無連接橋的雙體起重船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

陳 鎰 楊輝杰 吳 駿 葉增沈 吳劍國

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州 310023；2.杭州市港航管理服務(wù)中心 杭州 310009；3.杭州江海船舶技術(shù)有限公司 杭州 310005）

0 引 言

隨著內(nèi)河航道沉船打撈噸位不斷增大、船舶檢修保養(yǎng)需求頻繁，杭州江海船舶技術(shù)有限公司根據(jù)用戶需求設(shè)計了一種新穎的雙體起重船，如下頁 圖1所示，它的2 個片體之間無連接橋結(jié)構(gòu)，起重桁架兼作連接橋。與普通起重船相比，這種雙體起重船片體之間的距離大，對打撈較大尺寸沉船、吊裝貨物與船體維修等實(shí)際作業(yè)時較為實(shí)用，具有起重量大、起吊平穩(wěn)與起吊施工作業(yè)方便等優(yōu)點(diǎn)。

連接橋是雙體船的重要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)形式及尺寸規(guī)范都有明確的要求，《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2021）》（以下簡稱《內(nèi)河規(guī)范》）[1]要求雙體船在2 個片體之間必須設(shè)有大于80%船長的連接橋，而該船型僅有幾片連接的桁架，并且該桁架還兼作起重桁架，承受復(fù)雜的起重荷載。對這種受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)新穎的船舶，沒有相應(yīng)的規(guī)范可以適用。如何對這種超規(guī)范的船舶，尤其是針對兼作連接橋的桁架強(qiáng)度校核，是該類船型檢驗(yàn)、發(fā)證的關(guān)鍵。

許君林[2]對1 艘58 m 單體起重船進(jìn)行橫向強(qiáng)度建模和計算，驗(yàn)證船舶設(shè)計的安全性。龐君[3]對1艘內(nèi)河250 t單體起重打撈船進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估。羊衛(wèi)等[4]運(yùn)用有限元分析法對1 艘雙體交通運(yùn)維船主船體和連接橋結(jié)構(gòu)的總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度評估。張彬[5]對1 艘有連接橋雙體起重船進(jìn)行了有限元分析，對于起重桁架強(qiáng)度并未進(jìn)行校核。

本文在相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，針對1 艘700 載重噸的無連接橋雙體起重船，提出了總縱及局部強(qiáng)度、總橫彎曲及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、起重桁架強(qiáng)度以及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法。計算結(jié)果表明，本文采用的方法解決了雙體起重船受力復(fù)雜、工況組合多的難題，可用于同類型船舶的設(shè)計與校核。

1 雙體起重船強(qiáng)度校核思路

由于《內(nèi)河規(guī)范》中只有雙體船和工程船的規(guī)定，沒有雙體起重船的校核準(zhǔn)則。規(guī)范的雙體船部分主要考慮波浪載荷的作用，不考慮起重載荷的作用；工程船部分僅針對單體船，沒有雙體船的內(nèi)容，也沒有起重結(jié)構(gòu)的要求。而本船為雙體船起重船，起重桁架兼作連接橋，因此，該船型既需要滿足雙體船和工程船的強(qiáng)度要求，同時還需要滿足《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2016）》（以下簡稱《起重規(guī)范》）[6]的相關(guān)規(guī)定。

鑒于無連接橋的雙體起重船受力復(fù)雜，起重與水動力載荷的工況組合很多，如果直接在雙體船上同時施加各種波浪載荷和起重載荷，有限元模型邊界條件將無法設(shè)立，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是不可能完成的任務(wù)。因此，本文的計算思路是基于各種載荷單獨(dú)作用，針對各種載荷效應(yīng)（即應(yīng)力）進(jìn)行組合，同時滿足《內(nèi)河規(guī)范》和《起重規(guī)范》的要求。計算步驟如下：

（1）按照《內(nèi)河規(guī)范》“第10 章工程船船體結(jié)構(gòu)補(bǔ)充規(guī)定之附錄II 開槽式工程船結(jié)構(gòu)”直接計算。分調(diào)遣和作業(yè)工況，采用整體模型，按照工程船的總縱和局部強(qiáng)度計算方法，進(jìn)行片體的總縱和局部強(qiáng)度校核。

