上層建筑(甲板室)參與總縱強度程度分析

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(中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

對于具有多層上層建筑且上層建筑側壁大開口的豪華游輪的上層建筑參與總縱彎曲的程度分析，目前一般的做法是計及強力甲板上最下一層上層建筑(或甲板室)，計算聯(lián)合剖面模數(shù)，即認為除強力甲板上最下一層上層建筑(或甲板室)外，其余更高層的上層建筑(或甲板室)不參與總縱彎曲分析。這一假設是否科學實用，值得探討[1-3]。

1 計算模型概述

1.1 計算模型

主體尺度為L=144 m，B=22.0 m，D=8.2 m，d=4.0 m，Cb=1.0，▽=12 672 t，干舷甲板距船底的距離H=5.8 m。主體上設5層上層建筑，寬度均為19.2 m，高度均為2.4 m，長度從第1層至第5層分別為112、96、82、68、58 m。

主體結構設置800 mm高的雙層底，實肋板間距2 m，設5道底縱桁(縱桁距中距離：0、3.5、7 m)，無實肋板處設置組合肋板。每間隔24 m設置橫艙壁，橫向強框架間距為2 m。船寬方向設置5道甲板縱桁，甲板縱桁下方每間隔4 m設置支柱。由于本文主要分析船體中剖面上層建筑總縱彎曲應力變化規(guī)律，并不作為具體算例，主船艏艉部線型影響很小，不再考慮。

上層建筑結構橫向強框架間距為4 m，甲板設5道甲板縱桁，甲板縱桁下方每間隔4 m設支柱。船體板、梁等主要構件尺寸原則上均按規(guī)范臨界尺寸設計，不再一一列出,見圖1。

圖1 計算模型縱、橫剖面示意

1.2 計算載荷

1)在內(nèi)底板上施加相當水柱高度h=4 m的均布重力載荷。

2)在船底施加按下式計算所得的相當水柱高度h的浮力載荷。

(1)

式中：L——船長，m；

B——船寬，m；

d——吃水，m；

r0——按《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》計算得到的半波高，m，r0=1.787 m。

3)舷側施加按上式變化的線性側壓力載荷。

1.3 邊界條件

為消除剛體位移，選取船艏中縱剖面與船底交線上一點施加縱向、橫向、垂向線位移約束，選取船艉實肋板與船底交線一端施加垂向線位移約束，另一端施加橫向、垂向線位移約束。

2 上層建筑(甲板室)參與總縱彎曲程度分析

2.1 上層建筑層數(shù)對總縱彎曲影響分析

保持主體結構不變，分別計算不同層數(shù)上層建筑時各層甲板的彎曲應力。不同層數(shù)上層建筑時船體梁橫剖面彎曲應力計算結果見表1。

不同層數(shù)上層建筑時船體梁橫剖面彎曲應力分布圖見圖2。

表1 各層上層建筑甲板總縱彎曲應力計算值 MPa

圖2 不同層數(shù)上層建筑時船體梁橫剖面彎曲力應力分布圖

由以上結果可見，當上層建筑側壁無開口時，并非只有強力甲板上第一層上層建筑具有參與總縱彎曲的能力。當強力甲板上具有4層上層建筑時，有限元計算得到的結果與等值梁分析結果基本吻合，若將主船體與上層建筑一起看做船體梁，此時梁的長深比l/d約為8;而當上層建筑層數(shù)達到5層時，有限元結果與等值梁分析結果出現(xiàn)了較明顯的差異。另外從長度上來看，第4層上層建筑長度接近主船體長度的一半，越往下上層建筑長度越長。所以綜合以上分析，當上層建筑側壁無開口、長度約為主船體長度的一半以上，且船體梁長深比在8以上時，各層上層建筑甲板均可以較好地參與總縱彎曲，且彎曲應力與等值梁結果較為接近。

