266520)

0 引 言

大型海洋工程模塊的甲板層分片的總裝作業(yè)，為了方便組對安裝，一般需要2臺吊機聯(lián)合吊裝。現(xiàn)行常規(guī)吊點布設(shè)方法是找到甲板片的整體重心，保證2個吊鉤投影點的連線經(jīng)過重心。該方法一般適用于強度和剛度較大的結(jié)構(gòu)片吊裝，而對于尺寸較大、剛度較差的甲板片，使用該方法布設(shè)吊點會出現(xiàn)甲板片變形過大、鋼絲繩受力不均等問題。

分層預(yù)制、逐層總裝是海洋工程模塊建造的常規(guī)方法，該方法使得甲板片的吊裝作業(yè)成為模塊陸地建造過程的一個重要環(huán)節(jié)。模塊體積噸位越來越大及一體化建造的發(fā)展趨勢，使甲板片的吊裝作業(yè)難度增加。例如：大尺寸的甲板片攜帶各種管線或設(shè)備進行整體吊裝，由于管線及設(shè)備分擔了結(jié)構(gòu)片的結(jié)構(gòu)強度，導致分片吊裝強度下降；拆分預(yù)制導致結(jié)構(gòu)形式不對稱以及甲板片強度和剛度下降。當甲板片重量分布不均，部分區(qū)域存在重量集中，或甲板片部分重量為攜帶重量、分擔甲板片強度時，吊點布設(shè)若不合理，會導致甲板片桿件內(nèi)力大、局部變形大。現(xiàn)行吊點布設(shè)方法是基于甲板片的整體位移考慮的，忽略了甲板片桿件內(nèi)力和局部變形。

本文以2臺吊機吊裝某甲板片為例，闡述如何對現(xiàn)有吊點布設(shè)方法優(yōu)化，使甲板吊被吊起后的變形更小，鋼絲繩受力更均勻，吊裝作業(yè)更安全。

1 吊點布設(shè)

合理的吊點布設(shè)應(yīng)達到以下效果，以盡可能地減少吊裝力對結(jié)構(gòu)物的影響：(1)使甲板片因吊裝產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力最小化。(2)使甲板片的吊裝變形及位移最小化。(3)同一個吊鉤下的鋼絲繩受力盡可能地均勻。

1.1 常規(guī)吊裝布設(shè)方法

通常情況，一個尺寸較大的甲板片需要2臺吊機進行吊裝作業(yè)，每個吊鉤下方通過4根鋼絲繩索具連接4個吊點，一共需要布設(shè)8個吊點。對于重量較輕的甲板片，可使用1臺或2臺吊機作業(yè)，每個吊鉤下方僅布設(shè)2個吊點。以圖1所示某個甲板片PANEL-1為例，常規(guī)吊點布設(shè)方法為：首先計算甲板片重量，確定重心位置；在平行于甲板片長度方向(x軸)畫一條經(jīng)過重心的直線；在該直線上找2個點作為吊鉤的投影點；以這2個點為圓心畫圓，圓與主梁的交點即為布設(shè)的吊點位置。適當調(diào)整圓的直徑，可以調(diào)整吊點的位置，避免吊點位置與甲板片上的結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞或重合。另外，還要考慮到鋼絲繩索具的長度，保證鋼絲繩與甲板片所在平面的夾角大約60°，并且鋼絲繩索具不能與結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞或沖突。

圖1 甲板片PANEL-1吊點布設(shè)圖

圖2 橫切線一側(cè)甲板片受力分析

1.2 缺點及不利因素

第1.1節(jié)中的常規(guī)方法只考慮了甲板片的整體重心位置，按照此方法完成吊點布設(shè)，可以保證甲板片在吊起后不會發(fā)生過大的整體位移，但是甲板片可能仍會有較大的局部變形。原因有：使用2臺吊機吊裝，把甲板片的整體重心拆分成2個分重心，分界線為過整體重心的橫切線；2個分重心的連線必然會經(jīng)過整體重心。圖1中點A和B為吊鉤在甲板片所在平面上的投影位置，點A1和B1為2個分重心的位置。將橫切線一側(cè)的甲板片轉(zhuǎn)化為如圖2所示的力學模型：F1為4根鋼絲繩對甲板片PANEL-1合成作用力，該力的等效作用點為吊鉤投影點A；G1為半側(cè)甲板片所承受的重力，該力的等效作用點為A1。如果A點跟A1點發(fā)生偏離，距離為L，那么甲板片會受到M=G1·L的作用力矩。對于柔性較大的甲板片，該作用力矩會使甲板發(fā)生較為顯著的局部扭轉(zhuǎn)變形。并且，由于分重心位置偏離了吊鉤投影的位置，會使離分重心位置近的鋼絲繩受力大，造成鋼絲繩受力不均勻。同理，橫切線另外一側(cè)的甲板片也會發(fā)生局部的扭轉(zhuǎn)變形及鋼絲繩受力不均勻。