（2）按照《內(nèi)河規(guī)范》“第9 章附錄I 雙體船結(jié)構(gòu)”直接計算。采用整體模型，分調(diào)遣工況和作業(yè)工況，按照雙體船的總橫彎曲和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算方法，進(jìn)行片體和連接橋的應(yīng)力計算，以及片體總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核。

（3）按照《起重規(guī)范》“第3章3.2普通起重機(jī)”直接計算。采用桁架模型，約束桁架根部，施加起重載荷，分有風(fēng)和無風(fēng)工況，進(jìn)行起重桁架在起重荷載、風(fēng)荷載作用下應(yīng)力和約束力計算；再疊加總體載荷（總縱、總橫、扭轉(zhuǎn)）作用下作業(yè)工況的桁架應(yīng)力，按照起重機(jī)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行桁架（連接橋兼作起重結(jié)構(gòu)）的強(qiáng)度校核。應(yīng)力疊加后的桁架既要滿足《內(nèi)河規(guī)范》關(guān)于連接橋的強(qiáng)度，又要滿足《起重規(guī)范》關(guān)于起重構(gòu)件的強(qiáng)度要求。

（4）按照《內(nèi)河規(guī)范》“第10 章附錄I 起重設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)”直接計算。采用支撐處局部模型，分有風(fēng)和無風(fēng)工況，將剛架根部在起重載荷作用下的約束力施加到局部模型上，進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)在起重載荷作用下的應(yīng)力計算；再按照《起重規(guī)范》3.10.7.2，疊加總體載荷作用下的支撐部位應(yīng)力，進(jìn)行船體支撐結(jié)構(gòu)校核。

2 船體參數(shù)及有限元模型

2.1 船體參數(shù)

雙體起重船作業(yè)地點(diǎn)為錢塘江，設(shè)計航區(qū)為內(nèi)河B 級，鋼質(zhì)電焊結(jié)構(gòu)、片體內(nèi)單層底、單甲板。起重桁架采用5 個門型起重架，每個門型起重架設(shè)1 組 2 個吊鉤，每個吊鉤負(fù)荷50 t，5 個門型起重架中一門備用。該船材料使用CCS-A 級鋼材，總長48.15 m、水線長48.00 m、片體寬7.50 m、型寬28.00 m、型深2.30 m、設(shè)計吃水1.05 m、肋距0.50 m，總布置圖如圖1所示。

圖1 總布置圖

2.2 有限元模型

該船為左右對稱結(jié)構(gòu)。模型范圍：縱向?yàn)檎麄€船長；橫向?yàn)檎麄€船寬；垂向?yàn)閺拇字疗鹬罔旒芙Y(jié)構(gòu)。模型片體外板、縱桁、強(qiáng)橫梁以及各強(qiáng)構(gòu)件腹板均采用二維3～4 節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，其他縱骨、橫梁以及強(qiáng)構(gòu)件面板均采用梁單元模擬。模型材料：彈性模量E=2.06×105MPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。有限元模型圖如圖2所示。

圖2 整船有限元模型

3 總縱及局部強(qiáng)度研究分析

3.1 工況及載荷

按照《內(nèi)河規(guī)范》要求，采用余弦波的形式施加在船體底板上，計算工況分為：LC01,總縱彎曲（中垂）；LC02，總縱彎曲（中拱）；LC03，局部（扭轉(zhuǎn)）。

考慮到錢塘江上打撈作業(yè)的實(shí)際環(huán)境，波浪載荷不區(qū)分作業(yè)和遷移工況，本文的波浪載荷一律偏保守地取遷移工況，即總縱彎曲強(qiáng)度計算時取設(shè)計波高為1.5 m，波長為船長；局部強(qiáng)度計算時取設(shè)計波高為1.5 m，波長為2 個船長。

3.2 邊界條件

船體總縱彎曲強(qiáng)度計算時，邊界條件應(yīng)符合以下要求：

（1）開槽區(qū)域兩側(cè)邊浮艙艏封板：施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=0。

（2）艉封板與（1）中艏部左舷節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)：施加縱向、橫向、垂向線位移約束，即ux=uy=uz=0。

（3）艉封板與（1）中艏部右舷節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)：施加橫向、垂向線位移約束，即uy=uz=0。

