摘要：在船體分段搭載過程中，大量重心外飄分段或總段需進(jìn)行臨時(shí)剛性支撐。采用鋼管支撐有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已成為業(yè)內(nèi)主流。根據(jù)不同的分段重量選擇合適規(guī)格以及長(zhǎng)度的鋼管，快速確定支撐鋼管的載荷，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)GB/T 17395-2008以及ISO 4200-1991 中部分常見規(guī)格的鋼管進(jìn)行計(jì)算分析，得出許用載荷。

關(guān)鍵詞：船體；搭載；鋼管；支撐；載荷

中圖分類號(hào)：U671.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis of Axial Ioad of Steel Tube in Form of Rigid Support During Hull Block Loading

QIN Yafeng

（Shanghai Huarun Dadong Shipping Engineering Co.,Ltd. Shanghai 202155）

Abstract:In the process of hull block loading, a lot of bow flare or broad side blocks in need of temporary rigid support; using steel tube as support has its unique advantages, has been the mainstream in the shipbuilding industry；it is essential to quickly determine the right size and length of steel tube according to different weight of blocks, there is a wide range of such applications in the production design process. This paper focused on some common standard steel tubes from GB/T 17395-2008 and ISO 4200-1991 in calculation analysis and deduced the allowable load.

Keywords: hull; block loading; steel tube; rigid support; axial load

1 引言

在船體建造過程中，首尾或舷側(cè)分段由于重心外飄，在總組或搭載時(shí)需要在分段下方或邊緣加剛性支撐，以固定分段完成裝配作業(yè)。

剛性支撐可以選擇多種型式，如角鋼制成的長(zhǎng)方體擱架、工字鋼、結(jié)構(gòu)鋼管等。其中鋼管支撐因?yàn)槠渲谱骱?jiǎn)單、各向承載力相同、同等重量情況下承載力最大等諸多優(yōu)點(diǎn)而具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2 支撐鋼管選型

目前國(guó)內(nèi)各大船廠所承接的船舶日趨大型化，如180 000 DWT散貨船、10 000TEU集裝箱船等，其型深分別達(dá)到24.9 m和27.2 m。相應(yīng)的支撐長(zhǎng)度可達(dá)15m以上，一般屬于細(xì)長(zhǎng)桿。

由歐拉公式可知，相同規(guī)格細(xì)長(zhǎng)桿的承載能力主要取決于材料的彈性模量E，與屈服強(qiáng)度無(wú)關(guān)。而普通強(qiáng)度鋼與高強(qiáng)度鋼的彈性模量基本相同，因此鋼管支撐可以選取GB/T 17395-2008中Q235等級(jí)的鋼管。同時(shí)考慮到材料的通用性，本文選取了ISO 4200-1991與GB/T 17395-2008均收錄的部分常見規(guī)格鋼管作為研究對(duì)象。

3 支撐連接型式及受力分析

鋼管支撐型式一般為頂部與船體吊環(huán)或預(yù)裝支撐頭相連。與支撐頭相連時(shí)可電焊固定，與吊環(huán)等相連時(shí)可插銷固定，使用時(shí)更為方便快捷，符合快速搭載的要求。

支撐底部可加鐵楔或千斤頂，用于微調(diào)高度，直接落于船塢內(nèi)水泥地面，亦可選在塢底預(yù)埋件位置。

下面以頂部為吊環(huán)型式支撐作為研究對(duì)象，計(jì)算其許用載荷。此支撐可視為一端自由，另端固定的壓桿。

圖1為某型船首部分段的搭載支撐示意圖；假定1714分段重量為G，相鄰分段1614與1714之間的剪切力為Fs，鋼管的支撐力為FN，根據(jù)力矩平衡原理可得:

FN=GL1/(L1+L2) （1）

圖 1 某型船首部分段的搭載支撐示意圖

4支撐載荷計(jì)算

壓桿根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比λ的大小可分為3類：細(xì)長(zhǎng)桿、中長(zhǎng)桿和粗短桿。

（1）細(xì)長(zhǎng)桿：當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比λ大于或等于某個(gè)極限值λp，即λ＞λp（對(duì)Q235鋼，λp=101），其所受載荷超過臨界應(yīng)力時(shí)將發(fā)生彈性屈曲。臨界應(yīng)力為：

（2）

（2）中長(zhǎng)桿：當(dāng)λs≤λ＜λp（對(duì)Q235鋼，λs=61.6）時(shí)壓桿將發(fā)生非彈性屈曲。其臨界應(yīng)力為:

（3）

式中：a和b為與材料有關(guān)的常數(shù)， Q235鋼的a=304 MPa，b=1.12MPa

（3）粗短桿：當(dāng)λ＜λs時(shí)，壓桿不會(huì)發(fā)生屈曲，但會(huì)發(fā)生屈服。其臨界應(yīng)力即為屈服應(yīng)力：

（4）

綜上可知，計(jì)算許用載荷首先需確定壓桿細(xì)長(zhǎng)比λ

(4) （5）

式中:——長(zhǎng)度系數(shù)，為=2；

——鋼管長(zhǎng)度（mm）；

——慣性半徑（mm）。

假定鋼管外徑為273 mm，壁厚10 mm,長(zhǎng)度10 000 mm，則計(jì)算可得， 215＞，屬于細(xì)長(zhǎng)桿，可應(yīng)用歐拉公式：

式中：E——彈性模量，E=200 GPa;

I ——慣性矩(mm4）;

μ——長(zhǎng)度系數(shù)，為μ=2;

——鋼管長(zhǎng)度(為mm).

得出許用載荷為： kN

5 部分規(guī)格鋼管許用載荷

針對(duì)船廠實(shí)際施工范圍，將鋼管規(guī)格推廣到GB/T 17395-2008及ISO4200中常見的部分規(guī)格，對(duì)直徑273 mm~508 mm、長(zhǎng)度10 000 mm~20 000 mm范圍內(nèi)的鋼管許用載荷進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表1所列。

表1GB17395中常見規(guī)格鋼管許用載荷

注：長(zhǎng)度單位m；鋼管規(guī)格為外徑×壁厚，單位mm；許用載荷單位kN。

6結(jié)論

船體分段搭載過程中使用的支撐鋼管，基本上都屬于細(xì)長(zhǎng)桿，可使用Q235材質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼管，應(yīng)用歐拉公式計(jì)算許用載荷，校核其穩(wěn)定性。

需要指出的是，搭載支撐鋼管的許用載荷，在需滿足壓桿穩(wěn)定性要求的同時(shí)，仍受到初始彎曲以及偏心軸力的影響，但由于實(shí)際施工中鋼管彎曲度、軸力偏心距一般較小，偏心軸力所形成的彎矩導(dǎo)致的內(nèi)力起次要作用，在計(jì)算時(shí)可忽略。

在工程實(shí)際中，安全系數(shù)取2.5，所得結(jié)果經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)較為可靠。

參考文獻(xiàn)

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[3]ISO 4200-1991,Plain end steel tubes ,welded and seamless-General table of dimensions and masses per unit length[S].Geneva: ISO/TC5,1991.

作者簡(jiǎn)介：秦亞峰（1983-），男，工程師。主要從事船舶修理及建造工藝工作。

收稿日期：2014-01-14