張 士 天

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

0 引 言

鋪管船作為一種重要的大型海洋工程裝備在海洋油氣開采、輸送過程中發(fā)揮了重要作用。鋪管船不僅配備大量昂貴且重要的作業(yè)設(shè)備，而且還為大量工程人員提供海上膳食和生活處所。鋪管船必須具備足夠的安全性，以確保船舶適應(yīng)惡劣海況。

海洋工程物的結(jié)構(gòu)強度是各類安全要求中最基本、最重要的一項。鋪管船的總強度評估和局部強度評估受到船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)工作者的高度重視。而鋪管船的過橋（gangway bridge）作為連接鉆井平臺和鋪管船間的主要裝置，為工程人員日常通行提供安全的通道。在復(fù)雜的工況中，過橋除了承受其自身重量、人員活動載荷外，還要考慮不同海況下風(fēng)載以及加速度。因此，其支撐結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計顯得尤為重要。

隨著各類仿真工程軟件的發(fā)展，有限元法已經(jīng)成為一種非常重要的結(jié)構(gòu)強度評估手段，且已在船舶與海洋工程的設(shè)計領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。本文將應(yīng)用有限元法對鋪管船的過橋裝置的支撐結(jié)構(gòu)進行強度評估。

1 鋪管船過橋裝置特點

過橋裝置一般由可伸縮的通道箱體（telescopic trusswork）、鋼塔（Steel tower，包含驅(qū)動裝置）、支撐筒體（pedestal）和端部錐形限位塊（cone）組成。為了降低結(jié)構(gòu)重量，伸縮式通道箱體一般由鋁材焊接而成，并設(shè)防護網(wǎng)保護人員安全。錐形限位塊置于箱體的端部。鋼塔設(shè)有電動或者液壓驅(qū)動裝置用來調(diào)整過橋的水平角和翹角。筒體通過一組螺栓或者焊接等形式將整個過橋裝置牢固地固定在鋪管船的船體結(jié)構(gòu)上。

另外，由于支撐筒體較高（約 5～18m），人員難以直接快速、便利地登上通道箱體，一般在過橋邊設(shè)置雙向通道塔臺（two-ways access tower），通道需滿足SOLAS要求。為了避免因為船舶運動產(chǎn)生的晃動損壞裝置，通常還會在適當(dāng)位置設(shè)置托架（boomrest）用來固定和支撐箱體（見圖1）。

圖1 過橋裝置側(cè)視圖

2 載荷計算

2.1 簡述

整個過橋裝置通常承受風(fēng)載荷（wind load）、活動載荷(live load)以及船舶隨波運動過程中的加速度（acceleration forces due to vessel movements）。因此，對筒體根部或位于甲板反面的支撐結(jié)構(gòu)而言，除受過橋裝置各設(shè)備自重外，還需考慮由這些水平方向載荷所引起的彎矩。

本設(shè)計載荷計算點位于甲板處，即筒體的最下端。過橋自筒體中心起計的設(shè)計長度L為42.5m，過橋的其他尺度及操作要求如下：

(1) 名義長度：（36.5±6）m；(2) 最小長度：30.5m；(3) 最大長度：42.5m；(4) 最小操作角：-16.5°；(5) 最大操作角：+23°。

2.2 設(shè)計載荷

2.2.1 自重載荷

自重載荷見表1。

表1 自重載荷匯總 單位：kN

2.2.2 活動載荷

過橋箱體區(qū)域面積計算：L×W=60 m2

匯總見表2。

表2 活動載荷匯總

2.2.3 風(fēng)載荷

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷，其數(shù)值由過橋結(jié)構(gòu)所處的水平高度的風(fēng)速所確定。對于正常和極端工況，設(shè)風(fēng)速為35.0m/s，對于意外工況設(shè)風(fēng)速為50.0m/s 。

