開(kāi)敞泥艙架空橫梁設(shè)計(jì)與強(qiáng)度研究

陳曙梅 劉樂(lè)樂(lè) 喬國(guó)瑞

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

艙容在3 000～5 000 m3，船長(zhǎng)不超過(guò)100 m的中型耙吸挖泥船，因其作業(yè)靈便、適用廣泛倍受市場(chǎng)青睞。中型耙吸挖泥船的泥艙多為開(kāi)敞式，頂部為了便于裝泥不設(shè)置甲板；船底則設(shè)有單列或雙列泥門(mén)，泥門(mén)處開(kāi)口導(dǎo)致船底結(jié)構(gòu)不連續(xù)。為保證泥艙內(nèi)結(jié)構(gòu)框架完整性，船級(jí)社一般會(huì)要求在強(qiáng)框結(jié)構(gòu)底部連續(xù)對(duì)應(yīng)平面的泥艙頂部設(shè)置架空橫梁。

本文依托4 500 m3耙吸挖泥船，研究了4種典型架空橫梁形式對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙容、泥艙重量及挖泥作業(yè)的影響，旨在得到較為經(jīng)濟(jì)，且更能保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和作業(yè)性能的架空橫梁形式。

依托項(xiàng)目的泥艙裝載能力為4 500 m3，為典型的中型耙吸挖泥船，單列泥門(mén)設(shè)計(jì)，沿海航區(qū)作業(yè)，無(wú)限航區(qū)調(diào)遣。其主要參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 耙吸挖泥船的主要參數(shù) m

1 研究背景和技術(shù)路線(xiàn)

架空橫梁除了要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用要求設(shè)置，例如不能影響挖泥裝艙，不能減少泥艙的裝艙量，也不能影響泥艙區(qū)的操作空間。架空橫梁通常設(shè)計(jì)為工字鋼形式，也可設(shè)計(jì)為箱型梁形式，圖1和圖2分別給出兩種架空橫梁的示意圖。

4 500 m3耙吸挖泥船為開(kāi)敞泥艙、單列泥門(mén)設(shè)計(jì)，泥艙為圍板型設(shè)計(jì)。圍板型泥艙即在挖泥干舷所在的主甲板以上，設(shè)置較高的泥艙圍板，以增加泥漿裝載量，是中型耙吸挖泥船典型的設(shè)計(jì)形式。下頁(yè)圖3為典型泥艙圍板型單列泥門(mén)橫剖面圖，圖4為典型單列泥門(mén)的漏斗形底部結(jié)構(gòu)示意圖以及主要的疏浚設(shè)備。

泥艙在挖泥狀態(tài)下，通過(guò)設(shè)置在泥艙內(nèi)的裝艙管，將達(dá)到額定濃度的泥漿裝入泥艙內(nèi)，濃度較低的泥漿通過(guò)低濃度排放管排出舷外。泥艙裝滿(mǎn)后，額外裝入的泥漿通過(guò)泥艙內(nèi)的溢流筒及溢流通道排出泥艙。裝滿(mǎn)泥漿的挖泥船在滿(mǎn)足作業(yè)海況要求的情況下行駛至指定地點(diǎn)，打開(kāi)泥艙底部泥門(mén)卸泥或通過(guò)抽艙作業(yè)，將泥漿輸送至艏吹裝置外拋進(jìn)行海岸吹填工作。泥艙底部泥門(mén)除卸泥和通海情況下，一般為緊閉狀態(tài)，泥門(mén)的開(kāi)閉通常由設(shè)在架空橫梁上的油缸帶動(dòng)泥門(mén)中心處的泥門(mén)拉桿完成。若為自平衡式泥門(mén)，頂部泥門(mén)拉桿與船體連接處力很小，則可忽略不計(jì)；若為非自平衡式泥門(mén)，執(zhí)行開(kāi)閉作業(yè)時(shí)，頂部對(duì)船體有較大拉力。

