長江游輪大型分段吊裝數(shù)值分析及應(yīng)用

楊敬東，岳新霖，谷 磊，陳茂僑

(1. 重慶交通大學(xué)，航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市船舶檢驗(yàn)中心有限公司，重慶 400074)

0 引 言

為滿足長江三峽游旅客對(duì)游輪功能提升的需求，長江游輪主尺度日趨大型化，船舶分段尺度及重量也在增大，導(dǎo)致建造過程中出現(xiàn)一些吊裝安全事故。近期某長江游輪建造過程中，上層建筑04分段在吊裝過程中發(fā)生折斷，造成分段工期延誤、建造成本增加等負(fù)面影響。針對(duì)出現(xiàn)的安全問題，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)事故原因進(jìn)行仿真分析，并提出解決的辦法。

1 事故分段簡介

事故分段為上層建筑04分段(圖1)。分段吊裝上升過程中發(fā)生斷裂，斷裂處位置接近上甲板中心線，多處橫梁撕裂(圖2)，分段左側(cè)因與地面接觸存在艙壁變形，甲板未開裂，但折痕清晰(圖3)。

圖2 構(gòu)件損壞情況Fig. 2 Component damage situation

圖3 甲板損壞情況Fig. 3 Deck damage situation

對(duì)04分段吊裝進(jìn)行模擬分析[1-3]，擬通過模擬數(shù)值分析驗(yàn)證現(xiàn)場吊裝方案是否可行，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)著重檢查分段理論中線處各構(gòu)件情況，除考慮屈服應(yīng)力外，還應(yīng)考慮剪應(yīng)力、變形等情況是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。

2 安全標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)確保分段整體和各構(gòu)件滿足：

1)船體建造材料需采用CCS(中國船級(jí)社)認(rèn)證船用材料，構(gòu)件材料(不同規(guī)格尺寸角鋼、鋼板)許用屈服強(qiáng)度為290 MPa，取安全系數(shù)s=1.5[6-7]，屈服強(qiáng)度應(yīng)滿足：

(1)

式中：[σ]為許用屈服強(qiáng)度。

2)剪切應(yīng)力τ應(yīng)滿足：

(2)

式中：[τ]為許用剪切應(yīng)力。

3)分段變形應(yīng)滿足變形率不超過2‰[8]，即1 m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)變形應(yīng)不超過2 mm。

綜上，模擬結(jié)果應(yīng)滿足屈服應(yīng)力不大于193.33 MPa，剪切應(yīng)力不大于96.67 MPa，變形率不超過2‰的安全標(biāo)準(zhǔn)，且在滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的情況下，應(yīng)盡可能減少加強(qiáng)構(gòu)件重量，并考慮施工難度，滿足建造工期和經(jīng)濟(jì)性[9]要求。

3 事故分段模擬及吊裝方案分析

3.1 模型建立

事故分段為上層建筑04分段(圖4)，模型原點(diǎn)位于74# 肋位。04分段第一處強(qiáng)肋骨位于肋位正中底部，以船首為X正向，右舷為Y正向，頂棚甲板方向?yàn)閆正向，建立空間坐標(biāo)。分段長16 m，寬18.6 m，設(shè)計(jì)重量為45 t，為縱骨架式，肋骨間距0.55 m，縱骨間距0.5 m，設(shè)計(jì)重心坐標(biāo)為(6.21,0.02,2.01)，強(qiáng)肋骨與橫梁間距2.75 m。

圖4 04分段結(jié)構(gòu)Fig. 4 04 section structure

04分段無貫通艙壁，甲板處存在開口。分段中梁、柱和縱骨采用ANSYS BEAM188模型模擬，板采用SHELL181模型模擬，不同尺寸構(gòu)件賦予不同截面形狀。

模擬分段吊裝時(shí)重力加速度取9.806 m/s2，根據(jù)現(xiàn)場情況，將風(fēng)力、吊裝加速度等折算為系數(shù)，換算為模型重量[10]。折算后，模擬時(shí)最終取重力加速度的1.2倍，即g=9.806×1.2 m/s2=11.76 m/s2。吊耳布置位置由設(shè)計(jì)資料及相似分段的實(shí)際布置位置情況確定。

