某自升式平臺(tái)救生艇平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究

李傳靜 楊德才 王正銳 陳耀輝

摘? ? 要：本文主要介紹一種自升式平臺(tái)上的懸臂梁式救生艇平臺(tái)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)減少了生活樓對(duì)甲板開敞面積的占用，有效提升了甲板使用面積;詳細(xì)介紹了該支撐平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法，解決了支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接問(wèn)題，并通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的設(shè)計(jì)方法和結(jié)論，可為相似海工項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái);框架結(jié)構(gòu);救生艇;支撐結(jié)構(gòu);懸臂梁

中圖分類號(hào)：U663.6? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Structural Design of Jack-up Lifeboat Platform

LI Chuanjing，? YANG Decai，? WANG Zhengrui，? CHEN Yaohui

（ Guangzhou Interstellar Offshore Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： This paper introduces a cantilever beam type lifeboat platform on a jack-up platform. The design method reduces the occupation of the living building to the open area of the deck， and effectively improves the deck area. The structural type and design method of the support platform are introduced in detail， the connection problem between the support structure and the main hull structure is solved， and the strength of the structure is verified by FEM method. The method and conclusion of this paper can provide reference for similar offshore engineering projects.

Key words： Jack-up platform; Frame structure; Lifeboat; Support structure; Cantilever beam

1? ? ?前言

救生艇是自升式平臺(tái)上的一項(xiàng)基本配置，為了便于登艇，一般布置在生活樓甲板上。對(duì)于平臺(tái)來(lái)講，甲板開敞面積和使用面積越大越好，這樣才能容納更多的人員和設(shè)備，并提供更為舒適的生活環(huán)境和工作條件。因救生艇附近要設(shè)置集合站，且集合站應(yīng)是一個(gè)無(wú)障礙場(chǎng)所，人均占有面積不小于0.35 m2，因此救生艇就需要一個(gè)很大的平臺(tái)。如果按照常規(guī)設(shè)計(jì)，必然會(huì)擠占生活樓或甲板空間，因此設(shè)計(jì)了一種伸出舷側(cè)外板之外的救生艇平臺(tái)形式，稱之為懸臂梁形式的救生艇平臺(tái)。

2? ? 總體布置

如圖1所示：共有救生艇4艘（左右各兩艘），分別布置在生活樓平臺(tái)的2層甲板的兩舷，內(nèi)側(cè)與生活樓相連，有相應(yīng)的通道和樓梯通向各層平臺(tái);平臺(tái)長(zhǎng)約21 m、寬約為4.3 m，完全懸于自升式平臺(tái)外部，覆蓋整個(gè)首部樁腿和生活樓范圍;每艘救生艇尾部在平臺(tái)上再伸出一部分作為登艇通道;平臺(tái)首部與生活樓通道;平臺(tái)相連，并通向右舷救生艇平臺(tái)。平臺(tái)首部?jī)?nèi)側(cè)開設(shè)有梯道口，并設(shè)有梯道通向一層生活樓。

由圖1可以看出，救生艇平臺(tái)完全懸掛在2層生活平臺(tái)側(cè)面，2層生活平臺(tái)高度為11.7 m，距離主甲板為11.7-5.5=6.2 m。作為一個(gè)懸臂梁式結(jié)構(gòu)，下方?jīng)]有任何支撐，因此解決平臺(tái)的力的傳遞問(wèn)題，即如何將救生艇平臺(tái)的力傳遞到主體結(jié)構(gòu)上。通過(guò)分析，附近能夠承受力的主體結(jié)構(gòu)主要有3處，分別是生活樓結(jié)構(gòu)、主甲板和升降裝置撐桿結(jié)構(gòu)。因此通過(guò)合理布置主梁將平臺(tái)的力合理的傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，并對(duì)救生艇平臺(tái)、支撐結(jié)構(gòu)及主船體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行有限元校核。

3? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析，決定采用焊接型工字鋼主梁作為平面方向的主承力結(jié)構(gòu)，它與二層生活樓平臺(tái)和升降裝置撐桿結(jié)構(gòu)相連，垂向設(shè)置圓管與主船體和升降裝置撐桿的下部相連，與主船體結(jié)構(gòu)連接處做適當(dāng)加強(qiáng)和合理過(guò)度。