圖1 工字鋼型架空橫梁

圖2 箱型結(jié)構(gòu)架空橫梁

圖3 泥艙圍板型的單列泥門(mén)泥艙形式示意圖

圖4 單列泥門(mén)的漏斗形泥艙底部結(jié)構(gòu)示意圖

本船采用自平衡式泥門(mén)，因此頂部船體結(jié)構(gòu)對(duì)泥門(mén)拉桿僅有導(dǎo)向作用。挖泥船在抽艙狀態(tài)下，設(shè)在頂部的抽艙油缸對(duì)頂部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)載荷。裝艙作業(yè)時(shí)，開(kāi)敞泥艙頂部的泥管內(nèi)充滿(mǎn)泥漿，泥漿通過(guò)裝載泥艙頂部的消能箱進(jìn)入泥艙。為充分利用空間，泥艙開(kāi)敞區(qū)域還會(huì)用來(lái)放置集裝箱，作為船上的備品空間。

開(kāi)敞泥艙頂部設(shè)置的架空橫梁主要承受疏浚作業(yè)產(chǎn)生的載荷，諸如泥門(mén)拉桿載荷、抽艙油缸載荷、裝艙管載荷、消能箱載荷和備品載荷。架空橫梁設(shè)置在泥艙頂部的長(zhǎng)開(kāi)口中，但規(guī)范對(duì)其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度并無(wú)要求。主要原因如下：

（1）典型的耙吸挖泥船在泥艙兩舷，設(shè)有足夠?qū)挾鹊母×ε摗Ｄ嗯搶挾燃s為船寬50%～60%，頂部泥艙開(kāi)口寬度約為船寬30%～40%，與船體大開(kāi)口的定義有差距；

（2）此類(lèi)工程船彎矩、剪力最大的工況，均為作業(yè)狀態(tài)，作業(yè)狀態(tài)對(duì)海況要求很高，優(yōu)良海況下波浪扭矩的作用較小，作業(yè)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生較大的靜水扭矩；

（3）無(wú)限航區(qū)調(diào)遣工況下，架空橫梁不再受作業(yè)載荷影響，而該工況下的船體載荷較作業(yè)工況時(shí)的船體載荷小很多。

因此架空橫梁僅在端部設(shè)計(jì)為橢圓弧與泥艙圍板連接，而不再校核其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

根據(jù)作業(yè)需求，設(shè)計(jì)初期為耙吸挖泥船設(shè)計(jì)多種架空橫梁方案，分別從架空橫梁布置、規(guī)范計(jì)算尺寸、架空橫梁體積、結(jié)構(gòu)重量、對(duì)泥艙強(qiáng)度影響和造價(jià)等幾個(gè)方面進(jìn)行比較，分析獲得較優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。本文對(duì)架空橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究按圖5所示展開(kāi)。

2 4種典型架空橫梁形式和結(jié)構(gòu)尺寸

2.1 規(guī)范要求

開(kāi)敞泥艙頂部的架空橫梁設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足規(guī)范要求。CCS（14.8.6.1）規(guī)定：在泥艙肋板平面內(nèi)應(yīng)設(shè)置泥艙強(qiáng)橫梁或架空橫梁，橫梁的剖面模數(shù)W應(yīng)符合：

圖5 架空橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線(xiàn)

式中：S為架空橫梁的面板寬度，m；l為架空橫梁的跨距，m。當(dāng)不設(shè)中間支柱時(shí)，跨距l(xiāng)為泥艙縱艙壁之間的距離。

除模數(shù)要求外，架空橫梁在扣除開(kāi)孔后的總凈剖面積A應(yīng)不小于按下式計(jì)算求得之值：

式中各參數(shù)詳見(jiàn)CCS規(guī)范。

另外，CCS規(guī)范規(guī)定，當(dāng)泥艙肋板間距大于4 m時(shí)，架空橫梁的構(gòu)件尺寸應(yīng)用直接計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算時(shí)剖面積應(yīng)按扣除開(kāi)孔計(jì)。計(jì)算模型假定架空橫梁的兩端為剛性固定，許用彎曲應(yīng)力取98 kN/mm2。