為了便于計算，參考有關(guān)資料[1]，作如下假定：1) 任一受風(fēng)構(gòu)件的風(fēng)力與風(fēng)向一致, 載荷按均布載荷考慮；2) 在受風(fēng)時, 不考慮立柱或者其他結(jié)構(gòu)之間的相互遮蔽作用；3) 鋪管船水上部分所受的風(fēng)力與鋪管船水下部分的水阻力相平衡；4)不計鋪管船繞Z軸旋轉(zhuǎn)的影響。

風(fēng)力根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)[2]計算確定?；A(chǔ)風(fēng)壓：

2.2.3.1 作用在鋁制箱體上的風(fēng)載荷

箱體的體積系數(shù)φ由下式可得：

式中：A——所有構(gòu)件的投影面積；Ac——封閉區(qū)域的面積，Ac=l(箱體長)?b(箱體高)。

伸縮式箱體的投影面積見圖2。

圖2 伸縮式箱體的投影面積

據(jù)此，可分別計算出：

φPart1=0.315 ? 載荷系數(shù)cf=1.6

φPart2=0.372 ? 載荷系數(shù)cf=1.6

頂部相同考慮 ? 載荷系數(shù)cf=1.6

考慮到屏蔽作用影響，對于φ≤0.6時，有：

式中：a——格架的寬度（2430mm、1700mm）；b——格架的高度（3660mm、2620mm）。

經(jīng)計算可得：

風(fēng)載荷可由式（4）計算：

式中：Cf——載荷系數(shù)；Aref——參考投影面積。

考慮到風(fēng)壓作用在過橋的縱方向上，因此對于頂部區(qū)域的風(fēng)載荷需考慮形狀系數(shù)，可由式（5）計算：

Areftop=56m2（實量面積為38m2，但考慮到安全網(wǎng)和格柵后另增加18m2）

FwPart1= 54.79 kN；FwPart2= 46.54 kN；Fwtop= 112.22 kN。

2.2.3.2 作用在支撐筒體上的風(fēng)載荷

對于任意旋轉(zhuǎn)角度的工況，作用在筒體上的風(fēng)載荷都按背側(cè)受風(fēng)考慮。

筒體各部位主要尺度見表3。

表3 簡體各部位主要尺度 單位：mm

船舶運動的加速度見表4。

表4 船舶運動加速度 單位：ms-2

2.2.3.3 基本載荷匯總

基本載荷匯總見表5。

表5 基本載荷匯總

3 工況選擇

3.1 載荷組合

根據(jù)海上作業(yè)企業(yè)實際操作經(jīng)驗，所有涉及的工況是指包括螺栓固定連接端在內(nèi)的單邊支持的工況。單端固定的情況按如下幾種工況來定義：

操作工況是指正常空載起吊。即為：無活動載荷+最大工作天氣條件，風(fēng)速35m/s+最大起吊長度等情況組合。意外工況是指極端氣候下負載起吊。即為：包含活動載荷+極端天氣情況，風(fēng)50m/s+最大起吊長度等情況組合。

載荷系數(shù)按挪威海事標(biāo)準(zhǔn)[3]確定（見表6）。

表6 載荷系數(shù)

根據(jù)實際操作條件，選擇8種最危險的工況用作強度評估（見表7）。

表7 工況說明

甲板位置的反作用力，在考慮各計算系數(shù)后，各種工況的載荷見表8。

表8 各種工況下載荷

4 有限元模型

采用靜力學(xué)分析的方法，對船體支撐結(jié)構(gòu)的屈服強度進行有限元法直接計算。模型中采用笛卡兒右手坐標(biāo)系。X軸正向指向船首，Y軸正向指向左舷，Z軸正向垂直向上。

有限元模型包括支撐筒體下的船體原有結(jié)構(gòu)、加強結(jié)構(gòu)。甲板板、外板、艙壁板以及強橫梁和甲板縱桁的腹板采用二維殼元模擬，甲板縱骨、艙壁扶墻材、舷側(cè)縱骨等次要構(gòu)件采用2-D梁單元模擬。圍壁、支點及邊界采用自由支持。

