大深度大噸位打撈用托底鋼梁設(shè)計

朱海榮 周怡和 蔣哲 蔣巍

摘? 要：針對300 m水深的大深度大噸位沉船打撈，國家重點研發(fā)計劃深海專項《大噸位沉船整體打撈關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制》項目對原應(yīng)用于淺海區(qū)域的托底鋼梁進行了重新設(shè)計。在“世越”號打撈工程中，托底鋼梁取得了巨大成功，但是該類型的托底鋼梁只能適用于淺海水域。本文對應(yīng)用于大深度的托底鋼梁進行了設(shè)計。在打撈大深度大噸位沉船時，提升裝置的鋼絲繩連接到托底鋼梁兩端的眼板上。該打撈方法作用載荷不會直接作用于沉船船體上，因此，該方法對沉船船體結(jié)構(gòu)破壞較小。此外，本文應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS對重新設(shè)計的托底鋼梁結(jié)構(gòu)進行了校核。本文設(shè)計的托底鋼梁為以后大深度大噸位打撈工程提供了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：沉船打撈;大深度;大噸位;托底鋼梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引 言

在過去的一些沉船打撈工程案例中，為了防止沉船船體遭到破壞，需要將托底鋼梁安裝在沉船船體之下，通過起吊托底鋼梁將沉船打撈上岸。可是，過去的案例所應(yīng)用的托底鋼梁施工區(qū)域都位于淺水區(qū)，鋼梁結(jié)構(gòu)不需要承受深水巨大的壓強作用，因此托底鋼梁的結(jié)構(gòu)形式較為簡單，現(xiàn)有的托底鋼梁不能在大深度（300 m水深）的水底使用。

國家重點研發(fā)計劃深海專項《大噸位沉船整體打撈關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制》項目由交通運輸部上海打撈局牽頭，聯(lián)合其他科研單位對大噸位沉船打撈關(guān)鍵技術(shù)進行研究。本文主要針對大深度大噸位打撈用托底鋼梁，重點介紹大深度大噸位打撈用托底鋼梁的設(shè)計思路，并對該托底鋼梁結(jié)構(gòu)強度進行了計算校核。

1 設(shè)計要求

1.1 設(shè)計目標

能在300 m水深海底使用的打撈用托底鋼梁，并能根據(jù)沉船的重量進行鋼梁編組。使用該托底鋼梁能夠成功完成大深度大噸位沉船打撈作業(yè)。

1.2 主要特征

托底鋼梁包括鋼梁主體、眼板和破土裝置等。鋼梁主體包括多個箱型結(jié)構(gòu)。鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)中間為中空，最外側(cè)的兩個鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)端部設(shè)計有眼板。

鋼梁主體設(shè)置有多個隔艙板，將鋼梁主體分割為多個主體箱，主體箱的連接處通過隔艙板加固連接，增加整個托底鋼梁的強度。

托底鋼梁兩端設(shè)置有破土裝置，包括：破土耙齒、加強三角板、緩坡?lián)醢搴痛怪睋醢宓取?/p>

鋼梁主體箱的上下表面箱體上設(shè)有多個進水孔，以平衡鋼梁內(nèi)外壓差。

2 設(shè)計思路

該托底鋼梁需要設(shè)計以下內(nèi)容：

鋼梁主體結(jié)構(gòu)，包括主體箱型結(jié)構(gòu)、眼板和破土裝置。鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)設(shè)有多個，兩鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)首尾相連，鋼梁主體箱為中空設(shè)計，并通過開孔與外界海水連通，消除內(nèi)外壓差。鋼梁主體端部設(shè)置有連接眼板和破土裝置。

鋼梁主體設(shè)置有若干個隔艙板，兩鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)的連接處通過隔艙板加固連接，增加整個托底鋼梁的強度。

破土裝置包括破土耙齒、加強三角板、緩坡?lián)醢搴痛怪睋醢濉＜訌娙前宕怪痹O(shè)置在破土耙齒上，增加破土耙齒的結(jié)構(gòu)強度。破土耙齒和加強三角板垂直設(shè)置在垂直擋板的側(cè)面上，相鄰的兩個加強三角板之間設(shè)置緩坡?lián)醢濉?/p>