本文耙吸挖泥船的泥艙肋板間距為7 m，遠(yuǎn)超規(guī)范要求，因此還需要直接計(jì)算確定。

2.2 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

根據(jù)作業(yè)需求，本文設(shè)計(jì)4種典型且實(shí)船采用過(guò)的架空橫梁形式。初始設(shè)計(jì)按照CCS規(guī)范要求確定構(gòu)件尺寸，最終尺寸以直接計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。由于設(shè)計(jì)保守，考慮到最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)位于泥艙中部，則強(qiáng)度校核均以泥艙中部的架空橫梁為研究對(duì)象，并將滿(mǎn)足中部強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于其他橫梁上。4種形式的架空橫梁布置及結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)述如下。

2.2.1 方案1

間距較大的箱型架空橫梁，架空橫梁布置見(jiàn)圖6（a），結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖6（b）。箱型橫梁設(shè)置處正對(duì)泥門(mén)中心，泥門(mén)拉桿從橫梁中間穿過(guò)，底部為泥門(mén)的結(jié)構(gòu)開(kāi)口，因此橫向結(jié)構(gòu)在架空橫梁處沒(méi)有形成閉環(huán)。而由于箱型橫梁在泥艙溢流高度以下，會(huì)占用泥艙艙容，故艙容緊張的情況下可不予考慮。此方案優(yōu)點(diǎn)也較明顯，頂部設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，疏浚設(shè)備布置方便，頂部結(jié)構(gòu)剛度較好。

圖6 方案1：大間距箱型架空橫梁結(jié)構(gòu)（模型中忽略泥門(mén)拉桿）

2.2.2 方案2

橫梁間距較小的工字鋼型架空橫梁，橫梁布置見(jiàn)下頁(yè)圖7（a），結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖7（b）。橫梁對(duì)應(yīng)的底部結(jié)構(gòu)為泥艙肋板，形成完整的橫向環(huán)狀結(jié)構(gòu)。泥門(mén)中心線(xiàn)處為對(duì)應(yīng)設(shè)置的架空橫梁可設(shè)為泥門(mén)拉桿的支撐。但該方案橫梁布置較密集，不利于疏浚設(shè)備和管系的布置。

2.2.3 方案3

橫梁間距較大的工字鋼型架空橫梁，設(shè)計(jì)局部架空縱桁支撐泥門(mén)拉桿。架空橫梁布置見(jiàn)下頁(yè)圖8（a），結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖8（b）。

架空橫梁對(duì)應(yīng)底部泥艙肋板設(shè)置，橫梁中間設(shè)置支柱與底部泥艙肋板連接，另外設(shè)置局部架空縱桁支撐泥門(mén)拉桿。該方案橫向強(qiáng)框能形成結(jié)構(gòu)閉環(huán)，支柱的設(shè)置減少了橫梁的剖面模數(shù)。該方案泥艙頂部作業(yè)空間相對(duì)寬敞，艙內(nèi)支柱的局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注，既能保證強(qiáng)度，也能保證局部結(jié)構(gòu)不積泥，疏浚管線(xiàn)艙內(nèi)部分也要考慮避開(kāi)支柱。

2.2.4 方案4

橫梁間距較大的工字鋼型結(jié)構(gòu)架空橫梁，架空橫梁布置見(jiàn)第101頁(yè)圖9（a），結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖9（b）。方案4為方案1的另一種形式，是將方案1的箱型橫梁改為工字鋼。同樣由于橫梁設(shè)置處正對(duì)泥門(mén)開(kāi)口，泥艙肋板對(duì)應(yīng)的頂部沒(méi)有橫梁結(jié)構(gòu)，因此該設(shè)計(jì)的泥艙區(qū)域也沒(méi)有橫向閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖7 方案2：工字鋼型架空橫梁結(jié)構(gòu)

圖8 方案3：工字鋼型架空橫梁和架空縱桁結(jié)構(gòu)

圖9 方案4：大間距工字鋼型架空橫梁結(jié)構(gòu)（模型中忽略泥門(mén)拉桿局部結(jié)構(gòu)）

2.3 梁系直接計(jì)算

本文耙吸挖泥船中部的架空橫梁承受載荷分別為抽艙油缸載荷、泥管支撐載荷、消能箱載荷和備品集裝箱載荷，根據(jù)載荷進(jìn)行梁系計(jì)算，兩端為剛性固定，許用應(yīng)力按CCS規(guī)范為［σ］=98 kN/mm2。4種方案下，架空橫梁的設(shè)計(jì)載荷及其產(chǎn)生的彎矩圖10 -圖12所示。其中，方案1與方案4的彎矩圖一致。

