設(shè)計建造階段吊機(jī)封固裝置的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

王曉陽，劉文民，王 欣，劉 磊

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計研究院有限公司，遼寧大連116000)

0 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海上大型設(shè)備施工建設(shè)需要，使浮吊船的需求越來越廣泛，大型吊機(jī)是浮吊船最重要的設(shè)備之一，浮吊船航行或停泊時，對吊機(jī)進(jìn)行封固能全面保障設(shè)備安全運(yùn)行和船上人員的人身安全[1–2]。

封固裝置的支撐結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，設(shè)計空間緊湊，建造階段的干涉問題及調(diào)試的特殊需求，增加了支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，本文以某浮吊船為例，進(jìn)行設(shè)計/建造階段的吊機(jī)封固裝置的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計并總結(jié)設(shè)計要點。

1 設(shè)計載荷

某浮吊船的吊機(jī)封固裝置主要有3處：擱架（封固吊機(jī)配重塊）、轉(zhuǎn)盤支架和轉(zhuǎn)盤鋼索（封固轉(zhuǎn)盤），位置關(guān)系如圖1所示。設(shè)計中，分別考慮擱架、轉(zhuǎn)盤支架及轉(zhuǎn)盤鋼索的極限承載狀態(tài)。根據(jù)CCS規(guī)范[3–4]，將船舶處于正浮、橫傾、縱傾時吊機(jī)配重塊的重力，分別與船舶運(yùn)動時吊機(jī)配重塊所受的慣性力組合，得到擱架的設(shè)計載荷。轉(zhuǎn)盤支架和轉(zhuǎn)盤鋼索由設(shè)備廠家提供極限承載能力確定其設(shè)計載荷。

1.1 坐標(biāo)系

原點為尾封板、主甲板與中縱剖面的交點，指向船首為+X，指向左舷為+Y，豎直向上為+Z，如圖1所示。

1.2 擱架的設(shè)計載荷

由水動力分析并按近海海浪譜進(jìn)行長期統(tǒng)計分析，得到百年一遇的船舶橫傾23°、縱傾15°、船舶橫搖、縱搖、垂蕩的加速度最大值分別為±1.47 m/s2，±2.34 m/s2，±4.91 m/s2。吊機(jī)配重塊重160 t，由左右舷的結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性及z向最大設(shè)計載荷的要求，僅考慮載荷分量Fy為正值、Fz為負(fù)值的工況。擱架的設(shè)計載荷如表1所示。

圖1 封固裝置位置關(guān)系示意圖Fig.1 Diagram of fastening device position relationship

表1 擱架的設(shè)計載荷Tab.1 Design load of rack

1.3 轉(zhuǎn)盤支架設(shè)計載荷

轉(zhuǎn)盤支架極限承載能力為垂向125 t，水平50 t。由左右舷的結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，僅考慮載荷分量Fy為正值的工況，考慮水平載荷與x軸正向夾角為0°，45°，90°，135°，180°共5個方向。轉(zhuǎn)盤支架的設(shè)計載荷如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)盤支架的設(shè)計載荷Tab.2 Design load of rotary table’s supports

1.4 轉(zhuǎn)盤鋼索設(shè)計載荷

轉(zhuǎn)盤鋼索張緊時的極限承載能力為32 t。由左右舷鋼索拉點3、點4的結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，左右舷鋼索拉點1、點2的結(jié)構(gòu)的不對稱性，考慮6處鋼索同時張緊的工況。將斜拉的轉(zhuǎn)盤鋼索軸向的最大拉力沿x，y，z方向分解得到轉(zhuǎn)盤鋼索的設(shè)計載荷如表3所示。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

采用MSC.PATRAN/NASTRAN計算軟件進(jìn)行有限元分析。模型范圍縱向由FR0～FR22（包括尾封板、不包括FR22艙壁），橫向由左舷舷側(cè)至右舷距船舯6 000 mm的艙壁（不包括舷側(cè)外板及艙壁），垂向由主甲板至船底外板（不包括船底外板）。

表3 轉(zhuǎn)盤鋼索的設(shè)計載荷Tab.3 Design load of rotary table'scables

三維有限元模型如圖2(a)所示。包括甲板及其下縱橫桁材和骨材、艙壁及其扶強(qiáng)材、支撐結(jié)構(gòu)等。所有板材均以殼單元模擬；船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)構(gòu)件（包括縱桁、強(qiáng)橫梁及艙壁強(qiáng)扶強(qiáng)材）的腹板采用殼單元進(jìn)行模擬，面板采用梁單元進(jìn)行模擬；縱骨、加強(qiáng)筋、艙壁扶強(qiáng)材等采用梁單元模擬[5–6]。支撐結(jié)構(gòu)的面板腹板肘板采用殼單元進(jìn)行模擬，如圖2(b)所示。模型邊界設(shè)置簡支邊界條件。

圖2 三維有限元模型和支撐結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Three dimensional finite element model and finite element model of the supporting structure

2.2 校核衡準(zhǔn)

CCS規(guī)范[3]規(guī)定：與起重機(jī)基座、起重柱等結(jié)構(gòu)直接相連，且位于三面相交角隅位置上的板單元，其安全系數(shù)可適當(dāng)減少，但不得小于1.1，實取1.11。

表4 校核衡準(zhǔn)Tab.4 Checking criteria

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

步驟1：對無加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，評估是否需要進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。

