橫向圍壁設置對大跨度雙層甲板彎曲特性的影響分析

湯雅敏，張世聯

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

橫向圍壁設置對大跨度雙層甲板彎曲特性的影響分析

湯雅敏，張世聯

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

針對大跨度單層甲板橫向彎曲剛度偏弱的特點，探討在2層大跨度單層甲板之間設置若干橫向圍壁，使其形成大跨度雙層箱型甲板，并采用結構有限元數值分析方法對其進行計算，討論設置橫向圍壁對大跨度雙層甲板彎曲特性的影響。文中給出橫向圍壁間距與大跨度雙層甲板變形和應力的關系曲線，引入了用于橫向圍壁結構初步設計的橫向圍壁載荷與其間距關系的有效承載系數。研究結果表明：設置橫向圍壁的大跨度雙層甲板，可解決大跨度單層甲板橫向彎曲剛度偏弱的問題。

大跨度雙層甲板；橫向圍壁；剛度；有效承載系數

0 引 言

對于大型滾裝船、特種軍輔船、航母等大型通艙船，為了方便車輛、特種可移動裝備的通行，其艙內通常不設支柱。另外，對于大型客船，隨著內部美觀性和空間視覺效果需求逐漸增加，取消客艙內的支柱而采用無支柱大跨度甲板板架的設計也愈加為人們所喜愛[1]。這些通艙設計長度可達100 m，寬度在20 m以上[2]，使得通艙頂部的甲板在橫向成為大跨度單層甲板。

大跨度單層甲板由于其橫向跨度大，其結構型式一般設計為橫骨架式，也可設計成縱骨架式。為了滿足大跨度單層甲板的橫向剛度、強度和穩定性的要求，則需要設計較大尺寸的橫梁或強橫梁，這樣不僅會導致結構重量增加，而且也會占用有限艙室的空間。故而，大跨度甲板存在剛度和強度不足的問題，有待采用新的結構布置形式給予解決。

目前，針對大跨度單層甲板的布置形式有較多研究[1–3]，大多針對單層甲板構件進行設計優化。田雷[3]基于強度考慮，認為橫骨架式要在應力和變形方面要優于縱骨架式。萬琪等[1,3]基于甲板強度和穩定性條件對大跨度甲板構件進行優化設計，對大跨度甲板強構件和縱骨的結構型式和截面尺寸提出了優化設計方法。另外，針對圍壁加筋板設計，國內外學者通過理論解析法、有限元法、實驗法等多種方法分析加筋板格的強度、屈曲和極限強度[4–6]。LR規范[7]和船舶結構強度設計[9]中以保證橫骨架式板架整體穩定性為前提，提出對面內受壓的橫骨架式板架上次要加強構件的必須彎曲剛度。對于大跨度單層甲板結構的彎曲剛度和強度偏弱的問題，如何在大跨度單層甲板之間設置適當的橫向圍壁及采用新的結構型式，以提高其橫向彎曲剛度和彎曲強度，目前研究尚少。

為提高大跨度橫向板架彎曲剛度，目前考慮采用新的結構布置形式，在大型通艙頂部以上的單層甲板間設置若干橫向圍壁，使其形成大跨度箱形雙層甲板，并采用縱桁支撐橫梁的結構型式，使得大跨度橫向構件變成小跨度構件，以提高大跨度雙層甲板整體結構和局部甲板板架彎曲剛度和彎曲強度。

本文基于大跨度雙層甲板這一新的結構型式，采用結構有限元數值分析方法對其進行計算，給出橫向圍壁間距與大跨度雙層甲板變形和應力大小關系曲線，分析得到較優的橫向圍壁設計間距，同時引入用于橫向圍壁結構初步設計的橫向圍壁載荷與其間距關系的有效承載系數。研究結果表明：設置橫向圍壁的大跨度雙層甲板，可解決大跨度單層甲板橫向彎曲剛度偏弱的難題。

