王正權(quán)， 邵小豐， 胡國(guó)賢， 楊勝國(guó)

(煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

海工用單軌吊梁支撐設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

王正權(quán)， 邵小豐， 胡國(guó)賢， 楊勝國(guó)

(煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

海工用單軌吊梁以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)會(huì)造成設(shè)計(jì)冗余不足，因此，選擇常用的3 t及以下的單軌吊梁為研究對(duì)象，通過(guò)力學(xué)原理及模型簡(jiǎn)化進(jìn)行實(shí)際受力和強(qiáng)度校核，給出單軌吊梁的設(shè)計(jì)參考數(shù)值，進(jìn)而優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

單軌吊梁；支撐布置；支撐連接

0 引言

以往的單軌吊梁設(shè)計(jì)中，工程師對(duì)于吊梁的選取及其支撐的布置沒(méi)有清晰的概念，都只是憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有詳細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)支撐，往往造成設(shè)計(jì)的過(guò)度冗余或不足，浪費(fèi)了大量的人力工時(shí)及材料。而3 t及以下單軌吊梁的應(yīng)用在海工裝備中的數(shù)量較多，所以亟需梳理和總結(jié)其設(shè)計(jì)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固化，從而為后續(xù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

應(yīng)用力學(xué)原理進(jìn)行模型簡(jiǎn)化及計(jì)算，基于美國(guó)船級(jí)社(ABS)的WSD 許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，即只考慮材料的屈服強(qiáng)度利用系數(shù)，并結(jié)合常用的海工規(guī)范，校核不同起重作業(yè)工況下吊梁工字鋼、支撐的強(qiáng)度及剛度，以確定不同工況下工字鋼及支撐的尺寸及布置，使其滿足材料特性及規(guī)范的要求。最后將單軌吊梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)固化，成為企業(yè)內(nèi)部通用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 工字鋼選取

綜合吊梁起重滑車(chē)供應(yīng)商的選型配置，并結(jié)合船廠海工項(xiàng)目的建造經(jīng)驗(yàn)，在根據(jù)最重起吊設(shè)備/部件的重量確定吊梁的安全載荷(SWL)后，根據(jù)表1中的參數(shù)選取合適的工字鋼作為吊梁[1]。圖1為工字鋼剖面尺寸示意圖。

表1 工字鋼選取

圖2 工字鋼尺寸

2 支撐選取、連接及強(qiáng)度校核

2.1 支撐選取

根據(jù)海工行業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，選取ASTM A106A/A106 M標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫鋼管作為吊梁的支撐，相關(guān)參數(shù)信息見(jiàn)表2。

表2 支撐選取相關(guān)參數(shù)

2.2 支撐與船體結(jié)構(gòu)的連接

鋼管支撐不能直接與結(jié)構(gòu)甲板焊接連接，須與球扁鋼、T型材或角鋼等扶強(qiáng)材焊接連接，以消除吊梁對(duì)主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響。根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得到支撐與球扁鋼、T型材的連接形式，供設(shè)計(jì)參考。

(1) 與球扁鋼連接

鋼管支撐通過(guò)加強(qiáng)板與球扁鋼相連接，加強(qiáng)板插入圓管的條形槽內(nèi)，且為了避免凝水及臟物進(jìn)入圓管并考慮外形美觀，對(duì)圓管削斜開(kāi)口處用半徑50 mm(R50)的半圓形蓋板進(jìn)行封蓋，所有焊接連接使用普通直角焊接，如圖2所示。

(2) 與T型材連接

鋼管支撐與T型材面板直接焊接連接，且根據(jù)布置位置及空間尺寸，對(duì)支撐的一側(cè)或兩側(cè)采取肘板加強(qiáng)，增加支撐連接的牢固性，如圖2所示。

圖2 支撐連接形式

2.3 支撐強(qiáng)度校核

2.3.1 受力設(shè)計(jì)

支撐受力如圖3所示，長(zhǎng)度為H的圓管支撐與工字鋼焊接，考慮起重設(shè)備的動(dòng)態(tài)操作，支撐的受力分為水平力Ps和豎直力Pv。

圖3 支撐受力分析

參考標(biāo)準(zhǔn)NORSOK R002中H.5.2的要求計(jì)算支撐受力[2]：

(1) 豎直方向受力

計(jì)算支撐受力：計(jì)算時(shí)選取動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)為1.5，即