擱架支腿、轉(zhuǎn)盤支架對位的是縱骨，為弱結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)盤鋼索拉點對位的是橫向強(qiáng)框架，為強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖1和圖3所示。有限元分析的計算結(jié)果表明：轉(zhuǎn)盤鋼索拉點對位結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，擱架及轉(zhuǎn)盤支架對位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值超過許用應(yīng)力值，應(yīng)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 無加強(qiáng)，對位支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的示意圖Fig.3 No strengthening design,counterpoint structure design and improved structure design

步驟2：依據(jù)步驟1的評估結(jié)果，開展對位支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。

依全船縱骨架式的結(jié)構(gòu)特點，沿縱向設(shè)計轉(zhuǎn)盤支架圓柱截面的對位縱桁，端部與臨近的強(qiáng)構(gòu)件相連接。在擱架支腿方形截面下方設(shè)計對位的板結(jié)構(gòu)，考慮空間限制、施工要求，對板結(jié)構(gòu)合理加筋并進(jìn)行形狀優(yōu)化，使其最小深度為200 mm/370 mm，（見圖4），增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的工藝性[7–8]。有限元分析的計算結(jié)果表明：擱架支腿及轉(zhuǎn)盤支架的支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值仍超過許用應(yīng)力值。

圖4 步驟2中支撐結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化Fig.4 Shape optimization of supporting structure in step 2

步驟3：依據(jù)步驟2的分析結(jié)果，有針對性的改進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，使之滿足規(guī)范要求。

轉(zhuǎn)盤支架圓柱截面的對稱性和支撐結(jié)構(gòu)的不對稱性不利于載荷的分布，使FR5橫框架的應(yīng)力值過大，由此在FR6肋位增加橫向桁材，改善載荷分布。在擱架、轉(zhuǎn)盤支架及轉(zhuǎn)盤鋼索三者布置集中點FR5附近，橫、縱桁的應(yīng)力大，遠(yuǎn)離該區(qū)域的縱桁（FR0～FR2）的剪應(yīng)力較大，對前者，桁材腹板面板均加厚，對后者，僅加厚腹板，同時提升鋼板的鋼級至AH36。有限元分析的計算結(jié)果表明：支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

無加強(qiáng)、對位支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計3種方案的最大應(yīng)力值如表5所示。

表5 最危險工況結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值Tab.5 Maximum von mises stressof structurein the worst load case

4 建造階段設(shè)計修改

在建造階段，受干涉問題、調(diào)試要求等因素的影響，迫使支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行修改，屬于意外工況，以該浮吊船為例，給出兩類建造階段的設(shè)計修改方案。

1）設(shè)計修改方案1

擱架支腿與系泊纜干涉，擱架支腿的結(jié)構(gòu)形式被迫修改，如圖5所示。擱架支腿新增的支點對位的縱骨是弱結(jié)構(gòu)。對該縱骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，增大剪切面積，提高抗彎能力，使最危險工況的最大應(yīng)力由237 MPa

圖5 擱架支腿的結(jié)構(gòu)形式修改Fig.5 Modification of structural form of support leg of rack

降至206 MPa，如表6所示，滿足規(guī)范要求。施工階段，替換縱骨消耗人力物力，施工成本高、難度大，該方案能夠避免這樣的難題。

表6 最危險工況結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值Tab.6 Maximum von mises stress of structure in the worst load case

2）設(shè)計修改方案2

在港調(diào)試階段要求擱架上的吊機(jī)配重塊由160 t增加至172 t，擱架的設(shè)計載荷由此增大172/160=1.075倍。考慮在港調(diào)試階段溫和的環(huán)境條件，控制縱傾為10°使LC16工況由（縱傾15°+運(yùn)動載荷）變?yōu)椋v傾10°+運(yùn)動載荷），降低該工況的載荷，使最大應(yīng)力由220 MPa降至196 MPa，如表7所示，滿足規(guī)范要求。調(diào)試階段，施工修改結(jié)構(gòu)更為困難，該方案能夠避免這樣的困難。

表7 最危險工況結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值Tab.7 Maximum von mises stress of structure in the worst load case

5 結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計可能在不同階段面對不同的修改需求，本文闡明了設(shè)計/建造階段支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計逐步完善的過程，總結(jié)出支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點如下：

1）支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計一般可按步驟1~步驟3進(jìn)行，有經(jīng)驗的設(shè)計人員可依經(jīng)驗或定性分析直接進(jìn)行步驟2~步驟3，一般在設(shè)計過程中都要經(jīng)歷步驟2~步驟3的改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終得到滿足規(guī)范要求的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2）設(shè)計空間狹小時，進(jìn)行對位的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計及形狀優(yōu)化，能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的工藝性。

3）支撐結(jié)構(gòu)的不對稱性和載荷的對稱性是應(yīng)力大的影響因素之一，調(diào)整支撐結(jié)構(gòu)的對稱性并依據(jù)有限元分析的計算結(jié)果，有針對性提高支撐結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪的能力，更高效。

4）施工成本是建造階段的意外工況中應(yīng)重點考慮的因素之一，通過局部補(bǔ)強(qiáng)或限制使用條件兩類方法能得到滿足特殊要求、易于施工的設(shè)計方案。

上述結(jié)論能為其他支撐結(jié)構(gòu)分析提供參考，對船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考意義。