船體及加強結(jié)構(gòu)材料主要為船用普通鋼，泊松比為0.3，彈性模量取2.06GPa，密度為7.85t/m3。典型應(yīng)力云圖（見圖3）。

圖3 典型應(yīng)力云圖

通過計算，可直接得到各設(shè)計工況下的單元的應(yīng)力。根據(jù)要求對單元的合成應(yīng)力[4]進行評估，并對各工況下的最大合成應(yīng)力、發(fā)生位置和最大應(yīng)力分量進行統(tǒng)計，參見表9、10。

表9 最大屈服應(yīng)力匯總

表10 最大應(yīng)力分量匯總

由于本次校核屈服強度的合成應(yīng)力和剪切應(yīng)力都比較接近許用值，處于相對較高的應(yīng)力水平，因此就有必要對可能出現(xiàn)的受壓屈曲失穩(wěn)采取進一步分析。

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況的強度分析，可根據(jù)計算確定結(jié)構(gòu)臨界載荷和屈曲模態(tài)（見圖4）。屈曲評估假定結(jié)構(gòu)為理想彈性結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)在達到屈曲載荷之前其位移—變形曲線表現(xiàn)出線性關(guān)系。采用特征值屈曲分析法進行評估。有限元分析程序依據(jù)有限元程序根據(jù)特征值公式計算造成結(jié)構(gòu)負剛度的應(yīng)力剛度陣的比例因子?？筛鶕?jù)這些比例因子確定失穩(wěn)點。計算考慮3階屈曲模態(tài)，計算結(jié)果匯于表11。

表11 三階屈曲因子匯總

圖4 典型屈曲模態(tài)及屈曲因子

由此可知，過橋裝置的支撐結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)那颓鷱姸?，滿足規(guī)范[5]要求。同時，最大應(yīng)力和變形主要出現(xiàn)在甲板下筒體與強橫梁或與甲板縱桁相連接處附近。對此區(qū)域而言，在設(shè)計階段以及在后續(xù)的建造階段需要給予必要的重視，以保證結(jié)構(gòu)強度。

5 結(jié) 語

牢固可靠的支撐結(jié)構(gòu)是保障人員和船舶安全的基本前提。結(jié)構(gòu)強度問題需要在設(shè)計過程中特別注意。盡管此區(qū)域的強度問題較為敏感，但是有關(guān)這類問題處理方法的文章并不多見。本文結(jié)合有關(guān)規(guī)則要求并結(jié)合項目經(jīng)驗對鋪管船支撐結(jié)構(gòu)強度評估進行總結(jié)。方法主要以法規(guī)、規(guī)范為依據(jù)，通過計算確定過橋支撐結(jié)構(gòu)的基本載荷,并結(jié)合設(shè)備海上操作情況，再確定一系列工況組合。根據(jù)這些載荷和組合工況用有限元法驗證了結(jié)構(gòu)的屈服強度?？紤]到可能存在的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，最后還對結(jié)構(gòu)進行了屈曲評估和說明。

[1] 譚 美，馮 軍，熊 飛. 自升式鉆井平臺風(fēng)載荷研究[J]. 船舶與海洋工程，2014, (1): 18-23.

[2] ENV 1991-2-4:1995 EURO CODE 1 BASIS OF DESIGN AND ACTIONS ON STRUCTURES[S].

[3] NORWEGIAN MARITIME DIRECTORATE[Z]. DRAFT No.5, 1985.

[4] 張少雄，李雪良，陳有芳. 船舶結(jié)構(gòu)強度直接計算中板單元應(yīng)力的取法[J]. 船舶工程，2004, (3): 21-23.

[5] AMERICAN BUREAU OF SHIPPING[S]. RULES FOR BUILDING AND CLASSING/MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS.2012.