半潛船首樓上建整體提拉吊梁設(shè)計(jì)及強(qiáng)度驗(yàn)證

張金鐘

（招商局重工（深圳）有限公司 深圳518067）

引 言

半潛船是指專門從事運(yùn)輸大型海上石油鉆井平臺(tái)、大型艦船以及潛艇等超長(zhǎng)、超重且無法分割吊運(yùn)的超大型設(shè)備的特種海運(yùn)船舶。由于公司龍門吊起升高度及吊裝載荷受限，并且為了提高生產(chǎn)效率，擴(kuò)大作業(yè)面，故決定采用船首樓上建整體提拉的施工方法（見下頁(yè)圖1）。［1］其中，提升吊梁的設(shè)計(jì)又是施工方案能否成功的關(guān)鍵。

1 首樓上建主要參數(shù)

該船首樓上建的主尺度為：長(zhǎng)約39.9 m、寬約42 m、高約31.9 m、重約4 307 t。其重心位于縱向FR240-40 mm處，橫向距中0 m、高度方向距總段底部14.8 m。

2 吊梁設(shè)計(jì)

2.1 吊梁布置位置選擇

2.1.1 吊梁布置的難點(diǎn)

由于半潛船首樓部分是弧線形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)形式不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可判定靠近首部的強(qiáng)度較弱。因此，根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇合理的布置位置，使之既能滿足強(qiáng)度要求，又能最大限度地減少對(duì)主結(jié)構(gòu)的修改，成為吊梁布置迫切需要解決的問題。［2］

2.1.2 吊梁布置的解決方案

2.1.2.1 準(zhǔn)確確定首樓上建的重心位置

首樓上建的重心位置對(duì)整個(gè)吊梁的布置起到?jīng)Q定性作用，因此如何準(zhǔn)確獲得首樓上建的重心位置，成了吊梁布置的核心問題。為此船廠應(yīng)用三維建模軟件HD-SPD，對(duì)首樓上建每個(gè)部分（包括設(shè)備，管系等）均進(jìn)行建模，通過實(shí)體建模，準(zhǔn)確獲得物體的重心位置，最終的重心位置見圖2。

2.1.2.2 由重心水平位置確定吊梁橫向布置位置

從圖2可以看出，重心位置左側(cè)共有7道強(qiáng)框，右側(cè)共有共9道強(qiáng)框，因此可以判斷有兩種方案，即2個(gè)強(qiáng)框1個(gè)梁（見圖3）以及3個(gè)強(qiáng)框1個(gè)梁（見圖4）。后經(jīng)充分考慮，認(rèn)為3個(gè)強(qiáng)框太大，跟首樓接觸的部分過多，材料利用率不高，并且焊接的工作量太大，后期切割浪費(fèi)時(shí)間，故最終確定采用2個(gè)強(qiáng)框的方案。

2.1.2.3 由垂向重心高度及有限元計(jì)算確定吊梁的上下布置位置

2個(gè)強(qiáng)框的方案確定后，從圖5可以看出首樓部分有5個(gè)水平方向強(qiáng)框可供選擇，具體可基于以下幾個(gè)方面進(jìn)行選擇：

① 重心垂向位置；② 整體強(qiáng)度要求；

③ 連接部分改動(dòng)最小；

④ 施工便捷性（即方便拆、裝）。

重心的垂向位置對(duì)吊梁的影響主要體現(xiàn)在當(dāng)整體結(jié)構(gòu)在提升過程中有一定傾斜時(shí)，對(duì)吊梁的強(qiáng)度會(huì)有較大影響，所以吊梁垂向高度盡量與總體結(jié)構(gòu)重心垂向高度一致。為此公司選擇了3種可行方案（見下頁(yè)圖6-圖8），并對(duì)每種方案分別進(jìn)行有限元計(jì)算。［3-4］計(jì)算結(jié)果顯示3種方案均滿足整體強(qiáng)度要求。不過，方案3與外板接觸較多，故不作考慮。方案1與方案2對(duì)連接部分的改動(dòng)相差不大，但方案1施工便捷性高于方 案2，因此最終選擇方案1。方案1的有限元計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10。