船體局部強(qiáng)度計算時，邊界條件應(yīng)符合以下要求：艉部鄰近開槽橫端壁的橫向強(qiáng)框架平面各節(jié)點(diǎn)施加全位移約束，即ux=uy=uz=0、θx=θy=θz=0。

3.3 有限元結(jié)果

總縱及局部強(qiáng)度計算結(jié)果見表1，圖3為最大合成應(yīng)力圖。

表1 總縱及局部強(qiáng)度計算結(jié)果MPa

圖3 總縱及局部強(qiáng)度最大合成應(yīng)力（LC03）

由結(jié)果可見，船體總縱及局部強(qiáng)度滿足《內(nèi)河規(guī)范》中相應(yīng)的許用標(biāo)準(zhǔn)，且各應(yīng)力均有較大的 余量。

4 總橫彎曲及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度研究分析

4.1 邊界條件

對于處于平衡狀態(tài)的整船有限元模型，可采用下頁表2及圖4設(shè)置邊界條件。

圖4 總體約束模型

表2 總橫及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析邊界條件

4.2 工況及載荷

按照《內(nèi)河規(guī)范》要求，在總橫和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析時，載荷組合工況如表3所示。

表3 總橫及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算工況

（1）船體的總橫彎矩可通過沿片體內(nèi)側(cè)舭部的系列節(jié)點(diǎn)上施加橫向?qū)﹂_力fy等效，

式中：Mbx為總橫彎矩，kN·m；z為橫向?qū)﹂_力施加點(diǎn)至中縱剖面中和軸的垂向距離，8.900 m；n為單個片體施加橫向?qū)﹂_力的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，33。

式中：Δ 為雙體船排水量，取滿載排水量，700 t；bc為任一片體中心線至連接橋計算剖面的距離，10.25 m；s為系數(shù)，本船為B 級航區(qū)，取9.0。

計算得：Mbx=9 496.63 kN·m；fy=32 334.44 N。

（2）船體的總橫扭矩可通過反對稱分布在片體中縱剖面內(nèi)的垂向均布力px等效施加。

式中：L為雙體船船長，48.15 m；Mty為連接橋扭距，kN·m，Mty=9.81k0k?L（其中k0為系數(shù)）。

k為系數(shù)，本船為B 級航區(qū)，取0.6。

4.3 有限元結(jié)果

總橫彎曲及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算結(jié)果見表4。

表4 總橫及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算結(jié)果MPa

續(xù)表4

圖5為最大合成應(yīng)力圖。

續(xù)表4

圖5 總橫及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度最大合成應(yīng)力（LC06）

由結(jié)果可見，船體總橫彎曲及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足《內(nèi)河規(guī)范》中相應(yīng)的許用標(biāo)準(zhǔn)，各應(yīng)力均有較大余量。

5 起重桁架強(qiáng)度研究分析

5.1 起重工況分析

5.1.1 工況及載荷

在總體結(jié)構(gòu)分析中，首先考慮單側(cè)加載200 t、滿載400 t與無風(fēng)、有風(fēng)工況的組合。起重工況見表5。

表5 起重工況

（1）考慮起重載荷：

（2）考慮風(fēng)載荷：

5.1.2 邊界條件

根據(jù)《起重規(guī)范》，對桁架根部進(jìn)行約束，ux=uy=uz=0，見圖6。

圖6 剛架結(jié)構(gòu)約束模型

5.1.3 計算結(jié)果

起重工況計算結(jié)果見下頁表6，圖7為起重工況LC14*的合成應(yīng)力局部圖。可以看出：

表6 起重桁架強(qiáng)度計算結(jié)果（起重工況）MPa

圖7 LC14*合成應(yīng)力局部圖

（1）在無風(fēng)和x方向風(fēng)荷載的情況下，起重桁架各個應(yīng)力相差不大；

（2）y方向風(fēng)荷載對桁架整體應(yīng)力有較大影響，桁架的各個應(yīng)力相對于其他工況有所增加，最大應(yīng)力位于柱腳處。

5.2 組合工況分析

5.2.1 工況及載荷

將5.1 中起重工況的計算結(jié)果分別與船體總縱彎曲應(yīng)力、局部彎曲應(yīng)力、總橫彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行疊加，組合工況見表7。

