某大型客滾船鋁上層建筑帶筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

梁家日 莊濤 趙勇

摘? ? 要：目前鋁合金材料主要應(yīng)用于小型客船、游輪及高速船上，而大型船體結(jié)構(gòu)極少采用。隨著船舶能耗指數(shù)、減排及海上人員生命安全需求升級(jí)，《國際海上人命安全公約》對(duì)大型客船/客滾船穩(wěn)性提出更高要求，船舶特別是大型客船上層建筑輕量化設(shè)計(jì)具有更加重要的意義。由此可推斷，大型船舶上建結(jié)構(gòu)采用鋁合金帶筋板材料將有良好的發(fā)展前景。研究大型客滾船鋁上層建筑帶筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的安全性及經(jīng)濟(jì)性，將有利于形成造船業(yè)鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)通用化、產(chǎn)業(yè)化。本文簡要介紹某大型客滾船上層建筑采用鋁質(zhì)帶筋板結(jié)構(gòu)案例。

關(guān)鍵詞：帶筋板；攪拌摩擦焊；上層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U318.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Superstructure Design of Aluminum Sheet with Ribs for

Large Ro/Ro Passenger Ship

LIANG Jiari1，? ZHUANG Tao2，? ZHAO Yong3

（ 1.China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518054;? 2.China Merchants Jinling Shipyard （Weihai） Co.， Ltd.， Weihai 264200;

3.China Merchants Cruise Research Institute （Shanghai） Co.， Ltd.，? Shanghai 200135 ）

Abstract： The aluminum alloy materials are now mainly applied to small passenger ships， cruise ships and high-speed ships， and rarely used on large hull structures. With the upgrading requirements for shipping energy consumption index， emission reduction and safety of personnel life at sea， the International Convention for the Safety of Life at Sea proposes higher requirements on the stability of large passenger vessels and Ro/Ro passenger ships. Therefore， it is more important for the lightweight design of the superstructure of large passenger ships. In this context， it is expected to become a trend for the superstructure of large ships to use aluminum alloy with reinforced steel plates， a new green material. The study on the safety and economy of the design scheme of aluminum sheet with ribs in the superstructure of large passenger and Ro/Ro passenger vessels will be conducive to the formation of the construction industrialization of aluminum alloy sheet with ribs in the shipbuilding industry. This paper outlines the aluminum sheet with ribs in the superstructure of large Ro/Ro passenger vessels.

Key words： sheet with ribs;? friction stir welding;? superstructure;? structural design

1? ? ?前言

新版《國際海上人命安全公約》對(duì)大型客船（含客滾船）的初穩(wěn)性GM值要求提高，為此，大型客船上層建筑進(jìn)行輕量化具有更為重要的意義。鋁合金具有良好的化學(xué)和物理特性。其強(qiáng)度高，重量輕，是一種可回收循環(huán)使用的金屬材料，船舶采用鋁合金材料，可減少其排水量，從而提高船舶航速、減少能耗、提高船舶能效指數(shù)（EEDI），即可減少碳排放，促進(jìn)造船行業(yè)綠色發(fā)展。因此，鋁合金可稱為船舶綠色金屬。

基于鋁合金的特性，通過加熱鋁合金鑄錠[1]在特制模具中擠壓成形，通過擠壓工藝可得到任何形狀的型材產(chǎn)品。擠壓制成含有型材的鋁板稱為帶筋板標(biāo)準(zhǔn)件，在自動(dòng)化車間可通過攪拌磨擦焊拼板，形成滿足要求的各種尺寸帶筋板。

鋁合金帶筋板是一種新型造船材料，它自重輕、結(jié)構(gòu)尺寸精度高、美觀、殘余應(yīng)力小[2]。如船舶結(jié)構(gòu)大量采用，可以大大減少焊縫焊接工作量，提高產(chǎn)品質(zhì)量和建造效率，有效降低船舶上層建筑建造綜合成本，是一種可替代鋼質(zhì)上層建筑的理想新材料。

本文將簡要介紹批量建造的某大型客滾船部分上建采應(yīng)用帶筋板型式的鋁合金結(jié)構(gòu)方案。

2? ? 船舶概況

W0279大型客滾船總長203 m、型寬27.8 m、設(shè)計(jì)吃水6.6 m、服務(wù)航速23節(jié)、車線長度3047.5 m，可用于裝載轎車、載重汽車等各類車輛。并可承載1000名乘客，配置146間客艙和486套豪華躺椅，設(shè)有酒吧、休息室、商店、兒童樂園、寵物間、陽光甲板等公共娛樂場所，符合最新無障礙標(biāo)準(zhǔn)。

