大型郵輪甲板變高梁的應用分析

崔桂媛，蔣龍皎，馬濤，陳剛，關愛民

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

大型郵輪中，乘客、船員多，生活需求多樣，這對全船的通風、消防、電力功能等是巨大的挑戰(zhàn)；船上風道、管路、電纜等種類繁雜，數(shù)量龐大，布置難度高，而風道、管路、電纜基本都在天花板上面布置，這就對天花板以上有限的上層空間的利用提出了極高的要求。

一般情況下，大型郵輪在設計時，考慮到各類風道、管路、電纜等布置需求，在保證船體結構強度的前提下，會在甲板強梁上設置大量的減輕孔，使風道、管路、電纜等均可從減輕孔穿過，而且這些減輕孔一般都是按照標準尺寸和間距進行設計。減輕孔的設計，不僅是考慮到風道、管路、電纜等布置需求，對于大型郵輪這種重量控制嚴格的船舶，還能起到減輕船舶重量的作用。而且減輕孔按照標準尺寸和間距進行設計，也有利用船廠進行標準化制造。

但是，在大型郵輪中各類風道、管路、電纜等種類繁多，尺寸規(guī)格大小不一。對于各種截面積較大的風道、管路、電纜而言，甲板強梁上的標準減輕孔已經(jīng)無法滿足其穿孔需求。其中，部分截面積稍大的風道、管路、電纜等，會考慮通過擴大減輕孔滿足其穿孔需求，但這會導致結構強度降低。這時，為了保證強梁的結構強度不變，需要設置一些加強，如在減輕孔周邊設置一圈扁鋼或局部增加腹板厚度等。對于這種擴大減輕孔的方式，孔高度受限于標準強梁腹板高度影響，尺寸擴大有限，只能滿足部分風管等的穿孔需求。對于截面積更大的風道、管路、電纜等，這時候擴大減輕孔滿足不了結構要求，因此考慮設計采用變高梁的結構形式。

1 變高梁的結構形式

變高梁是一種在高度上有變化的甲板強梁。假設普通強梁規(guī)格表示為×××(為腹板高度，為面板寬度，為腹板厚度，為面板厚度)。現(xiàn)將強梁的腹板高度降低，為了保證結構強度不變，同時增加腹板的厚度、面板的寬度或者厚度，甚至提高腹板或者面板的材質(zhì)等級，修改后的這種強梁稱之為變高梁，其規(guī)格可以表示為×××(為變高梁腹板高度，為變高梁面板寬度，為變高梁腹板厚度，為變高梁面板厚度),見圖1。

圖1 典型變高梁結構

2 基于等效替代的變高梁設計

2.1 等效替代設計原則

用變高梁代替甲板強梁，需保證結構強度不變。船舶甲板一般為受壓狀態(tài)，甲板強梁一般為甲板的主要支撐構件，此時僅考慮甲板強梁在受壓狀態(tài)下的抗彎能力，即甲板強梁橫截面上只有彎曲應力。如果使用變高梁代替普通甲板強梁，則變高梁所能承受的抗彎能力不能降低，即變高梁的剖面模數(shù)不能小于普通強梁，在同樣的甲板受壓狀態(tài)下，變高梁所承受的彎曲應力不能變大，此時才能稱之為等效替代。

(1)

式中：為普通甲板強梁彎曲應力，MPa；為變高梁彎曲應力，MPa。

2.2 設計方法

變高梁主要是應風道、管路、電纜等穿孔要求而設計，是一種功能性需求。首先根據(jù)需求，確定變高梁的高度，先初步設計變高梁的規(guī)格，保證變高梁在等截面下的剖面模數(shù)不小于普通甲板強梁，然后通過有限元建模計算，在相同的載荷情況下，分析變高梁替代后的彎曲應力情況，確定變高梁的最終尺寸。

對于甲板強梁的彎曲應力分析，以大型郵輪居住艙室局部甲板平臺為例，采用有限元分析軟件Patran，建立有限元模型，局部使用變高梁代替普通強梁，進行有限元分析計算，比較替代前后甲板強梁的彎曲應力情況，判斷是否為有效替代。

2.3 模型及邊界條件設置

模型描述：大型郵輪居住艙室局部甲板平臺，甲板板厚一般為5 mm，甲板為縱骨架式，縱骨規(guī)格為一般為HP80×5；甲板左右舷分別對稱設置兩道縱桁，且設置等間距強橫梁，并在強梁上設有標準減輕孔，縱向和橫向強梁規(guī)格均為450 mm×100 mm×8 mm×10 mm(截面積為78.7 cm，考慮減輕孔后，剖面模數(shù)為661.2 cm)；在縱橫強梁連接處間隔設置支柱作為支撐,詳見圖2。