表7 組合工況

5.2.2 計算結(jié)果及分析

表8為組合工況LC10 的應(yīng)力計算結(jié)果，兩個工況的各個應(yīng)力并非簡單的最大值相加，而是在Patran 的后處理中通過有限元疊加，因此可能出現(xiàn)組合工況應(yīng)力小于起重工況應(yīng)力的情況。其余工況均采用相同的方法，在此不再列出結(jié)果。

表8 組合工況LC10 應(yīng)力計算結(jié)果MPa

起重桁架各種組合工況的應(yīng)力計算結(jié)果匯總見下頁表9，起重桁架最大合成應(yīng)力見下頁圖8，局部詳圖見下頁圖9。

圖8 起重桁架最大合成應(yīng)力（LC14）

圖9 起重桁架最大合成應(yīng)力局部圖（LC14）

表9 起重桁架強(qiáng)度計算結(jié)果（組合工況）MPa

通過上述計算和分析，結(jié)果表明：

（1）由表8可見，在與總縱及局部工況組合時，起重作用為桁架的主要作用，縱向應(yīng)力對桁架影響較小；在與總橫彎曲及扭轉(zhuǎn)工況組合時，起重作用產(chǎn)生的應(yīng)力與連接作用產(chǎn)生的應(yīng)力在量級上相當(dāng)，此時桁架的橫向連接作用也也尤為突出。

（2）起重工況結(jié)果中，由于在無風(fēng)和x方向風(fēng)荷載的情況下，起重桁架各個應(yīng)力相差不大，因此在表9起重桁架計算結(jié)果中，組合工況LC10-LC13的應(yīng)力結(jié)果相同。

（3）對比表6與表9，組合工況與起重工況的計算結(jié)果具有相同的大小趨勢，因此相對于連接作用，起重載荷仍然是主要決定載荷。

（4）由圖8和圖9可以看出，應(yīng)力最大處位于柱腳，所有應(yīng)力均能滿足規(guī)范。

6 船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究分析

6.1 模型及邊界條件

支撐結(jié)構(gòu)根據(jù) 《起重規(guī)范》“第3 章3.10.6.2”要求，采用支座處局部模型，約束模型前后兩端單元的節(jié)點(diǎn)的線位移，ux=uy=uz=0。如圖10所示。

圖10 支撐結(jié)構(gòu)局部模型約束

6.2 工況及載荷

從無風(fēng)（LC10 和LC11）工況和有風(fēng)（LC12-LC15）工況中選取最不利兩組工況，作為無風(fēng)工況LC16*和有風(fēng)工況LC17*，施加到支撐結(jié)構(gòu)模型的柱頭上，進(jìn)行起重載荷下的支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算；再與總縱彎曲、局部彎矩、橫向彎矩、扭矩等總體載荷（LC01-LC09 工況）作用下的支撐結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力進(jìn)行疊加，得到工況LC16 和工況LC17。

6.3 有限元結(jié)果

支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算結(jié)果見表10，下頁圖11為最大合成應(yīng)力圖。

圖11 支撐結(jié)構(gòu)最大合成應(yīng)力（有風(fēng)）

表10 支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算結(jié)果MPa

由結(jié)果可見：所有應(yīng)力均接近許用值，支撐結(jié)構(gòu)作為起重桁架與主船體相連的主要結(jié)構(gòu)，受到的荷載比較復(fù)雜，因此應(yīng)力狀況較大。

7 結(jié) 論

（1）通過有限元強(qiáng)度校核的結(jié)果表明，主甲板處無連接橋、片體間跨距大的新型雙體起重船可以滿足《內(nèi)河規(guī)范》和《起重規(guī)范》中的相應(yīng)強(qiáng)度要求。

（2）針對這種新船型提出的強(qiáng)度分析方法，既解決了雙體起重船受力復(fù)雜、工況多和組合形式多樣的分析難題，又全面校核了總縱及局部強(qiáng)度、總橫及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、起重桁架強(qiáng)度以及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證了船體結(jié)構(gòu)的安全性，為船檢檢驗(yàn)發(fā)證提供有效技術(shù)支持。

（3）這種船型由于作業(yè)平穩(wěn)、施工方便、應(yīng)用廣泛而深受用戶歡迎，使用效果很好。

（4）該船計算思路及方法對同類型的船舶設(shè)計與校核具有參考價值。

感謝中國船級社武漢規(guī)范研究所鄧樂高工和方闖總工程師給予的支持與幫助。