為了便于比較，下面首先對大跨度單層甲板的橫向彎曲特性進行計算分析。

1 大跨度單層甲板橫向彎曲特性分析

為分析大跨度單層甲板的強度和剛度特性，以某船大型通艙的艙段為研究對象進行計算分析。通艙艙段的選取范圍：沿船長方向長28.8 m，船寬方向至兩舷，高度方向為1甲板～3甲板。大跨度單層甲板結構型式為縱骨架式，1, 2甲板之間層高3 m，橫向大跨度無支撐區域寬b=20 m，肋距0.6 m，其橫剖面如圖1（a）所示。大跨度單層甲板的主要構件尺寸見表1。

1.1 結構有限元模型

大跨度單層甲板的結構有限元模型采用MSC/PATRAN有限元分析軟件建立板梁混合模型，甲板板和主要構件腹板采用板單元，主要構件面板和縱骨采用梁單元，建立的有限元模型如圖1（b）所示。

模型材料：選用Q355鋼，其材料密度γ=7.80 t/m3，屈服強度σs=355 MPa，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3。

模型邊界條件：為減小邊界條件對單層甲板計算結果的影響，在3甲板與縱艙壁和舷側板相交處約束X，Y，Z方向線位移，如圖1（b）所示；

模型施加載荷：在模型1甲板上施加均布載荷q1=20 kPa，在模型四甲板上施加均布載荷q2=10 kPa，施加區域如圖1（a）所示。

表 1 大跨度單層甲板構件尺寸Tab. 1 Structural dimension of large-span single deck

1.2 計算結果

根據大跨度單層甲板結構有限元模型的計算結果，大跨度單層甲板變形如圖2所示，從圖中可以看出，大跨度1，2單層甲板最大位移發生甲板上船中y=0的位置處，整體橫向變形都呈現筒形彎曲狀態的特征。

1，2甲板強橫梁最大變形和應力見表2，從表2中可以看出，1，2甲板強橫梁最大變形vmax均遠大于設計衡準[v]，1甲板強橫梁最大應力σmax也大于設計衡準[σ]。

表 2 1，2甲板強橫梁最大變形和應力Tab. 2 vmaxand σmaxof web beam

由于大跨度單層甲板橫向彎曲剛度較弱，可采用增大強橫梁腹板高度提高其彎曲剛度。經計算，若要滿足設計衡準[v]=20 mm，則甲板強橫梁腹板高度將達到h腹板=1.4 m左右。而1，2甲板之間層高僅h1-2=3 m，這樣的構件尺寸會嚴重影響1甲板與2甲板之間的有效層高，同時也大大增加船體重量，明顯不可行。

2 大跨度雙層甲板結構設計

根據新的結構布置形式，某船在通艙頂部的1，2甲板之間設置橫向圍壁，橫向圍壁結構尺寸：板厚t=7 mm、垂直扶強材HP120×6，甲板結構型式采用縱骨架式。為了分析大跨度雙層甲板的彎曲特性與橫向圍壁間距S之間變化關系，在兼顧了1，2甲板之間艙室布置的需求基礎上，選取4個橫向圍壁間距S= 4.8 m，9.6 m，14.4 m，28.8 m進行艙段結構有限元計算。這里僅給出了橫向圍壁間距S=4.8 m的艙段有限元模型，如圖3所示。

2.1 大跨度雙層甲板彎曲特性

根據艙段有限元模型的計算結果，表3列出了大跨度雙層甲板橫向圍壁和強橫梁對應不同橫向圍壁間距S的最大變形和最大應力。

2.1.1 橫向圍壁、強橫梁彎曲變形特征

不同橫向圍壁間距S下大跨度雙層箱型甲板的變形如圖4所示，從圖4中可以看出：

1）大跨度雙層箱型甲板的整體變形呈筒形彎曲形狀，圖4（a）最為明顯。

2）橫向圍壁之間的變形為甲板的局部變形，隨著橫向圍壁間距逐漸增大，甲板的變形逐漸呈鍋底狀，圖4（d）模型中部范圍變形與單甲板變形一樣呈筒形彎曲。

表 3 大跨度雙層甲板上的最大變形和最大應力Tab. 3 Stress and deformation of large-span double deck

為分析不同橫向圍壁間距S對于橫向圍壁和強橫梁變形變化的影響，圖5給出了橫向圍壁和強橫梁變形v與橫向圍壁間距S的關系曲線。

從圖5曲線可以看出：

1）橫向圍壁的變形v隨著橫向圍壁間距S的變化而變化，曲線形狀類似拋物線。最大變形出現在橫向圍壁間距S=14.4 m附近；當S＜14.4 m時，變形v隨間距S增大而變大；當S＞14.4 m時，變形v隨間距S增大而變小。