3? ? ?設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1? ?材料選用

本船上層建筑肋距840 mm，縱骨間距620 mm，鋁合金下方的板厚6 mm，橫縱壁板、甲板扶強(qiáng)材均為HP100x6。為了與鋁合金結(jié)構(gòu)下方的骨材對(duì)齊及減少設(shè)計(jì)工作量，選用球扁鋼作為帶筋板的筋。載荷經(jīng)過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范計(jì)算[3]，確定選用甲板用帶筋板，規(guī)格為寬度310 mm，板厚5 mm，筋骨材HP80x5（見圖1）。

3.2? ?帶筋板布置方案

橫縱圍壁板扶強(qiáng)材均采用豎向布置（見圖2）。這種傳統(tǒng)的骨材布置方向，保證了骨材按肋位及縱骨間距對(duì)應(yīng)其下方結(jié)構(gòu)，將各橫縱壁當(dāng)作建筑混合結(jié)構(gòu)的承重墻，有利于應(yīng)力的傳遞。但其經(jīng)濟(jì)性較差，應(yīng)用優(yōu)勢不明顯，為此將橫、縱圍壁扶強(qiáng)材設(shè)計(jì)成水平布置（見圖3）。主要通過適當(dāng)增加強(qiáng)豎桁及調(diào)整筋的間隔密度，來保證上層建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，將各橫縱壁比作建筑框架結(jié)構(gòu)的非承重壁，強(qiáng)豎桁主要作為承重柱，支承并傳遞上層甲板的載荷及滿足壓桿穩(wěn)定要求。橫、縱圍壁板統(tǒng)一結(jié)構(gòu)型式，形成通用型。

3.3? ?帶筋板應(yīng)用方案

因主船體是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，受制于鋁-鋁焊接和鋼-鋁過渡接頭的強(qiáng)度限制。目前鋁合金圍壁和甲板用于次要結(jié)構(gòu)和應(yīng)力水平較低的部分，船舶上層建筑符合這一結(jié)構(gòu)范圍，適合使用鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)，帶筋板攪拌摩擦焊焊縫接頭抗拉強(qiáng)度需滿足母材抗拉強(qiáng)度60%以上，鋼-鋁接頭最低剪切強(qiáng)度不小于60 MPa。在鋁合金上層建筑結(jié)構(gòu)性能方面，采用非線性有限元分析，針對(duì)實(shí)船結(jié)構(gòu)，開展鋁合金上層建筑強(qiáng)度評(píng)估，分析鋁合金上層建筑與主船體之間相互作用的應(yīng)力分布，并對(duì)鋁合金上層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力校核；通過用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方法計(jì)算鋼-鋁不同材料上層建筑的應(yīng)力集中系數(shù)，針對(duì)上層建筑端部應(yīng)力集中的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；采用非線性有限元法，開展鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，結(jié)合鋁合金帶筋板常用結(jié)構(gòu)形式，分析影響鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的多種因素；基于非線性有限元法，開展對(duì)鋁合金上層建筑的屈服和屈曲強(qiáng)度的校核，分析得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)校核的危險(xiǎn)區(qū)域[3]。通過采取上述措施，確保鋁合金材料在正常使用的過程中不會(huì)破壞。按DNV規(guī)范要求計(jì)算及有限元分析，設(shè)計(jì)出如下四款帶筋板：

1）SWR01板厚5 mm，HP80x5，骨材間距400 mm；

2）SWR02板厚6 mm，HP80x5，骨材間距400 mm；

3）SWR03板厚7 mm，HP120x7，骨材間距400 mm；

4）SWR04板厚5 mm，HP80x5，骨材間距310 mm。

該船應(yīng)用情況：SWR01帶筋板多用于上層建筑內(nèi)縱壁、內(nèi)橫艙壁及后外橫壁、外內(nèi)側(cè)縱壁（電梯圍井側(cè)壁）；SWR02帶筋板多用于上層建筑后外橫壁、內(nèi)稍強(qiáng)縱壁和橫壁、外縱壁；SWR03帶筋板用于前外橫壁；SWR04帶筋板用于甲板。

3.4? ?材料利用率

使用鋁合金結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)考慮其經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)。如要實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋁合金上層建筑使用帶筋板，船廠分段建造過程中將大量減少焊縫焊接工作量，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量和建造效率，能有效降低上層建筑建造的綜合成本。本船首次在大型客船上使用鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍沒有做到100%，有些結(jié)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)的普通鋁板焊型材結(jié)構(gòu)，完工后，經(jīng)過對(duì)比，使用鋁合金帶筋板經(jīng)濟(jì)成本明顯優(yōu)于普通鋁板焊型材的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，首次使用帶筋板的利用率91%。如果通過提前統(tǒng)籌綜合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)建模完整性出圖、生產(chǎn)工藝節(jié)點(diǎn)優(yōu)化等措施，鋁合金帶筋板的利用率應(yīng)能達(dá)到95%以上。可采取如下兩種措施以提高帶筋板利用率：