式中：g為重力加速度，g=9.81 N/kg。

(2) 水平方向受力

校核計(jì)算時(shí)水平方向的受力為10%的Pv，即

2.3.2 支撐材料特性

支撐材料選取ASTM A106 GR.B無(wú)縫鋼管，其屈服極限σs=240 MPa,根據(jù)一般機(jī)械制造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，材料的安全系數(shù)取1.2，則彎曲許用應(yīng)力[σ]=200 MPa，剪切許用應(yīng)力[τ]=120 MPa。鋼管支撐的其他特性見(jiàn)表3。

表3 支撐用鋼管其他材料特性

2.3.3 支撐極限長(zhǎng)度確定

根據(jù)以上受力分析及力學(xué)原理可得；

由σ=σa+σb= Pv/A+ Ps·H/W= Pv/A+ Pv·10%·H/W，得出：

當(dāng)σ=[σ]時(shí)，H具有極限長(zhǎng)度，即允許出現(xiàn)的最大長(zhǎng)度。安全載荷分別為1.0 t、2.0 t和3.0 t時(shí)，各個(gè)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各參數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以得出，當(dāng)σ=[σ]=200 MPa時(shí)，不同載荷下的剪應(yīng)力τ<[τ]=120 MPa，且支撐的最大長(zhǎng)度可以分別做到1 502 mm，1 337 mm，1 461 mm。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，在保證設(shè)備起吊高度的前提下應(yīng)盡可能縮短支撐長(zhǎng)度，以保證支撐具有足夠的受力強(qiáng)度和吊梁操作穩(wěn)定性，從而確保船上起重作業(yè)的安全性。

3 工字鋼的強(qiáng)度與剛度校核

3.1 最大跨距時(shí)工字鋼的強(qiáng)度及剛度校核

3.1.1 支撐間最大跨距的確定

支撐間距布置如圖4所示，吊梁支撐間的跨距為L(zhǎng)，受集中載荷P的作用，根據(jù)受力工況及力學(xué)原理，需要計(jì)算出L允許出現(xiàn)的最大值，以使實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的支撐布置更合理，避免過(guò)度設(shè)計(jì)，減少支撐數(shù)量，從而降低建造成本。

圖4 支撐間距布置

根據(jù)力學(xué)原理，將上述的受力工況簡(jiǎn)化為集中載荷作用下，兩端固定的簡(jiǎn)支梁，其受力簡(jiǎn)圖及撓曲線方程，見(jiàn)表5。

表5 簡(jiǎn)支梁受力簡(jiǎn)圖

表6 不同載荷下支撐間最大跨度及工字鋼垂向最大撓度

通過(guò)表6的計(jì)算結(jié)果可以看出，安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時(shí)吊梁支撐的最大跨距分別為2 824 mm、3 643 mm、3 563 mm，對(duì)應(yīng)的最大撓度分別為4.7 mm、6.1 mm、5.9 mm，且都滿足f≤25 mm的要求。

3.1.2 工字鋼的強(qiáng)度與剛度校核

通過(guò)3.1.1節(jié)的計(jì)算，根據(jù)規(guī)范的要求得出了吊梁支撐間的最大跨距，而該部分內(nèi)容需要校核支撐在按照最大跨距布置時(shí)的強(qiáng)度及剛度是否滿足材料的特性要求，否則須根據(jù)強(qiáng)度和剛度的要求調(diào)整支撐間的跨距，以最終確定最大跨距。

(1) 強(qiáng)度校核

由強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)截面梁的最大彎矩，工字鋼中間截面的彎矩為

且彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件為

根據(jù)式(5)和式(6)得到不同載荷下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同載荷下工字鋼強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表7的計(jì)算結(jié)果可以得出，支撐按最大跨距布置時(shí)，吊梁中間截面處的彎曲正應(yīng)力都小于彎曲許用應(yīng)力[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

(2) 剛度校核

通過(guò)3.1.1節(jié)的計(jì)算過(guò)程可以得出，支撐的布置跨距在L≤Lmax時(shí)，吊梁的垂向撓度f(wàn)≤fmax=L/600，此時(shí)吊梁的剛度滿足要求。通過(guò)強(qiáng)度和剛度的校核計(jì)算可以得出：安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時(shí)，吊梁支撐間的最大跨距分別為2 824 mm、3 643 mm、3 563 mm，設(shè)計(jì)時(shí)可以參考使用。

