某半潛駁甲板載荷結(jié)構(gòu)分析

汪 崢，崔曉敏

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引 言

半潛駁是一種特殊的工程船舶，具有較大的開敞露天載貨甲板，艏部和艉部有較高的上層建筑及浮箱，在裝卸貨物過程中呈半潛狀態(tài)。半潛駁的工作原理為：通過調(diào)整自身壓載水，將載貨甲板潛入水中，以便將所要承運(yùn)的貨物從指定的位置浮至載貨甲板上，并運(yùn)送到指定的位置。

主甲板作為半潛駁承載貨物的工作區(qū)域，設(shè)定其承載載荷條件對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要[1-2]。半潛駁在設(shè)計(jì)之初的要求主要是可裝運(yùn)并沉浮與水工建筑工程相關(guān)的大型混凝土沉箱或大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備等；在設(shè)計(jì)過程中增加了在特殊情況下還可裝載特種裝備的需求。本文主要針對(duì)裝載特種裝備這一新要求，對(duì)某半潛駁的甲板載荷情況進(jìn)行分析，并將其與原有甲板的設(shè)計(jì)載荷相對(duì)比，對(duì)甲板載荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化分析[3-5]。

1 半潛駁概況

該半潛駁為6000噸級(jí)半潛駁，箱型船體，四角塔樓，圓弧舭部，單底單甲板鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)。該半潛駁建成之后主要用于裝運(yùn)和沉浮與水工建筑工程相關(guān)的大型混凝土沉箱或大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備及安裝作業(yè)等。根據(jù)工作的性質(zhì)和特征，該半潛駁的設(shè)計(jì)滿足遠(yuǎn)海滿載拖航、沿海下潛作業(yè)的要求。該半潛駁主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 甲板載荷計(jì)算分析

2.1 裝載沉箱條件下甲板載荷

該半潛駁主要裝載的沉箱規(guī)格尺寸見表2。

表2 半潛駁主要裝載的沉箱規(guī)格尺寸

按照提供的沉箱重量及外形尺寸，半潛駁沉箱行走區(qū)的設(shè)計(jì)甲板載荷為30t/m2，非行走區(qū)的設(shè)計(jì)甲板載荷為10t/m2。

2.2 在裝載特種裝備條件下甲板載荷計(jì)算

2.2.1 特種裝備主要參數(shù)

所裝載特種裝備的尺寸為27120mm×3200mm×3900mm，重75t，6軸12輪，最大軸重16.75t，輪印面積為0.1m2，輪距2.2m。特種裝備外形圖見圖1。

圖1 特種裝備外形圖

2.2.2 甲板載荷計(jì)算

由于特種裝備是靠輪印作用在半潛駁甲板上的，因此可將特種裝備對(duì)半潛駁甲板的壓力簡化為輪印對(duì)甲板的作用力。特種設(shè)備有3對(duì)車軸軸距為1.7m，既有可能存在2個(gè)車輪同時(shí)作用在1個(gè)板格內(nèi)的情況，也有可能存在1個(gè)輪子作用在1個(gè)板格內(nèi)的情況，因此甲板縱骨受力模型可簡化為以下2個(gè)。

1) 當(dāng)2個(gè)輪印作用在1個(gè)板格內(nèi)時(shí)，甲板縱骨受力模型見圖2。

2) 當(dāng)2個(gè)輪印不同時(shí)作用在1個(gè)板格內(nèi)時(shí)，甲板縱骨受力模型見圖3。

圖2 甲板縱骨受力模型1

圖3 甲板縱骨受力模型2

甲板縱骨許用應(yīng)力甲板縱骨的最小剖面模數(shù)

(1) 當(dāng)2個(gè)輪印作用在1個(gè)板格內(nèi)時(shí)，P為車輪對(duì)甲板的集中負(fù)荷，特種裝備的最大軸重為16.75t，車輪最大集中負(fù)荷為8.375t，但1根縱骨上會(huì)同時(shí)作用2個(gè)集中負(fù)荷。