04分段最終仿真模型如圖5，模型設(shè)計(jì)重量為43.724 t，與實(shí)際偏差小于3%，重心位置位于分段距中偏右處，坐標(biāo)為(6.24,0.02,2.02)，符合艙室布置、構(gòu)件分布情況，滿足模擬計(jì)算要求。

圖5 仿真模型Fig. 5 Simulation Model

3.2 分段吊裝數(shù)值模擬及分析

3.2.1 04分段模擬計(jì)算及分析

04分段吊裝模擬計(jì)算后結(jié)果如圖6。在無加強(qiáng)措施的情況下，該分段的最大位移為425 mm，變形量大于2‰，最大應(yīng)力為1.94×109Pa(大于193.33 MPa)，超出安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 分段模型初始狀態(tài)模擬計(jì)算Fig. 6 The initial state simulation calculation of the segmented model

04分段吊裝仿真計(jì)算結(jié)果中，應(yīng)力、應(yīng)變均超出安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖紙分析，這是由于分段結(jié)構(gòu)存在甲板大開口，且上層建筑分段內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸偏小，導(dǎo)致04分段在吊裝時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)撕裂。

經(jīng)分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，對(duì)發(fā)生事故的04段采用總段吊裝與子分段吊裝兩種方案進(jìn)行加強(qiáng)模擬。

3.2.2 總段吊裝模擬

在原有分段尺寸不變的情況下，只增加支撐材料對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)給予加強(qiáng)的方式稱為總段吊裝。

在仿真模型中對(duì)未加強(qiáng)的04分段吊裝模擬計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中發(fā)生在04分段的最大橫艙壁開口處(圖7)。這是由于存在構(gòu)件圍壁交叉現(xiàn)象，造成此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)大于其余位置。

圖7 04分段未加強(qiáng)時(shí)應(yīng)力集中區(qū)域(單位：Pa)Fig. 7 Stress concentration area before block 04 unstrengthening

對(duì)此處構(gòu)件采用8 mm厚板(設(shè)計(jì)板厚為5 mm)進(jìn)行1次加強(qiáng)，模擬發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力結(jié)果雖有改善，但最大應(yīng)力仍不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，且最大應(yīng)力處、應(yīng)力集中區(qū)域均轉(zhuǎn)移至吊耳布置處(圖8)，說明只對(duì)開口處用鋼板封閉加強(qiáng)不能滿足安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行2次加強(qiáng)。

圖8 1次加強(qiáng)后應(yīng)力集中區(qū)域(單位：Pa)Fig. 8 Stress concentration area after once strengthening

圖9 2次加強(qiáng)后04分段模擬(單位：Pa)Fig. 9 Simulation diagram of block 04 after twice strengthening

2次加強(qiáng)后，模擬計(jì)算得到最大應(yīng)力為360 MPa，位于桁架與艙室圍壁的連接橫梁處(圖9)，最大應(yīng)力仍然超過安全標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)該處圍壁進(jìn)行3次加強(qiáng)。

3次加強(qiáng)中，在最大應(yīng)力處橫壁上增加一個(gè)20#槽鋼，與甲板結(jié)合共同形成框架以減小應(yīng)力，3次加強(qiáng)后04分段模擬如圖10。

總段吊裝模擬經(jīng)過3次加強(qiáng)后，最大屈服應(yīng)力為193.13 MPa，最大剪切應(yīng)力為74.8 MPa，最大位移為31.8 mm，變形率為31.8 mm/16 000 mm=1.987 5‰，變形率小于2‰，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，最終受力結(jié)果如圖11。

圖10 3次加強(qiáng)后04分段模擬(單位：Pa)Fig. 10 Simulation diagram of block 04 after third strengthening

圖11 總段吊裝最終計(jì)算結(jié)果Fig. 11 Final calculation results of total section hoisting

3.2.3 子分段吊裝模擬

通過減小分段尺寸以降低分段重量，使起吊時(shí)分段整體負(fù)荷降低的方式，稱為子分段吊裝。

根據(jù)甲板拼板、艙室分布等情況，將04分段分為A、B、C、D 4個(gè)子分段，如圖12。

圖12 子分段劃分示意Fig. 12 Sub-segmentation diagram

因C分段自重最大，且存在甲板開口，吊裝時(shí)應(yīng)力和變形比其余3個(gè)分段大，故選擇C分段進(jìn)行模擬計(jì)算。C分段長為7.5 m，寬為9.3 m，自重為11.592 t，無加強(qiáng)情況下吊裝模擬結(jié)果如圖13。圖中最大應(yīng)力為221.71 MPa，最大位移為32.36 mm(變形率大于2‰)，不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行加強(qiáng)。