如圖2所示：根據(jù)救生艇布置圖和救生艇尺寸，結(jié)合懸臂梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，沿船寬方向設(shè)置了若干工字鋼橫梁與二層生活樓平臺(tái)和升降裝置撐桿相連，縱向設(shè)置3道工字鋼與橫向的工字鋼相連，組成框架結(jié)構(gòu)的主體。這些工字鋼梁是主要的受力構(gòu)件，需要進(jìn)行有限元分析計(jì)算;在工字梁之間鋪設(shè)若干角鋼，將主框架間的空間分割成小空間，便于鋪設(shè)格柵;由于此處結(jié)構(gòu)懸于海面之上，結(jié)構(gòu)間距過(guò)大會(huì)引起人員不適，角鋼與工字鋼所圍成的區(qū)域以不大于1 m2面積為宜;為了解決懸臂梁端部受力過(guò)大問(wèn)題，在靠近救生艇附近的主梁下，設(shè)置了若干斜撐管和支柱向下連接到主甲板和升降裝置撐桿結(jié)構(gòu)上。由于主甲板在此處的位置較為狹窄且布置有逃生通道，因此布置斜撐后需要滿足逃生要求，且斜撐會(huì)不可避免的穿過(guò)舷墻，需要做好處理。平臺(tái)的典型支撐結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖3所示。

（1）對(duì)于與生活樓相連接的部分，由于生活樓結(jié)構(gòu)普遍較弱，橫梁端部應(yīng)盡量設(shè)置在有橫梁的位置，沒(méi)有橫梁的地方必須增加橫梁作為加強(qiáng)并進(jìn)行有限元驗(yàn)算;

（2）對(duì)于與升降裝置撐桿相連接的橫梁，需要將面板端部加寬并設(shè)計(jì)為軟趾，以減少對(duì)重要結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)圖4）;

（3）對(duì)于斜撐管落在升降裝置撐桿的位置，斜撐管末端要做插入板處理（見(jiàn)圖5）。

（4）救生艇平臺(tái)的支撐管主要都落腳在主甲板上，通過(guò)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)這些地方的應(yīng)力非常大，因此適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)是非常必要的。為此，在管子的落腳處主甲板板要進(jìn)行局部加厚，同時(shí)下方增加T型梁或者肘板;

（5）根據(jù)設(shè)備資料，每艘救生艇都是由兩個(gè)吊臂支撐，吊臂安裝在艇平臺(tái)上，因此吊臂落腳處的艇平臺(tái)結(jié)構(gòu)需要有良好的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖6）。為此，在吊臂落腳處的工字鋼內(nèi)增加幾道橫豎向板，使其成為一個(gè)盒狀結(jié)構(gòu)。

4? ? ?有限元分析

（1）有限元模型

有限元計(jì)算采用DNV軟件SESAM GENIE軟件進(jìn)行建模及分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，平臺(tái)及支撐結(jié)構(gòu)采用桿單元形式，主船體結(jié)構(gòu)采用板單元形式進(jìn)行建模分析，桿單元通過(guò)SUPPORT LINK連接到板單元模型上。為了計(jì)算準(zhǔn)確，模型范圍需要足夠大。救生艇平臺(tái)的桿單元模型如圖7所示，其中P表示管子，PG表示拼接的工字鋼。例如P273x12_7表示直徑為273 mm、壁厚為12.7的鋼管，PG500x420x10x15表示腹板規(guī)格為500x10 mm、面板規(guī)格為420x15 mm的拼接工字鋼。

有限元模型邊界條件：限制6個(gè)自由度中的x、y、z方向的平動(dòng)自由度;而轉(zhuǎn)動(dòng)自由度是釋放的;z方向的平動(dòng)自由度，根據(jù)情況選擇限制還是自由，這樣計(jì)算的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

（2）計(jì)算載荷

結(jié)構(gòu)承受的載荷主要有以下5種：

① 結(jié)構(gòu)自重（包括格柵重量）?？紤]到有限元模型一般不需建所有的結(jié)構(gòu)，只需在進(jìn)行工況組合時(shí)加大1.2倍;

② 平臺(tái)人員集中載荷。按規(guī)范要求為10 KN/m2，由于是桿單元，加載時(shí)需轉(zhuǎn)換成線載;

③ 甲板設(shè)計(jì)載荷。根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)需求來(lái)定，本平臺(tái)主甲板載荷定為1.35 t/m2，生活樓甲板的載荷定為0.45 t/m2，以面載的形式施加在相應(yīng)甲板板上;

④ 艇支反力。由救生艇設(shè)備廠家提供，包括受力點(diǎn)的彎矩和3個(gè)方向的支反力，需對(duì)其進(jìn)行組合以模擬實(shí)際情況，見(jiàn)表1和表2所示;

