模塊海上運輸支墩設(shè)計與簡化計算探討

劉旭 姚漢文

摘 要：模塊在海上運輸過程中，如何利用支墩等將模塊合理的固定在船體上，是模塊海上運輸?shù)囊粋€關(guān)鍵技術(shù)，它關(guān)系到運輸過程中船舶與貨物兩方面的安全。本文簡要介紹一種模塊海上運輸?shù)闹Ф赵O(shè)計，并以此為基礎(chǔ)探索出一種高效實用的計算方法。

關(guān)鍵詞：海運模塊；支墩；簡化計算

中圖分類號：U663.72 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： Oil module transportation is a very important part of heavy cargo transportation in the past few years. How to design the grillage which can restrain movement of the loaded structure is the key technique of the module transportation. During the whole design， it is necessary to confirm that the vessel structure， grillage and the module have adequate strength to resist all the critical design load. In this paper， a kind of grillage is demonstrated， and how it will reduce the workload during the strength check is researched.

Key words： Shipping module； Grillage； Simplified calculation

針對大型結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)特點、功能以及安裝裝配流程，通過對該大型結(jié)構(gòu)物進行有效拆分成若干個小型可單獨施工、運輸和安裝的模塊，最后抵達指定地點后再將各個拆分的模塊進行裝配組合成完成的結(jié)構(gòu)物或平臺，這就是模塊建造技術(shù)[1]。去年剛投產(chǎn)的總投資超300億的Yamal項目和今年開運的TCO項目都是采用這一方法建造的。隨著世界分工的深入發(fā)展，每年都有大量類似的模塊從各地工廠通過海上運輸?shù)竭_世界各地，最終被組裝成一個個大型的工廠、平臺等。

通常，模塊在海上運輸?shù)闹芷陂L、風(fēng)浪大、氣候環(huán)境惡劣多變，所以有必要采取有效的措施防止模塊在運輸過程中的過度變形、移位甚至損壞。本文簡要介紹一種模塊支墩的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計思路，并對在校核中如何提高相關(guān)計算的工作效率進行討論和分析。

1 模塊支墩形式

通常使用半潛船或者甲板駁將模塊運輸?shù)街付ㄐ敦浀攸c。在運輸過程中，由于外力的作用模塊會隨之產(chǎn)生橫移、垂蕩、翻滾等運動，因而需要利用相關(guān)的支墩對模塊進行有效綁扎固定，同時將隨之而產(chǎn)生的高達數(shù)百噸甚至上千噸的載荷有效合理地傳遞到船體上，以此保證船舶和貨物的安全[2]。顯然，如何有效地將集中載荷盡可能分散作用在模塊和船舶的強結(jié)構(gòu)上是模塊運輸所面臨的一個難題。為此，根據(jù)某模塊特點以及運輸船舶的參數(shù)，設(shè)計了如圖1的支墩[3] [4]。

采用這種形式的支墩，可以讓模塊所產(chǎn)生的載荷有效地傳遞到船體強橫梁或者橫艙壁，避開了強度較弱的板格部分，從而大大提高了船舶所能裝載模塊的重量。

2 支墩的強度校核

船體及支墩示意圖，如圖2所示。一般來說，支墩設(shè)計需要確保支墩在滿足強度要求的同時保證船舶結(jié)構(gòu)的安全。支墩強度校核的基本方法如下：

（1）根據(jù)模塊信息調(diào)整初始的船舶裝載狀態(tài)，并確定模塊綁扎點及綁扎數(shù)量；

（2）根據(jù)裝載狀態(tài)，利用水動力模型計算出模塊在各種浪向下的運動響應(yīng)；

（3）根據(jù)運動響應(yīng)，推導(dǎo)出各種工況下模塊各綁扎節(jié)點的支反力，校核模塊自身結(jié)構(gòu)強度；

（4）將所得支反力加載到船體及支墩的有限元模型中，進而進行強度校核。

3 初步設(shè)計中的簡化計算

一般來說，一艘200 m左右的船舶，全船使用800mm的粗網(wǎng)格進行有限元計算，網(wǎng)格總數(shù)約為20萬個，其完成一次計算耗時需20分鐘左右。在全船模型加上支墩，考慮到支墩是局部構(gòu)件，因此需要對支墩附近的網(wǎng)格進行細化和優(yōu)化，從而導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量急劇飆升，極大地增加了計算時間，有時甚至需要耗費數(shù)個小時完成一次計算。

為了節(jié)約計算時間，在支墩初步設(shè)計過程中可以先對支墩進行強度校核，在翼板底部采用固支。在這個過程中，船體的強度校核可以通過提取約束的支反力后與已知的船體許用載荷比較進行初步的核算?，F(xiàn)在我們將分別利用這種簡化方法進行全船的有限元分析，分別對某支墩進行校核，進而分析這種計算的可靠性。

支墩與全船有限元模型，見圖3、圖4。約束條件，見圖5。

3.1 載荷加載

作用在支墩上的力可以分解成以下三種力：主要由垂蕩引起的垂向力；主要由橫搖引起的橫向力；主要由縱搖引起的縱向力。在本文計算中，按上述三種力的成因分別考慮下面三種工況（見表1）。

需要指出的是在實際分析的時候需根據(jù)實際工程的情況考慮多種組合工況進行分析。但基于有限元的線性疊加原理，本文暫且只考慮以上三種簡單工況。

3.2 載荷計算結(jié)果及支反力提取結(jié)果比較

支墩在兩種不同計算方法下的應(yīng)力分析結(jié)果如表2、圖6、圖7所示。

按圖8所示結(jié)構(gòu)，分別提取支墩翼板與船體相連處的支反力，結(jié)果如表3、表4、表5所示。

從表3、表4、表5三種工況下z向支反力結(jié)果來看，利用全船分析和簡化分析的結(jié)果基本相同；從表3的統(tǒng)計結(jié)果可見，在工況1的情況下y向支反力的比值相差較大，但考慮到在工況1該方向的支反力較小，在強度校核中可以予以忽略；從表4中x向的支反力相差較大，這可能是因為對翼板底部進行固支以后不能合理反映橫向力所產(chǎn)生的扭矩而產(chǎn)生（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

的誤差。

從上述的分析結(jié)果可知，利用簡化分析的方法，水平方向的分力可能與全船整體分析的結(jié)果存在一定的差異，但考慮到在初步校核船體強度的過程中，我們一般只利用垂向分力與船體許用載荷進行對比來校核船體是否滿足強度要求，所以利用簡化分析的方法對初期支墩與船體的校核具有重要的意義。

4 結(jié)論

通過比較兩種分析方法的計算結(jié)果可見，對支墩底部進行簡單固支所得的分析結(jié)果與全船分析所得的結(jié)果基本吻合，這對設(shè)計初期快速校核支墩強度有著重要意義；同時，其所提取出來的支反力結(jié)果，雖然與全船分析的結(jié)果有一定的誤差，但可以滿足船體初步強度校核的需要，這樣能夠有效縮短支墩初始設(shè)計的計算時間，并對隨后的詳細設(shè)計有一定的預(yù)判和指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 高杰. 模塊化工廠的建造與安裝[J]. 安裝. Vol8 2011， 18.

[2] 何 敏，于文太，錢建偉，梁學(xué)先. 大型模塊運輸固定優(yōu)化分析[J]. 中 國造船. 2010， 51.

[3] AISC Specification for Structural Steel Buildings[S]， 13th Edition， 2005.

[4] 遲少敏，趙耕賢. FPSO 模塊支墩結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計原則[J]. 船舶與海洋 工程 . 2014， 4.