IACS共同結(jié)構(gòu)規(guī)范2020 RCP1屈曲規(guī)范最新進(jìn)展

中國船級(jí)社 呂毅寧

油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR BC&OT）是IACS各個(gè)成員船級(jí)社共同建立的一套先進(jìn)的船體結(jié)構(gòu)規(guī)范，是滿足IMO目標(biāo)型規(guī)范要求（GBS）的第一套船體結(jié)構(gòu)規(guī)范。該規(guī)范是在原有的IACS散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR BC）和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR OT）基礎(chǔ)上，通過盡可能協(xié)調(diào)對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的規(guī)范要求而建立的，并于2013年推出。

CSR BC&OT屈曲規(guī)范吸收了CSR BC規(guī)范中基于DIN 18800（1990）德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的閉合公式形式的規(guī)范公式，基本保留了原有骨材屈曲能力方程，并主要對(duì)板的屈曲能力方程進(jìn)行了改進(jìn)。數(shù)十年來，相關(guān)公式在國內(nèi)外大量船型（包括CSR油船、散貨船以及各船級(jí)社吸收CSR規(guī)范入級(jí)建造的各類型海船以及海工結(jié)構(gòu)等）的屈曲評(píng)估中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于保障結(jié)構(gòu)安全發(fā)揮了重要作用。

RCP1屈曲規(guī)范修改的背景

骨材屈曲能力方程是基于梁柱結(jié)構(gòu)的彈性屈曲，通過考慮二階效應(yīng)，并將加筋板結(jié)構(gòu)的面內(nèi)載荷統(tǒng)一等效為側(cè)向載荷而建立的。對(duì)于骨材帶板的面內(nèi)軸向應(yīng)力（σ_x）可以比較精確地考慮，但是對(duì)于橫向應(yīng)力（σ_y）和剪應(yīng)力（τ）的影響，在等效過程中做了較多的簡化。

近年來，隨著船舶大型化和高強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用，像單舷側(cè)散貨船、LNG、LPG的舷側(cè)結(jié)構(gòu)以及大型礦砂船（VLOC）的雙層底肋板等一些橫骨架式結(jié)構(gòu)，其橫向應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)于結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度起到?jīng)Q定作用，CSR 2020規(guī)范公式中的相關(guān)簡化導(dǎo)致了一些不合理的評(píng)估結(jié)果，如圖1所示。

圖1 對(duì)于不同骨材間距加筋板結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度分析

此外，對(duì)于一些高腹板的加筋板結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度評(píng)估的相關(guān)規(guī)范公式也需要進(jìn)一步完善。

IACS PT PH43屈曲規(guī)范研究項(xiàng)目組

針對(duì)工業(yè)界和相關(guān)船級(jí)社的反饋意見，IACS船體委員會(huì)建議開展對(duì)規(guī)范中骨材屈曲能力方程的深入研究，并與針對(duì)各船型屈曲規(guī)范協(xié)調(diào)等專題研究一起成立了專門的PT PH43項(xiàng)目組（Harmonisation of Buckling Requirements in IACS Resolutions）。該項(xiàng)目組由中國船級(jí)社（CCS）擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理，DNV GL、NK、RINA共同參與。

2020年5月， 該 項(xiàng) 目 組 提交的規(guī)范修改建議（CSR 2020的RCP1）經(jīng)IACS船體委員會(huì)審核完成后正式提交全球工業(yè)界征求意見。中國、日本等造船大國以及國際干散貨船東協(xié)會(huì)（INTERCARGO）、活躍造船專家聯(lián)盟（ASEF）等都積極參與。經(jīng)過廣泛的意見征求和進(jìn)一步完善，目前相關(guān)規(guī)范修改已經(jīng)得到IACS各船級(jí)社技術(shù)委員會(huì)及工業(yè)界的認(rèn)可。詳細(xì)的規(guī)范修改建議已經(jīng)在IACS官方網(wǎng)站發(fā)布，并即將于2021年7月1日生效實(shí)施。

圖2 IACS PT PH43項(xiàng)目組在北京CCS總部召開第一次技術(shù)會(huì)議

屈曲規(guī)范修改

該規(guī)范修改建議主要針對(duì)CSR規(guī)范第8章第5節(jié)中加筋板結(jié)構(gòu)的整體屈曲失效模式和骨材的扭轉(zhuǎn)失效模式，分別提出了新的屈曲能力計(jì)算公式，并對(duì)骨材梁柱彎曲失效模式的極限能力方程進(jìn)行了改進(jìn)。此次規(guī)范修改突出了對(duì)理論性方面的要求，針對(duì)兩種屈曲失效模式的分析都是基于可靠的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)分析方法，并廣泛應(yīng)用了非線性有限元分析作為驗(yàn)證手段，提升了規(guī)范理論基礎(chǔ)的完備性。因此，對(duì)CSR屈曲規(guī)范要求和技術(shù)背景在文本內(nèi)容上都做了較多的修改和完善。