⑤ 船舶搖擺產(chǎn)生的慣性力。根據(jù)ABS規(guī)范，取為平臺(tái)單邊橫搖或縱搖15 ?，周期為10 s。

這5種載荷互相組合，構(gòu)成了加載在模型的基本載荷工況。我們用 LC1表示結(jié)構(gòu)自重，LC2為格柵重量，LC3為人員集中載荷，LC4為甲板設(shè)計(jì)載荷，LC5～LC8為自重在橫搖縱搖情況下產(chǎn)生的4個(gè)主方向的慣性力，LC11～LC14為救生艇組合支反力。其中，LC5為船舶自重加正向橫搖，LC6為船舶自重加負(fù)向橫搖，LC7為船舶自重加正向縱搖，LC8為船舶自重加負(fù)向縱搖。

由于該平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力形式較為復(fù)雜，無(wú)法直接推斷出哪種工況是最惡劣工況，因此需要對(duì)這些基本工況進(jìn)行組合，模擬其可能發(fā)生的所有組合工況;再對(duì)這些組合工況進(jìn)行校核，從而找出最不利的工況并作出判別處理。其中，LC21～LC24組合了結(jié)構(gòu)自重（包括格柵重量）、聚集區(qū)集中載荷、甲板載荷和艇支反力，為安全工作載荷工況; LC31～LC38為平臺(tái)結(jié)構(gòu)在船舶搖擺狀況下的組合工況，是在安全工作載荷工況下又分別組合了平臺(tái)搖擺慣性力;LC41～LC48為主船體結(jié)構(gòu)在船舶搖擺狀態(tài)下的組合工況，它是在LC31～LC38基礎(chǔ)上增加了甲板載荷;LC31～LC48為典型運(yùn)動(dòng)工況，分別對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)力衡準(zhǔn)。

（3）許用應(yīng)力

① 按ABS MODU要求，平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)工況下的許用應(yīng)力σallow 為結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的1/1.25。

② 對(duì)于主船體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板單元，其許用應(yīng)力按下式計(jì)算：

σallow = Fy / F.S.? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Fy為鋼材最小屈服強(qiáng)度;

F.S.=1.43（靜態(tài)載荷），F(xiàn).S.=1.11（組合載荷）。

有限元計(jì)算結(jié)果，一般用等效應(yīng)力進(jìn)行校核：

（2）

（4）校核結(jié)果

若校核結(jié)果σeqv 不大于σallow ，即認(rèn)為滿足要求。

平臺(tái)及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要使用了屈服強(qiáng)度在235、355、360、500 MPa的鋼材，由此可以計(jì)算出艇支撐平臺(tái)和主船體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)用鋼的許用應(yīng)力。

對(duì)于艇平臺(tái)這種桿單元，通過(guò)軟件計(jì)算結(jié)果，提取出桿件軸向力和軸向彎矩值，然后通過(guò)MODU屈曲校核公式校核UC值。對(duì)于單一或雙重對(duì)稱結(jié)構(gòu)的組合截面桿件，根據(jù)MODU第三篇第二章第一節(jié)相應(yīng)規(guī)范作為衡準(zhǔn)，小于1.0即為合格。本平臺(tái)在各種工況下各種規(guī)格桿單元最大UC值均小于1.0，滿足要求。

對(duì)于主船體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，由于是板單元模型，需要找出各個(gè)工況下每種材質(zhì)的最大等效應(yīng)力進(jìn)行校核。受篇幅所限，各種工況下的應(yīng)力云圖不在此展示。各種材質(zhì)在產(chǎn)生最大等效應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)組合工況下的最大應(yīng)力，見(jiàn)表3：

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

本文所闡述的救生艇平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，大大減少了對(duì)平臺(tái)有效使用面積的影響，充分利用了平臺(tái)空間，間接提高了甲板使用面積和居住面積;由于采用了框架式結(jié)構(gòu)，使得重量減輕。這兩項(xiàng)措施的采用，使平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性得到進(jìn)一步提升;同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了周圍的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)類型，使得設(shè)計(jì)更為合理，減少了加強(qiáng)的數(shù)量和對(duì)已有結(jié)構(gòu)的影響;此外，考慮到此平臺(tái)完全懸于海面之上，結(jié)合以往客戶的反饋，將主框架之間的用于鋪設(shè)格柵的角鋼進(jìn)行加密，大大提高了人員行走時(shí)的安全感。

參考文獻(xiàn)

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