半潛船首樓上建整體提拉吊梁設計及強度驗證

張金鐘

（招商局重工（深圳）有限公司 深圳518067）

引 言

半潛船是指專門從事運輸大型海上石油鉆井平臺、大型艦船以及潛艇等超長、超重且無法分割吊運的超大型設備的特種海運船舶。由于公司龍門吊起升高度及吊裝載荷受限，并且為了提高生產效率，擴大作業面，故決定采用船首樓上建整體提拉的施工方法（見下頁圖1）。［1］其中，提升吊梁的設計又是施工方案能否成功的關鍵。

1 首樓上建主要參數

該船首樓上建的主尺度為：長約39.9 m、寬約42 m、高約31.9 m、重約4 307 t。其重心位于縱向FR240-40 mm處，橫向距中0 m、高度方向距總段底部14.8 m。

2 吊梁設計

2.1 吊梁布置位置選擇

2.1.1 吊梁布置的難點

由于半潛船首樓部分是弧線形結構，導致各個部分的結構形式不同，根據經驗可判定靠近首部的強度較弱。因此，根據各部分結構的特點選擇合理的布置位置，使之既能滿足強度要求，又能最大限度地減少對主結構的修改，成為吊梁布置迫切需要解決的問題。［2］

2.1.2 吊梁布置的解決方案

2.1.2.1 準確確定首樓上建的重心位置

首樓上建的重心位置對整個吊梁的布置起到決定性作用，因此如何準確獲得首樓上建的重心位置，成了吊梁布置的核心問題。為此船廠應用三維建模軟件HD-SPD，對首樓上建每個部分（包括設備，管系等）均進行建模，通過實體建模，準確獲得物體的重心位置，最終的重心位置見圖2。

2.1.2.2 由重心水平位置確定吊梁橫向布置位置

從圖2可以看出，重心位置左側共有7道強框，右側共有共9道強框，因此可以判斷有兩種方案，即2個強框1個梁（見圖3）以及3個強框1個梁（見圖4）。后經充分考慮，認為3個強框太大，跟首樓接觸的部分過多，材料利用率不高，并且焊接的工作量太大，后期切割浪費時間，故最終確定采用2個強框的方案。

2.1.2.3 由垂向重心高度及有限元計算確定吊梁的上下布置位置

2個強框的方案確定后，從圖5可以看出首樓部分有5個水平方向強框可供選擇，具體可基于以下幾個方面進行選擇：

① 重心垂向位置；② 整體強度要求；

③ 連接部分改動最小；

④ 施工便捷性（即方便拆、裝）。

重心的垂向位置對吊梁的影響主要體現在當整體結構在提升過程中有一定傾斜時，對吊梁的強度會有較大影響，所以吊梁垂向高度盡量與總體結構重心垂向高度一致。為此公司選擇了3種可行方案（見下頁圖6-圖8），并對每種方案分別進行有限元計算。［3-4］計算結果顯示3種方案均滿足整體強度要求。不過，方案3與外板接觸較多，故不作考慮。方案1與方案2對連接部分的改動相差不大，但方案1施工便捷性高于方 案2，因此最終選擇方案1。方案1的有限元計算結果見圖9和圖10。

2.2 吊梁結構設計

2.2.1 吊梁結構設計的難點

（1）由于首樓部分是弧線形結構，因此，導致單邊4個吊梁結構形式有所區別。應該設計4個完全不同的吊梁，還是4個相似的吊梁？這是急需考慮的問題。

（2）吊梁既要滿足安裝公司提升裝置的配合尺寸，又要滿足與首樓安裝的對位要求。

2.2.2 吊梁結構設計的解決方法

針對問題（1）設計兩種不同的吊梁（見圖11和圖12）。圖11中的吊梁平行于首樓外側弧形板，圖12中的吊梁平行于首樓的中縱剖面。針對兩種不同的吊梁形式分別進行有限元計算，通過計算發現，在同樣滿足強度要求的前提下，圖11中的吊梁較輕，并且從提升塔架布置的角度看，圖11也明顯好于圖12，因此最終確定選用圖11中的吊梁形式。［5-6］

針對問題（2）為配合提升鋼絞線下錨盤，箱形梁端部采用1.4 m寬×2 m高的矩形截面；為與首樓主結構強肋位對位，箱形梁與首樓外板結合端采用變截面，箱形梁的上面板與首樓最上層甲板對位，箱形梁的底板與首樓第二層甲板對位，箱形梁的前后兩個側面板分別與首樓的相鄰兩個強肋位對位，對位結合口處的尺寸為2.4 m寬×～3.5 m高。最終的吊梁結構（見圖13和下頁圖14）。