3.2 吊梁端部最大外伸長(zhǎng)度計(jì)算

3.2.1 最大外伸長(zhǎng)度確定

懸臂梁受力如圖5所示，在布置支撐時(shí)，由于船體結(jié)構(gòu)的限制或支撐間距的調(diào)整，工字鋼會(huì)出現(xiàn)一段外伸長(zhǎng)度，將根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定工字鋼允許出現(xiàn)的最大外伸長(zhǎng)度，以供設(shè)計(jì)參考[4]。

圖5 懸臂梁受力分析

根據(jù)力學(xué)原理，將懸臂梁受力簡(jiǎn)化為集中載荷作用下，一端固定，一端自由的懸臂簡(jiǎn)支梁，其簡(jiǎn)圖及撓曲線方程如表8所示。

表8 懸臂梁受力簡(jiǎn)圖

參考規(guī)范DNV-OS-C101, Section 8中對(duì)結(jié)構(gòu)懸臂梁的要求，懸臂工字鋼在自由端受集中力作用時(shí)垂向撓度應(yīng)為f≤2L/600=L/300。

表9 不同載荷下的最大外伸長(zhǎng)度及最大撓度

通過(guò)表9的計(jì)算結(jié)果可以看出，安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時(shí)懸臂梁的最大外伸長(zhǎng)度分別為998 mm、1 288 mm、1 260 mm，對(duì)應(yīng)的最大撓度分別為3.3 mm、4.3 mm、4.2 mm，均滿足f≤25 mm的要求。

3.2.2 工字鋼的強(qiáng)度與剛度校核

對(duì)校核懸臂梁最大長(zhǎng)度外伸時(shí)的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行校核若不滿足材料的特性要求，須根據(jù)強(qiáng)度和剛度的要求調(diào)整外伸長(zhǎng)度，以最終確定最大外伸長(zhǎng)度。

(1) 強(qiáng)度校核

根據(jù)懸臂梁的受力簡(jiǎn)圖，其剪力圖和彎矩圖如圖6所示。

圖6 懸臂梁剪力圖和彎矩圖

由圖6可知，在梁的各橫截面上，剪力相同。在固定端橫截面處，彎矩最大。不同載荷工況下，剪應(yīng)力及彎曲應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表11 彎曲應(yīng)力結(jié)果

通過(guò)表10、表11的計(jì)算結(jié)果可以得出，懸臂梁在以最大長(zhǎng)度Lmax外伸時(shí)，其強(qiáng)度滿足材料的特性要求。

(2) 剛度校核

通過(guò)3.2.1節(jié)的計(jì)算過(guò)程可以得出，工字鋼的外伸長(zhǎng)度在L≤Lmax時(shí)，其垂向撓度f(wàn)≤fmax=L/300，此時(shí)吊梁的剛度滿足要求。

綜合以上強(qiáng)度和剛度的校核計(jì)算可以得出：安全載荷為1.0 t、2.0 t及3.0 t時(shí)，懸臂梁的最大外伸長(zhǎng)度分別為998 mm，1 288 mm，1 260 mm，設(shè)計(jì)時(shí)可以參考使用。

4 結(jié)論

基于理論力學(xué)原理進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況和相關(guān)的行業(yè)規(guī)范進(jìn)行分析和計(jì)算，該文求解出了不同安全載荷下吊梁布置設(shè)計(jì)的三個(gè)主要參數(shù)：鋼管支撐最大長(zhǎng)度、支撐間最大跨距及工字鋼最大外伸長(zhǎng)度，其對(duì)于海工用單軌吊梁的選型及布置設(shè)計(jì)給出了指導(dǎo)性的方案，避免了個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供了有效的技術(shù)支撐。

[1] Hot Rolled section steel：GB/T 706-2008[S].2008.

[2] Annex H. Lifting Equipment：NORSOK R002[S].Edition 2.2012.

[3] Eurocode 3-Design of Steel Structure-Part 6:Crane Supporting Structures：EN 1993-6-2007[S].2007.

[4] Standard Specification for seamless carbon steel pipe for high-temperature service：ASTM A106A/A106 M-2008[S].2008.

Support Design and Strength Check for Offshore Monorail

WANG Zheng-quan, SHAO Xiao-feng, HU Guo-xian, YANG Sheng-guo

(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd, Shandong Yantai 264000, China)

As for 3 tons and below monorails used in offshore rigs, because of design redundancy and deficiency caused by empirical design, mechanics principle and model simplification will be utilized in this paper to complete the implement of actual stress and strength check calculation, then give the monorail design reference value for further design optimization.

monorail crane girder; support arrangement; support connection

1001-4500(2016)06-0015-08

2016-04-01

王正權(quán)(1985-)，男，工程師。

TP391

A