設計建造階段吊機封固裝置的支撐結構設計

王曉陽，劉文民，王 欣，劉 磊

(大連船舶重工集團設計研究院有限公司，遼寧大連116000)

0 引言

經濟發展和海上大型設備施工建設需要，使浮吊船的需求越來越廣泛，大型吊機是浮吊船最重要的設備之一，浮吊船航行或停泊時，對吊機進行封固能全面保障設備安全運行和船上人員的人身安全[1–2]。

封固裝置的支撐結構受力復雜，設計空間緊湊，建造階段的干涉問題及調試的特殊需求，增加了支撐結構設計的難度，本文以某浮吊船為例，進行設計/建造階段的吊機封固裝置的支撐結構設計并總結設計要點。

1 設計載荷

某浮吊船的吊機封固裝置主要有3處：擱架（封固吊機配重塊）、轉盤支架和轉盤鋼索（封固轉盤），位置關系如圖1所示。設計中，分別考慮擱架、轉盤支架及轉盤鋼索的極限承載狀態。根據CCS規范[3–4]，將船舶處于正浮、橫傾、縱傾時吊機配重塊的重力，分別與船舶運動時吊機配重塊所受的慣性力組合，得到擱架的設計載荷。轉盤支架和轉盤鋼索由設備廠家提供極限承載能力確定其設計載荷。

1.1 坐標系

原點為尾封板、主甲板與中縱剖面的交點，指向船首為+X，指向左舷為+Y，豎直向上為+Z，如圖1所示。

1.2 擱架的設計載荷

由水動力分析并按近海海浪譜進行長期統計分析，得到百年一遇的船舶橫傾23°、縱傾15°、船舶橫搖、縱搖、垂蕩的加速度最大值分別為±1.47 m/s2，±2.34 m/s2，±4.91 m/s2。吊機配重塊重160 t，由左右舷的結構和載荷的對稱性及z向最大設計載荷的要求，僅考慮載荷分量Fy為正值、Fz為負值的工況。擱架的設計載荷如表1所示。

圖1 封固裝置位置關系示意圖Fig.1 Diagram of fastening device position relationship

表1 擱架的設計載荷Tab.1 Design load of rack

1.3 轉盤支架設計載荷

轉盤支架極限承載能力為垂向125 t，水平50 t。由左右舷的結構和載荷的對稱性，僅考慮載荷分量Fy為正值的工況，考慮水平載荷與x軸正向夾角為0°，45°，90°，135°，180°共5個方向。轉盤支架的設計載荷如表2所示。

表2 轉盤支架的設計載荷Tab.2 Design load of rotary table’s supports

1.4 轉盤鋼索設計載荷

轉盤鋼索張緊時的極限承載能力為32 t。由左右舷鋼索拉點3、點4的結構和載荷的對稱性，左右舷鋼索拉點1、點2的結構的不對稱性，考慮6處鋼索同時張緊的工況。將斜拉的轉盤鋼索軸向的最大拉力沿x，y，z方向分解得到轉盤鋼索的設計載荷如表3所示。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

采用MSC.PATRAN/NASTRAN計算軟件進行有限元分析。模型范圍縱向由FR0～FR22（包括尾封板、不包括FR22艙壁），橫向由左舷舷側至右舷距船舯6 000 mm的艙壁（不包括舷側外板及艙壁），垂向由主甲板至船底外板（不包括船底外板）。

表3 轉盤鋼索的設計載荷Tab.3 Design load of rotary table'scables

三維有限元模型如圖2(a)所示。包括甲板及其下縱橫桁材和骨材、艙壁及其扶強材、支撐結構等。所有板材均以殼單元模擬；船體結構的強構件（包括縱桁、強橫梁及艙壁強扶強材）的腹板采用殼單元進行模擬，面板采用梁單元進行模擬；縱骨、加強筋、艙壁扶強材等采用梁單元模擬[5–6]。支撐結構的面板腹板肘板采用殼單元進行模擬，如圖2(b)所示。模型邊界設置簡支邊界條件。

圖2 三維有限元模型和支撐結構有限元模型Fig.2 Three dimensional finite element model and finite element model of the supporting structure

2.2 校核衡準

CCS規范[3]規定：與起重機基座、起重柱等結構直接相連，且位于三面相交角隅位置上的板單元，其安全系數可適當減少，但不得小于1.1，實取1.11。

表4 校核衡準Tab.4 Checking criteria

3 結構設計

步驟1：對無加強的結構進行強度校核，評估是否需要進行支撐結構設計。

擱架支腿、轉盤支架對位的是縱骨，為弱結構；轉盤鋼索拉點對位的是橫向強框架，為強結構，如圖1和圖3所示。有限元分析的計算結果表明：轉盤鋼索拉點對位結構滿足強度要求，擱架及轉盤支架對位結構的應力值超過許用應力值，應進行支撐結構設計。