2.3 吊梁強度計算

2.3.1 吊梁強度計算的難點

（1）由于重心位置的不準確性及提升過程中液壓油缸的不同步性，導致每個吊梁最終極限受力可能完全不同，如何確定吊梁設計的輸入值，是個亟待解決的問題。

（2）國內相關規范中均未提到此類提升結構強度校核的安全系數。

2.3.2 解決方案

針對問題（1）有兩種解決方法：

（1）根據有限元模型讀出每個吊梁所在位置的支反力，作為載荷計算設計輸入；

（2）每個吊梁承受的極限載荷都一樣，按照平均分配的原則來計算。

根據充分討論，認為方法1里有限元模型省略的部件較多，跟真實物體差別較大，其計算的支反力存在較大誤差，因此從更安全的角度選擇方法2。

針對方法2確定單個吊梁的最大載荷為：

式中：F為單個吊梁極限載荷，t；W為提升物體總質量，t；WCF為質量不確定系數；N為吊梁數量，個。

針對問題（2），考慮到實際載荷為動載荷，結合相關經驗值確定本次計算安全系數取2。

吊梁強度計算的結果（見圖15-圖18）。

3 強度驗證

3.1 提升作業載荷記錄

3.1.1 載荷記錄

吊梁編號見下頁圖19，載荷記錄見表1。

3.1.2 結果分析

箱形梁受力對比見表2。從表2可以看出，實際載荷大部分都小于理論計算。說明WCF取1.1來計算每個吊梁的載荷還是可靠的，但7號的載荷超過理論值3.38%，主要原因在于理論計算的模型是左右對稱的，而實際提升作業時左右箱形梁的受力不是對稱的，建議以后理論計算此類受力時在WCF=1.1的基礎上再增加5%的余度，以消除結構受力不均的影響。

表1 首樓上建總段吊裝提升作業載荷記錄t

表2 箱形梁受力對比列表t

3.2 吊梁強度測試

3.2.1 測點布置

根據圖19所示，吊梁于整體結構兩側對稱分布，分別選取1號、4號、5號、8號吊梁布置監測點。通過結構受力分析和參考吊梁結構有限元應力分析的結果，選定的應變測點（見圖20）。吊梁結構左右對稱，共布置32個測點，其中16個關鍵應力測點采用應變花（由3個應變片組成），16個測點采用單應變片。共使用64個應變片。采用應變花的監測點，各向均受不同大小應力，合力可能較大，采用單向應變片的測點，以單方向受力比較集中。故采用不同類型。

應力測點編號與相應描述列于表3。

表3 應力測點編號與描述

圖19給出了吊梁的測點布置，左右對稱且測點分布一致。

3.2.2 監測結果

首樓上建總段提升的應力監測分為以下兩個階段完成：

第一階段：相關清拆工作完成后，穩定增加提升荷載至3 600 t后，保持狀態待結構受力穩定，此過程中整體結構不離開地面；

第二階段：提升荷載由3 600 t穩定增加到4 200 t后，整體結構離開地面并提升至預定高度。

表4 各監測點在不同荷載狀態下的主應力監測結果MPa

3.2.3 監測結果分析

根據上述監測結果的分析，可以確定各吊梁監測點在整體提升過程中的各吊點最大應力（主應力）值，同時確定最不利位置點。在整體提升過程中各吊梁最大應力點（三向）分別為：

1號LP4max= 89.2 MPa；

4號LP2max=122.05 MPa；

5號RP2max= 124.22 MPa；

8號LP4max= 115.41 MPa。

根據監測數據，可知各吊梁的最不利位置是P2和P4位置點。

依據設計提供的最大允許應力180 MPa，可知吊梁本身在提升過程中是安全的。根據實測數據和數值模擬的結果對比可以看出，整體結構在提升過程中存在一定的不同步性：4號和5號吊梁的一些實測數據比模擬值稍小；1號和8號一些實測數據比模擬值稍大。對于8號吊梁而言，RP1max為57.89 MPa，RP3max為78.8 MPa。對比理論計算（參見圖18），可知8號吊梁RP1模擬值為25 MPa，RP3模擬值為37 MPa，均小于實測值，但最終測試結果還是小于許用剪切值104 MPa。

考慮整體結構提升會受到很多不確定因素的影響，因此必須保證結構有足夠的強度貯備。根據現場實際監測的結果可知，在提升過程中結構有足夠的安全儲備，即理論計算取2倍安全系數符合預期。綜上所述，首樓上建總段整體提升過程是安全的。

4 結 論

本文簡要闡述了半潛船首樓上建整體提拉吊梁結構設計的難點及解決辦法，通過理論計算及項目現場測試獲得此類結構設計的安全系數，經現場實踐表明：此吊梁在實際使用過程中完全滿足要求，為類似設計提供了經驗。

［1］ 向君，孫學榮，張金鐘，等. 大型半潛船艏樓上建總段整體提拉安裝方法［P］ .中國專利：CN 102381438B，2013-08-07.

［2］ 張金鐘，向 君，陳達勝. 大型半潛船艏樓上建總段整體提拉施工及關鍵技術研究［J］. 船舶與海洋工程，2015（5）：52-55.

［3］ 李紅云，趙社戌，孫 雁. ANSYS 10.0基礎及工程應用［M］. 北京：機械工業出版社，2008：12-15.

［4］ 胡紅軍，楊明波，張丁非. ANSYS 10.0材料工程有限元分析實例教程 ［M］. 北京：電子工業出版社，2008：37-40.

［5］ 韓華偉. 基于ABAQUS的海工用吊梁優化仿真設計［J］. 中國海洋平臺，2015（2）.

［6］ 孫訓方，方孝淑，關來泰. 材料力學［M］. 北京：高等教育出版社，2000：23-25.