工程船梯架及船体支撑结构的强度评估

2018-04-20 03:00张士天

上海船舶运输科学研究所学报 2018年1期

张士天

(金海智造股份有限公司，上海 200122)

0　引　言

近年来，各类工程船的技术迅速发展，一些具备居住功能的工程船，通常需安装梯架及过桥，这两个装置可为往来于海洋平台与工程船间的海上施工人员提供安全通道。

海洋工程物的结构强度是各类安全要求中最基本和最重要的一项。工程船上的梯架通常采用露天设置，它不仅为海上工程人员提供日常通行的安全通道，还要保证人员可在恶劣天气下撤离。在复杂的工况中，此类露天梯架及其支撑结构除要承受其自身的质量及人员活动的载荷外，还需考虑不同状况下的风载及加速度。为确保在恶劣海况下梯架及船体支撑结构具备足够的安全性，需对梯架和船体支撑结构的强度设计进行分析。

1　梯架装置和支撑结构的特点

梯架一般布置于工程船过桥装置旁，为钢质或铝质的多层焊接结构。梯架装置主要由数个塔体、梯架平台和登程楼梯等3部分组成。梯架的通道一般按照SOLAS要求布置，设2个独立的梯道。此外，道达尔等石油公司也有一些特殊性的要求，需视用户方的具体要求作进一步考虑。

由于作业人员登乘的海洋平台高度通常远高于工程船的甲板高度，因此梯架的塔体高度较高，塔体高度为5～20 m，需至少设置2套斜梯。此外，为确保安全，在人员活动的区域需设置满足SOLAS要求的栏杆和安全网。梯架的平台可采用花钢板或隔栅板制作，梯架材质可采用钢、铝或玻璃钢。典型梯架见图1。

图1　典型梯架结构

梯架的船体支撑结构采用船级社认可的船用钢材，塔体与船体的连接方式有2种，可采用焊接连接，铝制塔体也可通过螺栓紧固的方式连接在船体上。钢塔立柱处的船体结构需根据强度分析结果予以加强。

这里所评估的梯架为双塔、双梯道式的钢质梯架，设计安装于某铺管船舶艉部，该船的主要尺度见表1。

2　工况的选择

根据运营企业的海上实际操作经验，工况需包含活动载荷、风载荷、加速度及斜梯载荷等基本载荷，同时考虑到船舶受x和y两种不同风向的风，故设置2种基本计算工况，见表2。

表1　船舶主尺度

表2　工况汇总表

3　载荷计算

3.1　载荷计算简述

根据梯架装置的海上使用情况，船舶上的梯架装置通常承受着人员活动载荷及船舶随波运动过程中的加速度。此外，由于梯架装置是露天设置，所以对梯架塔体基座处的支撑结构，除需考虑整个装置的自重外，还需考虑梯架装置所承受的风载荷。

3.2　设计载荷

自重载荷汇总表见表3。

3.2.1活动载荷

活动载荷的单元载荷按300 kg/ m2的均布载荷考虑，根据梯架平台和楼梯的实际面积可分别算出各处总的活动载荷，活动载荷见表4。

表3　自重载荷

表4　活动载荷

3.2.2风载荷

梯架装置上的风载荷由装置所处水平高度的风速所确定，设计风速为35.0 m/s。为便于计算，对分析模型作以下假定[1]:

(1) 任一受风构件的风力与风向一致并假定为均布载荷；

(2) 受风时，不考虑立柱或其他结构间的相互遮蔽作用；

(3) 船体水上部分所受的风力与水下部分的水阻力相平衡；

(4) 不计船舶绕z轴旋转的影响。

风力按照欧盟相关的标准[2]计算确定，其基础风压按下式为

(1)

梯架的体积系数φ可由下式可得

(2)

式(2)中：A为全部构件的投影面积(见图2和图3)。Ac为封闭区域的面积。

图2　梯架的侧投影面积

图3　梯架的正投影面积

据此，可分别计算出不同工况下的系数,φLC01=0.23,可知载荷系数为cf=1.6；φLC02=0.32，可知载荷系数为cf=1.6。

考虑到屏蔽作用影响，对于φ≤0.6时，则

(3)

式(3)中：a为梯架宽度(9 650 mm， 7 007 mm)；b为梯架高度(7 007 mm，9 650 mm)。

经计算可知，βLC01=0.739，βLC02=0.660。

风载荷为

Fw=(1+β)cfArefq

(4)

式(4)中：cf为载荷系数；Aref为参考投影面积。

根据不同工况下的风载荷，可计算得到Fw LD01=58.92 kN；Fw LD02=59.37 kN。

3.2.3梯架斜梯的载荷

该船梯架设有4对钢质斜梯，采用简化计算模型的方法，将斜梯自重及其所承受的载荷进行换算得出斜梯两端的载荷后，以集中载荷的形式施加在梯架有限元模型相应的位置(见图4)。

a) 斜梯载荷示意图

b) 斜梯载荷受力简图

根据力学平衡原理，则

F2=f2+N2

(5)

Gtotal×LSPAN/2×sin40°+L′×LSPAN×cos40°=0

(6)

Gtotal=W+nWLIVE

(7)

式(5)～式(7)中：W为单个斜梯的自重，约为4.61 kN；n为踏板的数量，n=14;WLIVE为活动载荷,每个踏板取100 kg。各力结果汇总于表5。

船舶运动的加速度见表6。基本载荷汇总见表7。

表5　斜梯相关载荷

表6　船舶运动加速度

表7　基本载荷

4　有限元模型介绍及结果分析

4.1　有限元模型

强度设计采用有限元直接计算法对梯架和工程船船体支撑结构的屈服强度进行静力学分析。

有限元模型采用笛卡儿右手坐标系，模型的x轴正向指向船首，y轴正向指向左舷，z轴正向垂直向上，模型采用封闭的国际单位制。模型中梯架的纵、横向钢梁采用梁单元模拟，斜撑采用杆单元模拟。船体支撑结构的甲板板、舷侧外板、纵舱壁板、横舱壁板、强横梁和纵桁的腹板、筒体结构板采用二维壳元模拟。甲板纵骨、舱壁扶强材及舷侧纵骨等次要构件采用梁单元模拟。

模型的非自由边约束x，y，z等3个方向的移动自由度。船体及加强结构材料主要为船用普通钢，泊松比为0.3，弹性模量取2.06×108MPa，密度为7.85 t/m3。

4.2　设计衡准

可对单元的合成应力[3]进行评估，通过有限元计算，可直接得到各设计工况下的单元的应力。参考美国船级社船级社规范[4]，结构的许用合成应力不应超过Fy/Fs，其中Fy为材料的屈服强度315 N/mm2，Fs为安全系数，对于混合载荷时的合成应力取值为1.25 MPa，剪切应力取1.88 MPa。应力计算结果输出见图5～图7。