另外，該托底鋼梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了300 m水深處水的壓強作用，為了抵抗彎曲，避免屈曲的發(fā)生，通過鋼梁主體內(nèi)部設(shè)置的橫向隔艙板以及縱向板材上設(shè)置的角鋼加強結(jié)構(gòu)強度。另外，鋼梁外部板材上均開有小孔，平衡內(nèi)外壓差。

該托底鋼梁兩端設(shè)置有供起吊的眼板，可以利用水面的大型提升裝置，通過起吊鋼絲繩連接到托底鋼梁兩端的眼板上，將沉船提升至水面，完成大深度大噸位沉船的打撈作業(yè)。

3? 托底鋼梁設(shè)計圖紙和結(jié)構(gòu)校核

3.1 托底鋼梁設(shè)計圖紙

托底鋼梁設(shè)計圖紙如圖1所示。

3.2 托底鋼梁結(jié)構(gòu)校核

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS 16.0對該托底鋼梁進行建模計算，校核其結(jié)構(gòu)強度。計算模型所有板材采用的是Shell181單元，板材上的角鋼采用的是Beam188單元。在托底鋼梁與船體接觸兩端施加簡支約束，在該托底鋼梁兩端眼板上分別施加250 t的載荷。托底鋼梁有限元模型和約束、載荷條件如圖3所示。

經(jīng)過計算，該托底鋼梁Shell單元和角鋼的beam單元Von Mises應(yīng)力分布云圖分別如下圖4、圖5所示。

從圖中可知，該托底鋼梁模型的shell單元最大Von Mises應(yīng)力為286 MPa，beam單元最大Von Mises應(yīng)力為77 MPa。根據(jù)挪威船級社DNV海工操作規(guī)范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系數(shù)取1.15，則Q345鋼材的許用應(yīng)力為345/1.15=300MPa，Q235鋼材的許用應(yīng)力為235/1.15=204MPa。該托底鋼梁模型的shell單元和beam單元的最大Von Mises應(yīng)力均小于各自材料許用應(yīng)力，因此托底鋼梁的結(jié)構(gòu)強度是滿足要求的。

3.3 托底鋼梁屈曲校核

根據(jù)中華人民共和國國家標準《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，對于橫截面如下圖所示的箱型結(jié)構(gòu)：

當

h/b0<=6

l1/b0≤95*（235/fy）

則認為該結(jié)構(gòu)整體不會發(fā)生屈曲，不需要另外進行屈曲校核。將本文中的托底鋼梁各參數(shù)代入公式中，可以認為本文中的托底鋼梁每個鋼梁是3個23 m長的箱型結(jié)構(gòu)組裝在一起，則每個箱型結(jié)構(gòu)的寬度為0.5 m（1.5/3），另外托底鋼梁高度為1.2 m。

在上述公式中，h為箱型結(jié)構(gòu)橫截面高度;b0為箱型結(jié)構(gòu)橫截面寬度;l1為箱型結(jié)構(gòu)長度。本文中托底鋼梁長度為23 m。fy為結(jié)構(gòu)屈服強度，本文托底鋼梁為345 MPa。

將本文的托底鋼梁參數(shù)代入公式，計算如下：

h/b0=1.2/0.5=2.4<6

l1/ b0=23/0.5=46<95*（235/345）=64.7

根據(jù)以上的計算結(jié)果，本文的托底鋼梁整體結(jié)構(gòu)是滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的不需要進行屈曲分析的箱型結(jié)構(gòu)要求。

4? 總 結(jié)

本文對大深度大噸位打撈用托底鋼梁進行了設(shè)計和結(jié)構(gòu)校核。本文的成果將托底鋼梁在沉船打撈中的應(yīng)用范圍從淺水區(qū)域推進到深水區(qū)域，對今后類似的打撈工程具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家標準. GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 挪威船級社. Marine Operations， Design and Fabrication[S]. 2012.

[3] 中國船級社. 材料與焊接規(guī)范[S]. 2015.

[4] 吳建成，孫樹民.“南海一號”古沉船整體打撈方案[J]. 廣東造船，2004（3）：69-72.

[5] 段明昕，陳世海，馬駿，汪有軍. 用于沉船打撈的托底鋼梁設(shè)計[J]. 航海，2017（6）：30-33.

[6] 孫樹民. 鋼質(zhì)沉船打撈方法綜述[J]. 廣東造船，2006（1）：22-27.