2.2 吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

（1）由于首樓部分是弧線形結(jié)構(gòu)，因此，導(dǎo)致單邊4個(gè)吊梁結(jié)構(gòu)形式有所區(qū)別。應(yīng)該設(shè)計(jì)4個(gè)完全不同的吊梁，還是4個(gè)相似的吊梁？這是急需考慮的問題。

（2）吊梁既要滿足安裝公司提升裝置的配合尺寸，又要滿足與首樓安裝的對(duì)位要求。

2.2.2 吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的解決方法

針對(duì)問題（1）設(shè)計(jì)兩種不同的吊梁（見圖11和圖12）。圖11中的吊梁平行于首樓外側(cè)弧形板，圖12中的吊梁平行于首樓的中縱剖面。針對(duì)兩種不同的吊梁形式分別進(jìn)行有限元計(jì)算，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在同樣滿足強(qiáng)度要求的前提下，圖11中的吊梁較輕，并且從提升塔架布置的角度看，圖11也明顯好于圖12，因此最終確定選用圖11中的吊梁形式。［5-6］

針對(duì)問題（2）為配合提升鋼絞線下錨盤，箱形梁端部采用1.4 m寬×2 m高的矩形截面；為與首樓主結(jié)構(gòu)強(qiáng)肋位對(duì)位，箱形梁與首樓外板結(jié)合端采用變截面，箱形梁的上面板與首樓最上層甲板對(duì)位，箱形梁的底板與首樓第二層甲板對(duì)位，箱形梁的前后兩個(gè)側(cè)面板分別與首樓的相鄰兩個(gè)強(qiáng)肋位對(duì)位，對(duì)位結(jié)合口處的尺寸為2.4 m寬×～3.5 m高。最終的吊梁結(jié)構(gòu)（見圖13和下頁(yè)圖14）。

2.3 吊梁強(qiáng)度計(jì)算

2.3.1 吊梁強(qiáng)度計(jì)算的難點(diǎn)

（1）由于重心位置的不準(zhǔn)確性及提升過程中液壓油缸的不同步性，導(dǎo)致每個(gè)吊梁最終極限受力可能完全不同，如何確定吊梁設(shè)計(jì)的輸入值，是個(gè)亟待解決的問題。

（2）國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范中均未提到此類提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的安全系數(shù)。

2.3.2 解決方案

針對(duì)問題（1）有兩種解決方法：

（1）根據(jù)有限元模型讀出每個(gè)吊梁所在位置的支反力，作為載荷計(jì)算設(shè)計(jì)輸入；

（2）每個(gè)吊梁承受的極限載荷都一樣，按照平均分配的原則來計(jì)算。

根據(jù)充分討論，認(rèn)為方法1里有限元模型省略的部件較多，跟真實(shí)物體差別較大，其計(jì)算的支反力存在較大誤差，因此從更安全的角度選擇方法2。

針對(duì)方法2確定單個(gè)吊梁的最大載荷為：

式中：F為單個(gè)吊梁極限載荷，t；W為提升物體總質(zhì)量，t；WCF為質(zhì)量不確定系數(shù)；N為吊梁數(shù)量，個(gè)。

針對(duì)問題（2），考慮到實(shí)際載荷為動(dòng)載荷，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值確定本次計(jì)算安全系數(shù)取2。

吊梁強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果（見圖15-圖18）。

3 強(qiáng)度驗(yàn)證

3.1 提升作業(yè)載荷記錄

3.1.1 載荷記錄

吊梁編號(hào)見下頁(yè)圖19，載荷記錄見表1。

3.1.2 結(jié)果分析

箱形梁受力對(duì)比見表2。從表2可以看出，實(shí)際載荷大部分都小于理論計(jì)算。說明WCF取1.1來計(jì)算每個(gè)吊梁的載荷還是可靠的，但7號(hào)的載荷超過理論值3.38%，主要原因在于理論計(jì)算的模型是左右對(duì)稱的，而實(shí)際提升作業(yè)時(shí)左右箱形梁的受力不是對(duì)稱的，建議以后理論計(jì)算此類受力時(shí)在WCF=1.1的基礎(chǔ)上再增加5%的余度，以消除結(jié)構(gòu)受力不均的影響。