圖2 模型

邊界條件：甲板上設置垂向均布載荷3.2 t/m，四周邊界為剛性固定，支柱處為剛性固定。

當甲板為普通強梁時，甲板橫向強梁最大應力約為75.6 MPa，甲板橫向強梁應力見圖3。

圖3 普通甲板強梁應力云圖

局部使用變高梁替代普通橫向強梁時，變高梁規(guī)格為250×180×10×15(截面積為84.0 cm，剖面模數(shù)為719.1 cm)，甲板變高梁處的最大應力約為42.7 MPa，較普通強梁時應力降低約40%，甲板變高梁處應力見圖4。

圖4 變高梁處應力云圖

分析計算結果，在保證局部強梁截面積和剖面模數(shù)不變小的條件下，采用變高梁設計的板架結構在變高梁附近的彎曲應力比同一位置處普通強梁板架結構下的局部應力小，能夠滿足強度要求，因此，該變高梁規(guī)格相對原甲板強梁，為有效替代。

大型郵輪上由于標準艙室對空間高度的要求，結構強梁一般都是標準高度，規(guī)格種類不是很多，因此相應的變高梁對應的也是標準高度，規(guī)格種類也比較少，這便于郵輪在生產(chǎn)設計過程中根據(jù)實際情況實行簡易的變高梁的設計替代。標準化的變高梁對現(xiàn)場生產(chǎn)也更為便利，從材料到生產(chǎn)能夠較快響應。

3 變高梁的應用

3.1 風道、管路、電纜等截面積過大的穿梁

大型郵輪必須保證良好的通風，產(chǎn)生大量的通風管系，其中還會有很多大型風管。大型郵輪中風管布置在艙室上方，一般穿過強梁上的減輕孔來布置。但是其中有很多大型風管，截面積較大，無法穿過強梁上的減輕孔，且在居住艙室區(qū)域，因為層高的限制或者艙室的推進空間的限制，也無法從強梁下方穿過。

這種情況，可以通過設置局部變高梁，讓風管從變高梁下方穿過，且保證與天花板不干涉，見圖5。

圖5 典型的變高梁解決大型風管布置示意

大型郵輪用應充分考慮電需求、生活用水需求、水消防功能需求等，這樣會產(chǎn)生大量的電纜和管路，電纜、管路均布置在艙室上方，需要穿過甲板強梁的減輕孔，其中有很多大截面積的多排電纜和直徑較大的生活水總管、消防水總管等超過減輕孔的大小。為了滿足這些大截面積電纜和大直徑的管路的穿孔需要，可以通過設置局部變高梁來保證其布置需求。

3.2 風道、管路、電纜等集中布置情況

大型郵輪還有很多風道、管路、電纜等集中布置，均需要穿過同一位置，此時，強梁上減輕孔的數(shù)量已經(jīng)不能滿足此處的穿孔需求，而且受居住艙室的天花板高度影響，也無法從強梁下面穿過。

若風道、管路、電纜等繞行從其他位置減輕孔穿過，首先會浪費大量的材料；其次，繞行會導致其他風道、管路、電纜的修改，增加大量的人工修改成本；而且在大型郵輪中，上層空間極其有限，減輕孔利用率極高，很難找到其他繞行路徑。

這種情況下可以通過設置局部變高梁，讓風道、管路、電纜集中從變高梁下方穿過，見圖6。

圖6 典型的變高梁解決風道、管路、電纜等集中布置示意

3.3 超高設備與強梁干涉時

大型郵輪中有大量的機械設備，尤其在居住甲板區(qū)域會有大量的電氣設備、通風設備等，其中有部分設備的高度已經(jīng)超過甲板強梁，有些可以通過移動設備來避開強梁保證設備布置沒有問題，但是大型郵輪有的設備房間格局緊湊，設備的移動空間有限，這些設備在布置上無法避開強梁的位置。

另外大型郵輪中很多設備都是特殊的進口設備，有的無法更改。

這種情況下可以通過設置局部變高梁，既保證了設備與強梁不干涉，又不會影響到郵輪的建造計劃，見圖7。

圖7 典型的變高梁解決超高設備布置示意

4 結論

1)在保證變高梁剖面模數(shù)不變小的前提下，設置變高梁的結構局部應力小于原結構強梁，變高梁與原甲板強梁可等效替代。

2)在整個大型郵輪的建造過程中，合理采用局部變高梁的設計，可有效解決各類風道、管路、電纜、設備等布置問題，對于上層空間布置有限的船舶，具有重要的參考價值。