2）強橫梁的變形v隨著橫向圍壁間距S的增大而變大。

3）橫向圍壁的最大變形vmax=11.4 mm＜＜[v]。

4）當S＞9.6 m時，強橫梁的變形v＞[v]；若強橫梁滿足許用變形[v]的要求，則橫向圍壁間距S≤9.6 m。

2.1.2 橫向圍壁、強橫梁彎曲應力特征

同樣為分析橫向圍壁間距S對橫向圍壁和強橫梁應力變化的影響，圖6給出了橫向圍壁應力（σb、τ）和強橫梁彎曲應力σb隨橫向圍壁間距S的變化曲線。從圖6曲線中可以看出：

1）橫向圍壁的彎曲應力σb和剪應力τ隨橫向圍壁間距S的變化趨勢與橫向圍壁變形的變化趨勢基本相同（見圖5），在間距S=14.4 m附近應力出現峰值。其中，剪應力τ 隨間距S的變化梯度較大。

2）強橫梁的應力σb隨著橫向圍壁間距S的增大而變大，變化趨勢也與其變形的變化趨勢一樣（見圖5）。

2.2 橫向圍壁有效承載系數

根據常規的設計方法，如果甲板結構型式為縱骨架式，縱骨由強橫梁支撐，強橫梁由縱桁支撐，縱桁由橫圍壁支撐，那么橫向圍壁上的設計載荷Q=qbS（其中，q為甲板均布荷重）。實際上，強橫梁上載荷不完全由縱桁承受，與它們之間的相對彎曲剛度大小有關，在大跨度雙層甲板計算中得到的橫向圍壁實際承受載荷可以說明這一點（見表4）。

表 4 橫向圍壁設計載荷和實際承載Tab. 4 Q and Q0of transverse bulkhead

為了分析橫向圍壁間距S對有效承載系數 η 的影響趨勢，圖7和圖8分別給出了有效承載系數 η 和實際承受載荷Q隨橫向圍壁間距S的變化曲線。

從圖7和圖8中可以看出：

1）當S≥4.8 m時，橫向圍壁上的最大有效承擔載荷只占70%以下，常規方法設計載荷Q0明顯偏于保守，因此可考慮有效承載系數 η 以優化結構尺寸。

2）有效承載系數 η 隨橫向圍壁間距S增大而減小，在S=14.4 m附近，橫向圍壁實際承受的載荷存在最大值Qmax。其原因主要是：隨著橫向圍壁間距S的增大，縱桁彎曲剛度逐漸減弱，其對強橫梁的支撐作用逐漸降低，當間距S過大時，強橫梁彎曲剛度大于縱桁彎曲剛度，其承受載荷大部分將由兩側縱艙壁承受。因此，大跨度雙層甲板的橫向圍壁結構采用常規設計載荷進行設計不合理。

3）橫向圍壁實際承受載荷Q隨橫向圍壁間距S的變化曲線形狀也呈拋物線，橫向圍壁的彎曲特性的變化與其載荷變化趨勢相一致（見圖5和圖6（a）），這符合結構的外力與響應關系。

2.3 大跨度單、雙層甲板彎曲特性比較

根據有限元計算結果，大跨度單、雙層甲板彎曲變形和應力的計算和比較結果如表5所示。

從表5中可以看出：

表 5 大跨度單、雙層甲板彎曲變形和應力表Tab. 5 Deformation and stress of single deck and double deck