圖13 子分段吊裝模擬計(jì)算Fig. 13 Sub-segmentation hoisting simulation calculation

造成C分段吊裝時(shí)不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的原因?yàn)椋喝狈ω灤┛v壁，且縱桁尺寸不足，形成了如同懸臂梁式的支撐結(jié)構(gòu)；電梯井縱壁上的開口破壞了縱壁的連續(xù)，使縱壁底部自由端產(chǎn)生了過大橫向位移。

綜上，C分段加固方案為：選用L63×40×5角鋼作為加強(qiáng)材料，在分段尾部距中4 500～7 900 mm甲板處增加X形斜撐〔圖14(a)〕；在橫壁距中4 500～7 900 mm底部用角鋼連接；電梯井處底部加X形斜撐，距中6 000 mm電梯井壁開門處加X形斜撐〔圖14(b)〕。

圖14 子分段吊裝模擬加強(qiáng)Fig. 14 Sub-segmentation hoisting simulation enhancement

結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后子分段吊裝模擬的最大屈服應(yīng)力為136 MPa，最大剪切應(yīng)力為45.9 MPa，最大位移為16.3 mm，變形率為16.3 mm/9 300 mm= 1.752‰<2‰，如圖15，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖15 子分段吊裝最終計(jì)算結(jié)果Fig. 15 Final calculation results of sub-segmentation hoisting

3.2.4 方案比較

由模擬結(jié)果可得：

1)總段吊裝。可以節(jié)省吊裝次數(shù)，提高吊裝效率，但方案復(fù)雜，支撐構(gòu)件尺寸不統(tǒng)一，會(huì)造成安裝難度較大。且加強(qiáng)構(gòu)件過多，不僅增加了建造成本，還增加了吊裝過程中的分段自重(增加重量占分段自重約1%)，增加了吊裝安全隱患。

2)子分段吊裝。雖增加了吊裝次數(shù)，但各子分段自重小，可以使用小噸位門吊或多輛吊車等方式吊裝，方案靈活；同時(shí)加強(qiáng)方式簡單，易于安裝與拆除，對(duì)建造成本負(fù)擔(dān)較小。

兩方案建造成本對(duì)比如表1，表中工時(shí)折算為費(fèi)用金額。

表1 不同方案建造成本對(duì)比Table 1 Comparison of construction costs of different schemes

結(jié)合建造方施工能力，為保障施工安全，推薦使用子分段吊裝進(jìn)行吊裝作業(yè)。實(shí)際建造過程中也使用了子分段吊裝，得到了良好反饋。

綜上，內(nèi)河游輪上層建筑分段由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸較小，整體剛度偏弱，所以在吊裝時(shí)不宜采用大尺寸分段整體吊裝方案，宜采用較小尺寸分段進(jìn)行吊裝。

4 結(jié) 語

針對(duì)內(nèi)河船舶建造工序中吊裝方案依賴現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，缺少理論數(shù)據(jù)支撐的問題，提出了總段吊裝加固和子分段吊裝加固兩種不同的吊裝實(shí)施方案，并根據(jù)實(shí)際建造數(shù)據(jù)，利用有限元軟件建立大型船舶上層建筑分段模型，利用力學(xué)相關(guān)理論，確定吊裝過程的載荷分布特點(diǎn)和相關(guān)安全要求，并對(duì)不同方案下的吊裝過程進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明：總段吊裝方案雖然可以節(jié)省吊裝時(shí)間，但對(duì)分段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，對(duì)建造現(xiàn)場吊裝工具要求高，安全隱患較大；子分段吊裝方案雖然需要多次吊裝，但對(duì)現(xiàn)場吊裝工具要求較低，吊裝方案更為靈活，更能滿足現(xiàn)階段內(nèi)河船舶建造方需求；建造實(shí)例反饋也證實(shí)了，采用子分段吊裝方案可以更好地消除吊裝過程中的安全隱患，對(duì)提高施工質(zhì)量也有著一定的優(yōu)勢(shì)。