多橋段裝船加固結構設計計算

顧君君，任廣智，劉志良

（北京裕維工程技術有限公司，北京 100010）

0 引 言

結構物的海上運輸越來越頻繁，而海運環境復雜多變，極易造成沉船事故[1]，因此，對運輸安全性應給以足夠重視。安全運輸一方面通過對運輸船的配載、穩性計算以及運動分析計算校核來保證，另一方面通過對裝船結構物合理可靠的支撐加固來確保。在前者計算合理的前提下，后者就顯得格外重要。本文從工程實際出發，以駁船運輸桁架橋橋段為例，詳細介紹各橋段裝船加固結構的設計及計算。

1 橋段布置及加固結構

桁架橋被分成4個橋段裝船運輸，其中橋段1和4相同，重量為86t，長度為57.5m，橋段2和3相同，重量為82t，長度為58.2m。

綜合考慮橋段及駁船的情況，將橋段1和橋段2、橋段4和3分組對稱放置在駁船兩側，橋段支撐結構的初步設計如圖1所示。兩側橋段總重心在駁船甲板以上 3.8m。橋段1和4的重心在甲板以上4.65m，橋段2和3的重心在甲板以上2.90m。

圖1 橫截面布置

根據經驗，初步確定中間支撐結構如圖2所示，計算拖航荷載并作強度驗算。其中斜支撐管φ219×16的底端與駁船甲板焊接，水平工字鋼HEA700的兩端與駁船甲板焊接。

圖2 中間支撐結構（左側對稱）

2 支撐反力計算

拖航過程中各橋段所受荷載包括橫搖、縱搖、升沉及重力[3]。首先分別計算各個荷載作用，然后按各種可能情況進行荷載組合，確定最不利工況，并進一步校核加固支撐結構的強度。

為簡便起見，計算中忽略橋段與支撐結構間的摩擦力，并假定縱向力全部由兩端的支撐結構承擔。由于各橋段沿駁船縱軸對稱布置，故以一側的橋段（橋段4和3）為例，計算駁船拖航過程中橋段受到的慣性力。橋段4和3的支撐布置及編號如圖3所示。

拖航過程中，駁船的搖擺周期為10s，單邊最大橫搖角25°，最大縱搖角15°，升沉荷載0.2mg。

2.1 橫搖荷載

駁船搖擺中心在吃水線平面[2]，駁船繞縱軸（或橫軸）的角運動方程：

式中：0ψ——單邊最大角位移，rad；

ω——角運動頻率，rad/s；

α——外力與運動之間的相位差，rad。

角加速度方程：

代入橫搖角度及周期，得到橫搖最大角加速度為 - 0.17 226 rad/s2。

2.1.1 橋段3橫搖計算

如圖4所示，橋段3橫搖最大慣性力：

式中，m——橋段質量，t；β——角加速度，rad/s2；r——橋段重心至搖擺中心的距離，m。

F在水平及豎直方向的分力：

Fy=Fcosφ =72.8kN，Fz=Fsinφ=-59.7kN

橋段3的重力沿駁船水平及豎向分解：

水平 Y 方向： m g s in25° = 3 39.6kN，豎向 Z 方向： m g c os25° =- 7 28.3kN

重力與橫搖荷載組合：

Y 方向：72.8+339.6=412.4kN，Z 方向：-59.7-728.3=-788kN

圖4 橋段3的橫搖荷載

2.1.2 橋段4橫搖計算

如圖5所示，與橋段3類似，計算得到橋段4的橫搖工況荷載組合：

Y方向：102.2+356.2=458.4kN，Z方向：-81.1-763.8=-844.9kN

2.2 縱搖荷載

縱搖運動產生沿駁船縱軸方向（X軸方向）的荷載，縱搖角為15°，縱搖運動過程中的最大角加速度為 β =-0 .10 335rad/s2，考慮艏傾情況。參考橫搖計算過程，進行縱搖荷載計算。

2.2.1 橋段3縱搖計算

重心在水線面以上5.15m，縱搖產生X方向荷載：

F=82 × 0 .10335× 5 .15 = 4 3.6kN

重力分解：

X方向： m g s in15° = 2 08.0kN，Z方向： m g c os15° =-7 76.2kN

圖5 橋段4的橫搖荷載

2.2.2 橋段4縱搖計算

重心在水線面以上6.9m，縱搖產生X方向荷載：

F=86 × 0 .10335× 6.9 = 6 1.3kN

重力分解

X方向： m g s in15° = 2 18.1kN，Z方向： m g c os15° =- 8 14.1kN

2.3 升沉荷載

升沉運動產生的Z方向最大荷載為 -0 .2mg，橫搖時升沉荷載分解如下：

Y方向分力：0.2 m g s in25°，Z方向分力： -0.2 m g cos25°

縱搖時升沉荷載分解：

X方向分力：0.2 m g s in15°，Z方向分力： -0.2 m g cos15°

2.4 荷載組合

橋段在支撐結構上簡支，且支撐結構沿橋段重心對稱布置（圖3），所以拖航荷載在同方向支撐上均勻分配，由此將以上所得各荷載進行分配及組合，得到各工況的支撐反力如表 1、2所示。可知，對于中間支撐結構，橫搖與升沉的組合是最不利工況。

表1 橋段3的荷載組合 kN

表2 橋段4的荷載組合 kN

3 支撐結構強度計算

與橋段4和3類似，計算得到橋段1和2的支撐反力，將所得荷載考慮1.5的安全系數施加到中間支撐結構上，驗算其強度。強度計算采用有限元分析軟件SACS，圖6為有限元計算模型及荷載。根據圖2所示，假定荷載全部作用在橫梁中點，斜向支撐管φ219×16及水平工字鋼HEA700在與駁船甲板焊接處簡化為點約束，約束空間3個位移自由度。

有限元計算結果如圖7所示，各桿件UC值（unity check value，實際計算所得結果與規范允許值之比）均小于1，所以支撐結構的強度滿足要求。

圖6 中間支撐結構模型及荷載，kN

圖7 桿件UC值

4 結 語

本文的計算結果說明：初步設計的加固結構滿足強度要求，在拖航過程中能夠提供可靠的支撐，確保運輸安全。

限于篇幅，本文沒有討論支撐結構與駁船甲板的連接及連接處駁船的承載強度。在實際工程中，需要根據駁船具體參數及運輸過程中受到的波浪、風等荷載[4,5]對駁船進行強度及穩性計算，必要時還需對駁船甲板結構進行局部加強。

[1] 橫 銳. 科學規范完善體制遏制重大惡性事故發生[J]. 世界海運，2000, (3): 14-16.

[2] 中國船級社. 《海上拖航指南》[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[3] 盛振邦，劉應中. 《船舶原理》[M]. 上海：上海交通大學出版社，2003.

[4] 吳小平，陸 晟. 自升式鉆井平臺環境載荷及結構強度[J]. 上海造船，2010, (3): 36-40.

[5] 吳小平. 基于切片理論的波浪載荷直接計算[J]. 上海造船，2010, (4): 21-25.