圖3 從基于一維梁柱結(jié)構(gòu)的簡化分析模型升級(jí)為基于板殼理論的二維分析模型

1、加筋板整體彈性屈曲及骨材梁柱彎曲屈曲失效模式規(guī)范修改

針對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)的整體彈性屈曲失效模式，基于各向異性板理論和板殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方法，推導(dǎo)了新的整體彈性屈曲能力方程。相比CSR 2020規(guī)范中基于一維梁柱結(jié)構(gòu)的簡化分析模型，板殼結(jié)構(gòu)分析模型與實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)更接近，從而提高結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度評(píng)估的精度。

尤其是對(duì)于前述一些船型上的典型橫骨架式結(jié)構(gòu)，基于新理論的規(guī)范公式對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性保障是一個(gè)根本性的提升。圖4是針對(duì)某散貨船單舷側(cè)結(jié)構(gòu)的整體彈性屈曲強(qiáng)度分析，顯示新規(guī)范的評(píng)估結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果一致，并能夠很好地考慮上下端部的邊界約束作用。圖5是針對(duì)某舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用系列不同板厚（凈厚度12mm-18mm）分析結(jié)果的比較，顯示隨著板厚逐漸增加CSR 2020規(guī)范給出的屈曲評(píng)估結(jié)果存在較嚴(yán)重的趨勢(shì)性錯(cuò)誤，而新規(guī)范給出的屈曲能力與有限元計(jì)算結(jié)果不但趨勢(shì)上是一致的，而且數(shù)值上也吻合得非常好。

圖4 單舷側(cè)散貨船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的整體彈性屈曲強(qiáng)度分析

圖5 對(duì)于某舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用不同板厚設(shè)計(jì)時(shí)的屈曲利用因子計(jì)算結(jié)果

2、骨材扭轉(zhuǎn)屈曲失效模式規(guī)范修改

針對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)屈曲失效模式，基于薄壁梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)和翹曲變形分析模型，推導(dǎo)了新的骨材彈性扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度公式，更新了球扁鋼、角鋼等型材的截面扇形慣性矩，并用實(shí)際載荷代替假定載荷重新校準(zhǔn)了翹曲應(yīng)力的計(jì)算公式。

針對(duì)某高腹板T型材加筋板結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度分析（如圖6）所示，新的規(guī)范公式能夠?qū)π筒募咏畎褰Y(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)屈曲臨界應(yīng)力和模態(tài)進(jìn)行更精確的計(jì)算，尤其是對(duì)剛度尺度比較小的骨材以及高腹板加筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的影響。

圖6 某高腹板T型材加筋板結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)屈曲能力分析

船型影響分析

如前所述，IACS CSR 2020的RCP1對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)的屈曲評(píng)估規(guī)范進(jìn)行了較多的修改，包括對(duì)一些重要的規(guī)范公式進(jìn)行了較大的修改。加筋板結(jié)構(gòu)是船體和海工結(jié)構(gòu)的基本組成構(gòu)件，包括CSR船以及各船級(jí)社吸收CSR規(guī)范入級(jí)建造的各類型海船以及海工結(jié)構(gòu)等可能都會(huì)受到一些影響。尤其是對(duì)于橫骨架式結(jié)構(gòu)、高腹板加筋板結(jié)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

IACS PTPH43 針對(duì)Handysize、8.2萬噸、18萬噸、21萬噸級(jí)等系列散貨船，15萬噸級(jí)、VLCC等油船以及部分LNG、LPG、VLOC船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)范影響評(píng)估，如圖7所示，顯示總體上要求有所降低。在征求工業(yè)界意見過程中，項(xiàng)目組又針對(duì)一些特定的散貨船艙口間甲板和雙層底縱桁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)充進(jìn)行了影響評(píng)估，如圖8所示，顯示總體上要求有所提高。

圖7 對(duì)系列散貨船舷側(cè)結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度評(píng)估的影響分析

圖8 對(duì)艙口間甲板和雙層底縱桁結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度評(píng)估的影響分析

總之，IACS CSR 2020的RCP1對(duì)船體結(jié)構(gòu)的屈曲評(píng)估將會(huì)產(chǎn)生較廣泛的影響。考慮到CSR屈曲規(guī)范在國內(nèi)外大量CSR及非CSR船型中的實(shí)際應(yīng)用，有必要盡快引起船級(jí)社和設(shè)計(jì)單位等更廣泛的重視。由于新的屈曲規(guī)范的理論性較強(qiáng)，相關(guān)規(guī)范計(jì)算公式的復(fù)雜性有所提高，建議船級(jí)社盡早推出相應(yīng)的規(guī)范計(jì)算軟件，以方便工業(yè)界對(duì)新規(guī)范的理解和應(yīng)用。