表1 首樓上建總段吊裝提升作業(yè)載荷記錄t

表2 箱形梁受力對(duì)比列表t

3.2 吊梁強(qiáng)度測(cè)試

3.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)圖19所示，吊梁于整體結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱分布，分別選取1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)吊梁布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過結(jié)構(gòu)受力分析和參考吊梁結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析的結(jié)果，選定的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（見圖20）。吊梁結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，共布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中16個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力測(cè)點(diǎn)采用應(yīng)變花（由3個(gè)應(yīng)變片組成），16個(gè)測(cè)點(diǎn)采用單應(yīng)變片。共使用64個(gè)應(yīng)變片。采用應(yīng)變花的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各向均受不同大小應(yīng)力，合力可能較大，采用單向應(yīng)變片的測(cè)點(diǎn)，以單方向受力比較集中。故采用不同類型。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)編號(hào)與相應(yīng)描述列于表3。

表3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)編號(hào)與描述

圖19給出了吊梁的測(cè)點(diǎn)布置，左右對(duì)稱且測(cè)點(diǎn)分布一致。

3.2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

首樓上建總段提升的應(yīng)力監(jiān)測(cè)分為以下兩個(gè)階段完成：

第一階段：相關(guān)清拆工作完成后，穩(wěn)定增加提升荷載至3 600 t后，保持狀態(tài)待結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，此過程中整體結(jié)構(gòu)不離開地面；

第二階段：提升荷載由3 600 t穩(wěn)定增加到4 200 t后，整體結(jié)構(gòu)離開地面并提升至預(yù)定高度。

表4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同荷載狀態(tài)下的主應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果MPa

3.2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，可以確定各吊梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)在整體提升過程中的各吊點(diǎn)最大應(yīng)力（主應(yīng)力）值，同時(shí)確定最不利位置點(diǎn)。在整體提升過程中各吊梁最大應(yīng)力點(diǎn)（三向）分別為：

1號(hào)LP4max= 89.2 MPa；

4號(hào)LP2max=122.05 MPa；

5號(hào)RP2max= 124.22 MPa；

8號(hào)LP4max= 115.41 MPa。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知各吊梁的最不利位置是P2和P4位置點(diǎn)。

依據(jù)設(shè)計(jì)提供的最大允許應(yīng)力180 MPa，可知吊梁本身在提升過程中是安全的。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比可以看出，整體結(jié)構(gòu)在提升過程中存在一定的不同步性：4號(hào)和5號(hào)吊梁的一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比模擬值稍小；1號(hào)和8號(hào)一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比模擬值稍大。對(duì)于8號(hào)吊梁而言，RP1max為57.89 MPa，RP3max為78.8 MPa。對(duì)比理論計(jì)算（參見圖18），可知8號(hào)吊梁RP1模擬值為25 MPa，RP3模擬值為37 MPa，均小于實(shí)測(cè)值，但最終測(cè)試結(jié)果還是小于許用剪切值104 MPa。

考慮整體結(jié)構(gòu)提升會(huì)受到很多不確定因素的影響，因此必須保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度貯備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果可知，在提升過程中結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲(chǔ)備，即理論計(jì)算取2倍安全系數(shù)符合預(yù)期。綜上所述，首樓上建總段整體提升過程是安全的。

4 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)要闡述了半潛船首樓上建整體提拉吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決辦法，通過理論計(jì)算及項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：此吊梁在實(shí)際使用過程中完全滿足要求，為類似設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 向君，孫學(xué)榮，張金鐘，等. 大型半潛船艏樓上建總段整體提拉安裝方法［P］ .中國(guó)專利：CN 102381438B，2013-08-07.

［2］ 張金鐘，向 君，陳達(dá)勝. 大型半潛船艏樓上建總段整體提拉施工及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］. 船舶與海洋工程，2015（5）：52-55.

［3］ 李紅云，趙社戌，孫 雁. ANSYS 10.0基礎(chǔ)及工程應(yīng)用［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：12-15.

［4］ 胡紅軍，楊明波，張丁非. ANSYS 10.0材料工程有限元分析實(shí)例教程 ［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2008：37-40.

［5］ 韓華偉. 基于ABAQUS的海工用吊梁優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)［J］. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2015（2）.

［6］ 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰. 材料力學(xué)［M］. 北京：高等教育出版社，2000：23-25.