圖10 方案1/方案4大間距架空橫梁的設(shè)計(jì)載荷及其產(chǎn)生的彎矩

圖11 架空橫梁方案2設(shè)計(jì)載荷及其產(chǎn)生的彎矩

圖12 架空橫梁方案3設(shè)計(jì)載荷及其產(chǎn)生的彎矩

2.4 架空橫梁各方案的構(gòu)件尺寸選取

根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果和梁系直接計(jì)算結(jié)果，可確定各設(shè)計(jì)方案下的架空橫梁構(gòu)件尺寸。詳見(jiàn)下頁(yè)表2。

3 架空橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證與比較

為進(jìn)一步考察架空橫梁形式對(duì)泥艙結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度影響，按照橫向強(qiáng)度計(jì)算要求，建立了泥艙區(qū)艙段有限元模型。模型建立范圍為泥艙中部典型泥艙段，不考慮額外增加的板厚，也不考慮腐蝕余量。模型邊界條件、載荷工況選取及校核衡準(zhǔn)滿(mǎn)足CCS第二章要求及駁船規(guī)范要求。橫向強(qiáng)度計(jì)算兩種工況，分別為最大作業(yè)吃水下的舷外對(duì)稱(chēng)海水壓工況和非對(duì)稱(chēng)海水壓工況。選取考慮的外部載荷為海水動(dòng)壓力和靜壓力，內(nèi)部載荷在泥艙底部考慮泥壓和底部泥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉載荷，在泥艙頂部考慮抽艙油缸、耙頭支撐、消能箱、備品等局部載荷。并在艙段模型端部加載修正后彎矩，使中部產(chǎn)生的彎矩與實(shí)際垂向彎矩相符。

表2 各設(shè)計(jì)方案下的架空橫梁形式、尺寸及計(jì)算參數(shù)

作用在架空橫梁上的泥艙頂部載荷如圖13所示。

圖13 架空橫梁的設(shè)計(jì)載荷示意圖

圖14 直接計(jì)算載荷加載示意圖

4種方案下架空橫梁的有限元強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表3，不同方案下的合成應(yīng)力結(jié)果云圖分別見(jiàn)下頁(yè)圖15 -圖18。由應(yīng)力結(jié)果可知：對(duì)于架空橫梁本身，方案1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好，中部及端部最大應(yīng)力分別為112 N/mm2和205 N/mm2；其次為布置形式相似的方案4，中部及端部最大應(yīng)力分別為147 N/mm2和206 N/mm2；應(yīng)力最大的方案2，高應(yīng)力處為架空橫梁端部的應(yīng)力集中點(diǎn)，而對(duì)中和軸附近及底部結(jié)構(gòu)影響微小。

從泥艙的整體橫向強(qiáng)度來(lái)看，架空橫梁本身為局部結(jié)構(gòu)，因其形式不同所造成的影響基本局限于架空橫梁自身結(jié)構(gòu)以及端部與泥艙圍板的連接處，而對(duì)中和軸附近及底部結(jié)構(gòu)的影響微小。方案2和方案3分別通過(guò)減小橫梁間距和減小橫梁跨長(zhǎng)的方法減小橫梁剖面模數(shù)。從計(jì)算結(jié)果看，架空橫梁更多受作業(yè)時(shí)的局部載荷影響，方案3減小橫梁跨長(zhǎng)更為有效，減小橫梁間距效果并不理想。

表3 不同設(shè)計(jì)方案下的架空橫梁強(qiáng)度校核結(jié)果

圖15 方案1的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

圖16 方案2的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

圖17 方案3的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

圖18 方案4的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

值得注意的是方案1和方案4，兩種方案的彎矩分布完全一致，兩種方案下的橫梁端部合成應(yīng)力也基本一致，但方案1橫梁跨中的合成應(yīng)力小于方案4。研究發(fā)現(xiàn)：方案4的剖面模數(shù)大于方案1，但垂向承剪面積小于方案1。方案1和方案4的中部最大剪應(yīng)力差別較大，分別為46 N/mm2和75 N/mm2，最大正應(yīng)力則差別較小。因此架空橫梁的剖面面積與剖面模數(shù)同等重要，也驗(yàn)證了規(guī)范對(duì)架空橫梁凈剖面面積有最小要求的合理性。

