工程船梯架及船體支撐結構的強度評估

2018-04-20 03:00:23張士天

上海船舶運輸科學研究所學報 2018年1期

張士天

(金海智造股份有限公司，上海 200122)

0　引　言

近年來，各類工程船的技術迅速發展，一些具備居住功能的工程船，通常需安裝梯架及過橋，這兩個裝置可為往來于海洋平臺與工程船間的海上施工人員提供安全通道。

海洋工程物的結構強度是各類安全要求中最基本和最重要的一項。工程船上的梯架通常采用露天設置，它不僅為海上工程人員提供日常通行的安全通道，還要保證人員可在惡劣天氣下撤離。在復雜的工況中，此類露天梯架及其支撐結構除要承受其自身的質量及人員活動的載荷外，還需考慮不同狀況下的風載及加速度。為確保在惡劣海況下梯架及船體支撐結構具備足夠的安全性，需對梯架和船體支撐結構的強度設計進行分析。

1　梯架裝置和支撐結構的特點

梯架一般布置于工程船過橋裝置旁，為鋼質或鋁質的多層焊接結構。梯架裝置主要由數個塔體、梯架平臺和登程樓梯等3部分組成。梯架的通道一般按照SOLAS要求布置，設2個獨立的梯道。此外，道達爾等石油公司也有一些特殊性的要求，需視用戶方的具體要求作進一步考慮。

由于作業人員登乘的海洋平臺高度通常遠高于工程船的甲板高度，因此梯架的塔體高度較高，塔體高度為5～20 m，需至少設置2套斜梯。此外，為確保安全，在人員活動的區域需設置滿足SOLAS要求的欄桿和安全網。梯架的平臺可采用花鋼板或隔柵板制作，梯架材質可采用鋼、鋁或玻璃鋼。典型梯架見圖1。

圖1　典型梯架結構

梯架的船體支撐結構采用船級社認可的船用鋼材，塔體與船體的連接方式有2種，可采用焊接連接，鋁制塔體也可通過螺栓緊固的方式連接在船體上。鋼塔立柱處的船體結構需根據強度分析結果予以加強。

這里所評估的梯架為雙塔、雙梯道式的鋼質梯架，設計安裝于某鋪管船舶艉部，該船的主要尺度見表1。

2　工況的選擇

根據運營企業的海上實際操作經驗，工況需包含活動載荷、風載荷、加速度及斜梯載荷等基本載荷，同時考慮到船舶受x和y兩種不同風向的風，故設置2種基本計算工況，見表2。

表1　船舶主尺度

表2　工況匯總表

3　載荷計算

3.1　載荷計算簡述

根據梯架裝置的海上使用情況，船舶上的梯架裝置通常承受著人員活動載荷及船舶隨波運動過程中的加速度。此外，由于梯架裝置是露天設置，所以對梯架塔體基座處的支撐結構，除需考慮整個裝置的自重外，還需考慮梯架裝置所承受的風載荷。

3.2　設計載荷

自重載荷匯總表見表3。

3.2.1活動載荷

活動載荷的單元載荷按300 kg/ m2的均布載荷考慮，根據梯架平臺和樓梯的實際面積可分別算出各處總的活動載荷，活動載荷見表4。

表3　自重載荷

表4　活動載荷

3.2.2風載荷

梯架裝置上的風載荷由裝置所處水平高度的風速所確定，設計風速為35.0 m/s。為便于計算，對分析模型作以下假定[1]:

(1) 任一受風構件的風力與風向一致并假定為均布載荷；

(2) 受風時，不考慮立柱或其他結構間的相互遮蔽作用；

(3) 船體水上部分所受的風力與水下部分的水阻力相平衡；

(4) 不計船舶繞z軸旋轉的影響。

風力按照歐盟相關的標準[2]計算確定，其基礎風壓按下式為

(1)

梯架的體積系數φ可由下式可得

(2)

式(2)中：A為全部構件的投影面積(見圖2和圖3)。Ac為封閉區域的面積。

圖2　梯架的側投影面積

圖3　梯架的正投影面積

據此，可分別計算出不同工況下的系數,φLC01=0.23,可知載荷系數為cf=1.6；φLC02=0.32，可知載荷系數為cf=1.6。

考慮到屏蔽作用影響，對于φ≤0.6時，則

(3)

式(3)中：a為梯架寬度(9 650 mm， 7 007 mm)；b為梯架高度(7 007 mm，9 650 mm)。

經計算可知，βLC01=0.739，βLC02=0.660。

風載荷為

Fw=(1+β)cfArefq

(4)

式(4)中：cf為載荷系數；Aref為參考投影面積。

根據不同工況下的風載荷，可計算得到Fw LD01=58.92 kN；Fw LD02=59.37 kN。

3.2.3梯架斜梯的載荷

該船梯架設有4對鋼質斜梯，采用簡化計算模型的方法，將斜梯自重及其所承受的載荷進行換算得出斜梯兩端的載荷后，以集中載荷的形式施加在梯架有限元模型相應的位置(見圖4)。

a) 斜梯載荷示意圖

b) 斜梯載荷受力簡圖

根據力學平衡原理，則

F2=f2+N2

(5)

Gtotal×LSPAN/2×sin40°+L′×LSPAN×cos40°=0

(6)

Gtotal=W+nWLIVE

(7)

式(5)～式(7)中：W為單個斜梯的自重，約為4.61 kN；n為踏板的數量，n=14;WLIVE為活動載荷,每個踏板取100 kg。各力結果匯總于表5。

船舶運動的加速度見表6。基本載荷匯總見表7。

表5　斜梯相關載荷

表6　船舶運動加速度

表7　基本載荷

4　有限元模型介紹及結果分析

4.1　有限元模型

強度設計采用有限元直接計算法對梯架和工程船船體支撐結構的屈服強度進行靜力學分析。

有限元模型采用笛卡兒右手坐標系，模型的x軸正向指向船首，y軸正向指向左舷，z軸正向垂直向上，模型采用封閉的國際單位制。模型中梯架的縱、橫向鋼梁采用梁單元模擬，斜撐采用桿單元模擬。船體支撐結構的甲板板、舷側外板、縱艙壁板、橫艙壁板、強橫梁和縱桁的腹板、筒體結構板采用二維殼元模擬。甲板縱骨、艙壁扶強材及舷側縱骨等次要構件采用梁單元模擬。

模型的非自由邊約束x，y，z等3個方向的移動自由度。船體及加強結構材料主要為船用普通鋼，泊松比為0.3，彈性模量取2.06×108MPa，密度為7.85 t/m3。

4.2　設計衡準

可對單元的合成應力[3]進行評估，通過有限元計算，可直接得到各設計工況下的單元的應力。參考美國船級社船級社規范[4]，結構的許用合成應力不應超過Fy/Fs，其中Fy為材料的屈服強度315 N/mm2，Fs為安全系數，對于混合載荷時的合成應力取值為1.25 MPa，剪切應力取1.88 MPa。應力計算結果輸出見圖5～圖7。