2.2 側壁開口對上層建筑參與總縱彎曲程度的影響分析

選取具有5層上層建筑的模型，并在各層上層建筑側壁作如下開口變化，見表2。

表2 上層建筑側壁開口變化

注：lk—側壁開口總長度;ls—側壁長度;H—側壁高度。

各種開口情況下各層甲板總縱彎曲應力計算結果見表3。

表3 不同側壁開口尺寸下各層甲板總縱彎曲應力 MPa

各開口尺寸下甲板總縱彎曲應力分布見圖3，圖中“0.2-0.6”表示側壁開口總長度為側壁長度的0.2倍，開口高度為側壁高度的0.6倍，以此類推。

圖3 各種開口尺寸下甲板總縱彎曲應力分布

由計算結果可見，當上層建筑側壁帶有開口時，有限元計算結果與等值梁結果差異很大，這說明此時不能應用等值梁理論計算船體總縱彎曲應力。上層建筑側壁開口(包括開口長度和高度)對其參與總縱彎曲影響很大，而尤以開口長度的影響更為顯著。總體來看，強力甲板以上各層甲板總縱彎曲應力逐漸降低，當開口長度在0.4倍側壁長度以內(nèi),開口高度在0.6倍側壁高度以內(nèi)時，強力甲板以上最低一層上層建筑在很大程度上還是參與了總縱彎曲的;當超過這一范圍時，各層上層建筑甲板總縱彎曲應力迅速下降，可以認為此時產(chǎn)生的總縱彎矩主要由主船體承受。考慮到實際情況，目前豪華游輪上層建筑開口尺寸普遍較大，因此其主船體將承受相對較大的總縱彎曲應力，故在進行總縱強度計算時應重點校核船底與甲板的應力。

2.3 雙甲板船上甲板側壁距舷側距離變化對總縱彎曲的影響分析

選取無上層建筑的主體模型，干舷甲板以上的舷側結構距船舷的距離Δb做如下變化：

Δb=0,Δb=0.02B、Δb=0.04B、Δb=0.05B

式中：B——船寬。

總縱彎曲應力計算結果見表4。

表4 雙甲板船上甲板側壁距舷側距離變化時橫剖面彎曲應力

由表4可見，對于雙甲板客船，干舷甲板與上甲板之間的側壁不一定是舷側結構的垂直延續(xù)，其距舷側的距離在船寬的0.05倍以內(nèi)時，對上甲板作為強力甲板參與總縱彎曲幾乎沒有影響。

3 結論

1)當上層建筑(或甲板室)側壁無開口，上層建筑長度約為主船體長度的0.5倍以上，且船體梁長深比在8以上時，各層上層建筑甲板均可以較好地參與總縱彎曲，其應力分布基本為線性，與等值梁結果較為吻合。上層建筑隨層數(shù)的增多及長度的減小其參與總縱彎曲的程度逐步減弱。

2)上層建筑(或甲板室)側壁上的開孔總長度和開孔高度，對其參與總縱彎曲的程度有顯著影響，其中開孔總長度的影響更為明顯。當開口長度在0.4倍側壁長度以內(nèi)，且開口高度在0.6倍側壁高度以內(nèi)時，強力甲板以上最低一層上層建筑甲板總縱彎曲應力水平與強力甲板相當。結合實際情況，當前豪華游輪上層建筑開口較大，側壁開口總長度一般超過側壁長度的0.6倍，開口高度也在側壁高度的0.6倍以上，此時上層建筑甲板總縱彎曲應力迅速下降，主要由主船體承受總縱彎曲。

3)對于雙甲板客船，干舷甲板與上甲板之間的側壁可以不是舷側結構的垂直延續(xù)。計算結果表明，當側壁距舷側板的距離小于船寬的0.05倍時，上甲板仍然可以完全有效地參與總縱彎曲，這說明在一個小的范圍內(nèi)，側壁距舷側的距離變化對上甲板參與總縱彎曲沒有顯著影響。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2] 于紀軍,鄭宏宇,譚開忍,等.上層建筑有效度分析[J].中國造船,2011, 52(3):138-148.

[3] 陳慶強,朱勝昌.上層建筑一體化船型的船體梁總縱強度計算方法研究[J].船舶力學,2011, 15(10):145-150.