1）門窗蓋及大開口，不采用在壁板或甲板上開孔的傳統(tǒng)方法，而是用帶筋板直接圍孔[4]。此方法需提前在帶筋板訂貨前固化門窗蓋開口及大開口，不能在訂貨后修改門窗蓋開口及大開口的尺寸及位置；

2）由于甲板或壁板上要設(shè)置T型材或壁板，需切割此檔位球扁鋁，再焊接結(jié)構(gòu)（T型材或壁板），需優(yōu)化此處的板縫節(jié)點(diǎn)。

4? ? 鋁合金結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)

鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需重點(diǎn)考慮滿足防火A級(jí)分隔要求。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海安委MSC 307（88） （2010 FTPC Code）規(guī)定：鋁合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要等效或高于標(biāo)準(zhǔn)試樣強(qiáng)度，如無法證明，需要對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火試驗(yàn)，并提供試燒報(bào)告，符合后才能為試驗(yàn)的防火絕緣材料提供證書。設(shè)計(jì)的艙壁與甲板結(jié)構(gòu)要符合A 級(jí)分隔5項(xiàng)衡準(zhǔn)的要求，因此需要提前與防火絕緣材料廠商及船級(jí)社溝通。本項(xiàng)目上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后送船級(jí)社審查，船級(jí)社認(rèn)為，鋁合金結(jié)構(gòu)防火A 級(jí)分隔不滿足要求，需要試燒或增大加強(qiáng)筋規(guī)格。經(jīng)協(xié)調(diào)溝通，船級(jí)社最終確認(rèn)優(yōu)化后的鋁合金結(jié)構(gòu)，要求選用有試燒報(bào)告，取得其船級(jí)社認(rèn)可證書的巖棉包敷，等效的結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)A級(jí)耐火試驗(yàn)。此船需在北歐寒區(qū)航線，鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需注意在寒區(qū)作業(yè)時(shí)進(jìn)行伴熱防凍設(shè)計(jì)，并考慮熱脹冷縮變形因素[5]。

5? ? 需要解決的問題

基于鋁合金材料特性，應(yīng)用鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的挑戰(zhàn)，特別是上層建筑參與船舶總縱強(qiáng)度方面，主要有以下方面：

1）鋼結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力、拉伸應(yīng)力以及材料延展性差異較大，共同參與總縱變形導(dǎo)致材料不協(xié)調(diào)；

2）對(duì)于上層建筑連續(xù)甲板及內(nèi)部主豎區(qū)艙壁存在疲勞熱點(diǎn)區(qū)域，由于鋁合金的沖擊韌性較差，很難滿足疲勞的要求；

3）鋼鋁接頭能夠承受的剪切應(yīng)力很小，約60～80 MPa。在最上層連續(xù)甲板處，剪切應(yīng)力較大，通常超過100 MPa，甚至接近200 MPa，圖4為本船鋼鋁接頭剪切應(yīng)力分布示意圖，顯示Deck 9處鋼鋁接頭無法滿足剪切許用應(yīng)力要求；

4）焊接后鋁合金結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力降低明顯[6]，在參與總縱強(qiáng)度的情況下，很難滿足許用應(yīng)力的要求。

綜上所述，在上層建筑區(qū)域全部采用連續(xù)的全鋁結(jié)構(gòu)存在較大難度。如在上層建筑區(qū)域必須采用連續(xù)的鋁合金結(jié)構(gòu)，則宜考慮避免鋁合金結(jié)構(gòu)參與總縱強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。如將連續(xù)結(jié)構(gòu)間斷而采用滑移接頭形式，則需考慮該處的結(jié)構(gòu)連接問題，并考慮風(fēng)雨密、防火等相關(guān)要求。

6? ? ?結(jié)束語

該型客滾船最上層建筑使用鋁合金具有深遠(yuǎn)意義。其為首次在大型客滾船上大量使用鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)用示范作用，創(chuàng)新性較強(qiáng)。目前也已有多項(xiàng)相關(guān)科研課題正在推進(jìn)中。望本文能起到拋磚引玉的作用，為大型船舶上建采用鋁合金帶筋板結(jié)構(gòu)技術(shù)助力。

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作者簡介：梁家日（1979- ），男，工程師。主要從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)工作。

莊? 濤（1982- ），男，工程師。主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2023-08-15