圖3 無加強，對位支撐結構設計和改進支撐結構設計的示意圖Fig.3 No strengthening design,counterpoint structure design and improved structure design

步驟2：依據步驟1的評估結果，開展對位支撐結構設計。

依全船縱骨架式的結構特點，沿縱向設計轉盤支架圓柱截面的對位縱桁，端部與臨近的強構件相連接。在擱架支腿方形截面下方設計對位的板結構，考慮空間限制、施工要求，對板結構合理加筋并進行形狀優化，使其最小深度為200 mm/370 mm，（見圖4），增強結構設計的工藝性[7–8]。有限元分析的計算結果表明：擱架支腿及轉盤支架的支撐結構的應力值仍超過許用應力值。

圖4 步驟2中支撐結構的形狀優化Fig.4 Shape optimization of supporting structure in step 2

步驟3：依據步驟2的分析結果，有針對性的改進支撐結構設計，使之滿足規范要求。

轉盤支架圓柱截面的對稱性和支撐結構的不對稱性不利于載荷的分布，使FR5橫框架的應力值過大，由此在FR6肋位增加橫向桁材，改善載荷分布。在擱架、轉盤支架及轉盤鋼索三者布置集中點FR5附近，橫、縱桁的應力大，遠離該區域的縱桁（FR0～FR2）的剪應力較大，對前者，桁材腹板面板均加厚，對后者，僅加厚腹板，同時提升鋼板的鋼級至AH36。有限元分析的計算結果表明：支撐結構的應力值小于許用應力值，滿足規范要求。

無加強、對位支撐結構設計、改進支撐結構設計3種方案的最大應力值如表5所示。

表5 最危險工況結構的最大應力值Tab.5 Maximum von mises stressof structurein the worst load case

4 建造階段設計修改

在建造階段，受干涉問題、調試要求等因素的影響，迫使支撐結構的設計進行修改，屬于意外工況，以該浮吊船為例，給出兩類建造階段的設計修改方案。

1）設計修改方案1

擱架支腿與系泊纜干涉，擱架支腿的結構形式被迫修改，如圖5所示。擱架支腿新增的支點對位的縱骨是弱結構。對該縱骨結構進行補強，增大剪切面積，提高抗彎能力，使最危險工況的最大應力由237 MPa

圖5 擱架支腿的結構形式修改Fig.5 Modification of structural form of support leg of rack

降至206 MPa，如表6所示，滿足規范要求。施工階段，替換縱骨消耗人力物力，施工成本高、難度大，該方案能夠避免這樣的難題。

表6 最危險工況結構的最大應力值Tab.6 Maximum von mises stress of structure in the worst load case

2）設計修改方案2

在港調試階段要求擱架上的吊機配重塊由160 t增加至172 t，擱架的設計載荷由此增大172/160=1.075倍。考慮在港調試階段溫和的環境條件，控制縱傾為10°使LC16工況由（縱傾15°+運動載荷）變為（縱傾10°+運動載荷），降低該工況的載荷，使最大應力由220 MPa降至196 MPa，如表7所示，滿足規范要求。調試階段，施工修改結構更為困難，該方案能夠避免這樣的困難。

表7 最危險工況結構的最大應力值Tab.7 Maximum von mises stress of structure in the worst load case

5 結語

結構設計可能在不同階段面對不同的修改需求，本文闡明了設計/建造階段支撐結構設計逐步完善的過程，總結出支撐結構的設計要點如下：

1）支撐結構設計一般可按步驟1~步驟3進行，有經驗的設計人員可依經驗或定性分析直接進行步驟2~步驟3，一般在設計過程中都要經歷步驟2~步驟3的改進結構設計，最終得到滿足規范要求的支撐結構設計。

2）設計空間狹小時，進行對位的支撐結構設計及形狀優化，能提高結構設計的工藝性。

3）支撐結構的不對稱性和載荷的對稱性是應力大的影響因素之一，調整支撐結構的對稱性并依據有限元分析的計算結果，有針對性提高支撐結構抗彎、抗剪的能力，更高效。

4）施工成本是建造階段的意外工況中應重點考慮的因素之一，通過局部補強或限制使用條件兩類方法能得到滿足特殊要求、易于施工的設計方案。

上述結論能為其他支撐結構分析提供參考，對船舶結構設計具有一定的參考意義。