甲板片PANEL-1兩端會發(fā)生對向的繞直線A1-B1的扭轉(zhuǎn)變形趨勢，如圖3所示。該扭轉(zhuǎn)趨勢為結(jié)構(gòu)內(nèi)部局部變形，會導致甲板片構(gòu)件內(nèi)力增大，使鋼絲繩受力不均勻，對吊裝安全不利。并且，柔性越大的甲板片對這種內(nèi)力的承受能力越差。

圖3 甲板片PANEL-1整體變形分析

2 優(yōu)化方案

若吊鉤在甲板片的投影與分重心的位置重合可以消除甲板片局部扭轉(zhuǎn)力矩的產(chǎn)生。本文采用的具體做法為：(1)計算甲板片的整體重心位置；(2)用過整體重心的橫切線將甲板片分割成2部分；(3)計算2個分重心位置；(4)以2個分重心位置為圓心畫圓，圓的半徑不應(yīng)該超過鋼絲繩長度的1/2，在所畫圓跟結(jié)構(gòu)梁相交的位置中，選擇合適位置布設(shè)吊點。圖4為甲板片PANEL-1優(yōu)化后的吊點布設(shè)。

圖4 甲板片PANEL-1優(yōu)化改進后吊點布設(shè)圖

在選擇吊點布設(shè)合適位置時，應(yīng)考慮布設(shè)在側(cè)向次梁支撐位置處的大梁上，原因如下：以圖5所示某吊點為例，圖5a)吊點所在的大梁有側(cè)向次梁支撐，圖5b)吊點所在的大梁無側(cè)向次梁支撐，F(xiàn)為鋼絲繩作用力在甲板片平面內(nèi)的分力。由于力F的作用，大梁受到的最大彎矩Mmax分別發(fā)生于橫截面C和D處。

圖5 有側(cè)向支撐與無側(cè)向支撐

對于橫截面C：

最大彎矩為

(1)

最大彎曲應(yīng)力為

(2)

對于橫截面D：

最大彎矩為

(3)

最大彎曲應(yīng)力為

(4)

3 計算分析

利用SACS軟件對甲板片PANEL-1被吊起后的狀態(tài)進行模擬分析，比較常規(guī)吊點布設(shè)工況(工況1)與優(yōu)化改進吊點后的工況(工況2)甲板片的受力變形及鋼絲繩的受力。

3.1 變形對比

2種工況的變形圖如圖6所示。工況1最大變形為：Dx=21.7 cm，Dy=-4.2 cm，Dz=-16.8 cm；工況2最大變形為：Dx=1.2 cm，Dy=-0.3 cm，Dz=-1.7 cm。

圖6 甲板片PANEL-1變形

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比

SACS軟件依據(jù)規(guī)范WSD AISC 13th和API RP 2A WSD中的要求對結(jié)構(gòu)物進行強度校核，應(yīng)力校核結(jié)果使用UC值體現(xiàn)。軸向應(yīng)力Fa與容許應(yīng)力比值fa加上彎曲應(yīng)力Fb與容許彎曲應(yīng)力fb的比值不能超過1，并且剪應(yīng)力Fv與容許剪應(yīng)力fv的比值也不能超過1，UC<1，結(jié)構(gòu)強度滿足吊裝要求，即

(5)

(6)

式(5)和(6)中：fy為材料的屈服強度；fv=0.4fy；fa=0.6fy；fby=fbz=0.66fy。

工況1應(yīng)力校核結(jié)果見表1，可以看出：UC值最大為0.58。

表1 工況1桿件校核結(jié)果

工況2應(yīng)力校核結(jié)果見表2，可以看出：UC值最大為0.31。

表2 工況2桿件校核結(jié)果

3.3 鋼絲繩受力對比

表3為2種工況下鋼絲繩受力匯總，可以看出：工況1，同一吊鉤下4根鋼絲繩受力不均勻，不利于于鋼絲繩的選型；工況2，同一吊鉤下4根鋼絲繩受力均勻。

表3 鋼絲繩受力 t

4 結(jié) 論

本文以甲板片可能會存在柔性過大及局部重量集中為出發(fā)點，通過計算甲板片的2個分重心位置確定鉤頭的投影位置，進而確定每組吊點的布設(shè)位置。通過計算對比，優(yōu)化后的方法能消除甲板片因局部偏心導致的局部變形扭轉(zhuǎn)，使甲板片被吊起后變形更小，進而減少結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，并且使同一個吊鉤下方的鋼絲繩受力更加均勻，減少因某根鋼絲繩受力過大而帶來的吊裝風險。

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