彎矩M滿足

經(jīng)計(jì)算，甲板縱骨的最小剖面模數(shù)為

(2) 當(dāng) 2個(gè)輪印不同時(shí)作用在 1個(gè)板格內(nèi)時(shí)，P為車輪對(duì)甲板的集中負(fù)荷，特種裝備的最大軸重為16.75t，車輪最大集中負(fù)荷為8.375t。

彎矩M滿足

經(jīng)計(jì)算，甲板縱骨的最小剖面模數(shù)為

假設(shè)甲板載荷為PD，由計(jì)算得到甲板載荷為

式(5)中：P=98100N；s=0.6m；l=1.8m；[σ]=104N/mm2；g=9.81m/s2，h為甲板計(jì)算壓頭。

承載輪式裝備的甲板最小厚度為

式(6)中：P為輪印上荷重。

特種裝備為6軸，其中有3對(duì)軸距為1.7m，2個(gè)輪子可能同時(shí)處于1個(gè)板格內(nèi)，故需將2個(gè)輪印視為1個(gè)輪印，則輪印的長寬比，故在實(shí)際計(jì)算中取輪印長0.447 m，輪印長寬比輪印上荷重實(shí)際為2個(gè)輪子承載的重量，故

若輪印長寬比

根據(jù)所需甲板厚度換算出甲板載荷。假設(shè)甲板載荷為PD，甲板最小厚度的計(jì)算式為

式(7)中：g=9.81m/s2；s=0.6m。

由式(7)計(jì)算得到甲板載荷為

對(duì)比式(6)和式(8)可得半潛駁主甲板在承載特種裝備時(shí)，甲板載荷≥21.64t/m2。另外，在設(shè)計(jì)甲板載荷時(shí)將該半潛駁甲板載荷安全系數(shù)取為1.15，故實(shí)際甲板載荷≥21.66t/m2×1.15=24.886 t/m2，為方便實(shí)際操作和計(jì)算，取值25t/m2。

2.3 甲板載荷分析

綜合半潛駁在裝載沉箱等大型構(gòu)件和裝載特種裝備2種設(shè)計(jì)條件下其甲板載荷的情況可知，甲板沉箱行走區(qū)的甲板載荷設(shè)計(jì)為30t/m2滿足2種裝載情況，而非行走區(qū)的10t/m2甲板載荷需提高為25t/m2。最終的甲板設(shè)計(jì)載荷分布圖見圖4。

圖4 甲板設(shè)計(jì)載荷分布圖

3 甲板基本結(jié)構(gòu)圖

該半潛駁主甲板設(shè)計(jì)為縱骨架式結(jié)構(gòu)，縱骨間距為0.6m，每隔4檔或5檔縱骨間距設(shè)縱桁。沉箱行走區(qū)設(shè)計(jì)甲板厚度為22mm，非行走區(qū)設(shè)計(jì)甲板厚度為18mm。主甲板基本結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 主甲板基本結(jié)構(gòu)圖

甲板縱骨規(guī)格分布為：HP260×10(DL01～DL11，DL03P, DL04S, DL06，DL08 除外)，⊥12×300/14×150(DL13～DL18)，HP260×10（DL19～DL20），HP240×10（DL21～DL30，DL21，DL26 除外）。甲板縱桁規(guī)格分布為：⊥12×600/14×200(DL03S, DL04P, DL06, DL08, DL12)，⊥12×600/14×200(DL21, DL26)。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)某半潛駁在沉箱裝載和特種裝備裝載2種工況下的載荷進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)半潛駁甲板承載載荷和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可保證該半潛駁的使用性能，而且能減輕其整體結(jié)構(gòu)重量，降低建造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 陳華尹.淺談18000t半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和解決的問題[J].廣船科技，2003 (2): 17-19.

[2] 溫衛(wèi)軍.半潛駁出運(yùn)沉箱工藝介紹[J].水運(yùn)工程，2004 (11): 52-55.

[3] 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4] 顧敏童.船舶設(shè)計(jì)原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2001.

[5] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.