綜上所述，從結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度的角度，可認(rèn)為方案1最符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4 架空橫梁的多方性能比較

除了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，架空橫梁設(shè)計(jì)也要考慮其他方面因素，比如橫梁自身體積占用艙容造成的艙容損失、橫梁自重的影響以及橫梁設(shè)計(jì)對(duì)疏浚設(shè)備布置的影響等，均影響挖泥船的經(jīng)濟(jì)性。

表4列出了本文討論的4種架空橫梁方案，分別從結(jié)構(gòu)重量、橫向強(qiáng)度、艙容損失和設(shè)備影響4個(gè)方面比較優(yōu)劣。

表4 架空橫梁的優(yōu)劣比較

表4顯示：各方案的結(jié)構(gòu)重量差異并不大，方案1的箱形橫梁在橫向強(qiáng)度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。除方案1外，各方案對(duì)艙容的損失不大，方案1和方案4采用大間距架空橫梁設(shè)計(jì)，且艙內(nèi)不額外設(shè)計(jì)構(gòu)件，十分有利于管線(xiàn)布置和疏浚作業(yè)。

綜上所述，在確保泥艙有足夠艙容儲(chǔ)備的前提下，最終確定方案1最適合本船。

5 結(jié) 語(yǔ)

帶開(kāi)敞泥艙的耙吸挖泥船和泥駁，泥艙區(qū)域需按規(guī)范要求設(shè)置架空橫梁。架空橫梁一般設(shè)計(jì)在底部不設(shè)泥門(mén)開(kāi)口的強(qiáng)框平面內(nèi)，整個(gè)強(qiáng)框形成閉環(huán)以保證泥艙橫向強(qiáng)度。架空橫梁同時(shí)也承受泥門(mén)啟閉產(chǎn)生的載荷，并對(duì)泥門(mén)拉桿有限位和導(dǎo)向作用。對(duì)于底部設(shè)置單列泥門(mén)的泥艙結(jié)構(gòu)，為保證頂部作業(yè)空間，架空橫梁按規(guī)范要求設(shè)置較困難。本文論述了架空橫梁的幾種形式，從強(qiáng)度、重量、裝艙量、作業(yè)便利等方面比較其優(yōu)缺點(diǎn)，使中小型挖泥船泥艙結(jié)構(gòu)更加合理，更適于作業(yè)。

對(duì)4 500 m3耙吸挖泥船的4種架空橫梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）不同形式的架空橫梁結(jié)構(gòu)對(duì)泥艙橫向強(qiáng)度有一定影響，但僅限于架空橫梁自身和附近的泥艙圍板結(jié)構(gòu)，但對(duì)中和軸附近和底部結(jié)構(gòu)影響微小。

（2）各方案的架空橫梁結(jié)構(gòu)重量相當(dāng)。

（3）方案1的大間距箱型架空橫梁在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面優(yōu)勢(shì)明顯。

（4）方案1的箱型梁對(duì)泥艙的裝艙艙容有影響，其他方案幾乎無(wú)影響。

（5）從疏浚作業(yè)方面，方案1和方案4的大間距架空橫梁布置，由于泥艙頂部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，最有利管系布置和疏浚裝卸泥漿作業(yè)。

綜上考慮，推薦大間距架空橫梁布置。在確保有效艙容的前提下，方案1的箱型梁設(shè)計(jì)最優(yōu)；在艙容緊張的情況下，可選擇方案4替代方案1。

經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)重量、足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及確保使用功能，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。在以往設(shè)計(jì)中，常因考慮到設(shè)計(jì)周期問(wèn)題，而對(duì)架空橫梁的設(shè)計(jì)采用各方案的定性分析法。本文通過(guò)合理的研究技術(shù)路線(xiàn)，對(duì)架空橫梁各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度、重量和艙容損失計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析，獲得各方面均滿(mǎn)意的方案。本文使用的分析方法和各方案結(jié)果，為挖泥船的泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可參考數(shù)據(jù)。