1）在給定的甲板構件尺寸條件下，當橫向圍壁間距S≤9.6 m，大跨度雙層甲板的最大變形v為單層甲板的30%或更小，遠小于大跨度單層甲板的變形，滿足變形衡準[v]。

2）當橫向圍壁間距S＞9.6 m時，雖然可便于艙室布置，但是大跨度雙層甲板變形超出衡準。特別當橫向圍壁間距S過大或S=28.8 m左右時，橫向圍壁的作用已喪失，因為此時的大跨度雙層甲板的最大變形與大跨度單層甲板基本一樣。

3 結 語

通過基于大跨度雙層甲板這一新的結構型式彎曲特性的計算與分析，結論如下：

1）設置橫向圍壁的大跨度雙層甲板可解決大跨度單層甲板橫向彎曲剛度偏弱的問題。

2）常規設計載荷方法不太適合大跨度雙層甲板的橫向圍壁結構設計。

[1]彭勇剛. 基于Workbench平臺的大跨度甲板板架結構優化分析[J]. 中國水運, 2014, 14(3): 11–14. PENG Yong-gang. Optimization analysis of large-span Deck based on ANSYS-Workbench[J]. China Water Transport, 2014, 14(3): 11–14.

[2]萬琪, 王福花. 大跨度無支撐甲板縱向穩定性分析和優化設計[J]. 中國造船, 2011, 52(1). 17–25. WAN Qi, WANG Fu-hua. Longitudinal stability analysis and optimum desing of supportless long-span deck structure[J]. Shipbuilding of China, 2011, 52(1). 17–25.

[3]田雷. 大跨度無支撐甲板室的兩種骨架形式比較[J]. 中國水運, 2014, 14(3): 15–20. TIAN Lei. Comparison of two framing structure forms for supportless long-span deck[J]. China Water Transport, 2014, 14(3): 15–20.

[4]黎順生. 加筋板極限強度計算與分析[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2005. 8–22. LI Shun-sheng. Ultimate strength calculation and analysis of stiffened plate[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2005. 8–22.

[5]劉春香, 李陳峰, 任慧龍, 等. 大跨度板架屈曲分析的非線性有限元法[J]. 艦船科學技術, 2013, 35(1): 46–50. LIU Xiang-chun, LI Chen-feng, REN Hui-long, et al. The NFEM for buckling anlysis of large-span Grillage[J]. Ship Science and Technology, 2013, 35(1): 46–50.

[6]喬遲, 張世聯. 大跨度加筋板架優化設計研究[J]. 艦船科學技術, 2015, 37(8): 23–26. QIAO Chi, ZHANG Shi-lian. Optimization design of large-span stiffened panel[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(8): 23–26.

[7]Lloyd’s Register of shipping. Rules and regulations for the classification of naval ships[M]. Lloyd’s Register of shipping, 2014.

[8]中國船級社. 鋼質海船入級與建造規范[M]. 人民交通出版社, 2012.

[9]楊代盛. 船體強度與結構設計[M]. 北京: 國防工業出版社, 1982.

Effect of transverse bulkhead arrangement on the flexural characteristics of large-span double deck

TANG Ya-min, ZHANG Shi-lian
(School of Naval Architecture Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Considering the weak transverse flexural rigidity of large-span single deck, transverse bulkheads are arranged between two decks to form the large-span double deck. The influence of transverse bulkhead arrangement on the flexural characteristics of large-span double deck is discussed based on the structural finite element method. In this paper, the relation curve of deformation and stress for large-span double deck to bulkhead spacing is obtained and effective load-carrying coefficient is introduced for preliminary design of transverse bulkhead structure. The analysis results show that the design of large-span double deck can solve the problem of weak transverse flexural rigidity of large-span single deck.

large-span；transverse bulkhead；rigidity；effective load-carrying coefficient

U661.43

A

1672 – 7649(2017)08 – 0012 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.003

2016 – 11 – 24；

2016 – 12 – 23

湯雅敏(1992 – )，女，碩士研究生，主要從事船舶海洋結構設計相關研究工作。