王從晶

(中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所，上海 200135)

0 引 言

超大型礦砂船(Very Large Ore Carrier, VLOC)是專門設(shè)計(jì)用于運(yùn)輸鐵礦石的散貨類船型。近年來(lái)，VLOC的需求與日俱增，我國(guó)發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)使230 000～400 000 t的多型礦砂船受到關(guān)注。研究和掌握VLOC的設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)保障船舶安全具有重要意義。

VLOC裝載的礦砂密度高，為提供足夠的浮力和船舶穩(wěn)性，在結(jié)構(gòu)橫剖面設(shè)計(jì)時(shí)，橫向設(shè)計(jì)為中部貨艙，兩邊設(shè)置邊壓載艙或空艙，且邊壓載艙或空艙的橫向尺寸與貨艙相當(dāng)。VLOC吃水深、裝載量大、壓載艙大的特點(diǎn)對(duì)橫剖面強(qiáng)框架的設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)。橫撐材作為強(qiáng)框架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如果整體失穩(wěn)將導(dǎo)致整個(gè)強(qiáng)框架的結(jié)構(gòu)坍塌，因此，有必要對(duì)橫撐材結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行深入的研究。

VLOC橫撐材兩端分別由舷側(cè)板和內(nèi)殼縱艙壁支撐，其屈曲主要考慮兩端承受外部海水載荷和貨艙內(nèi)的貨物載荷。薄壁構(gòu)件廣泛應(yīng)用于土木、航空、造船、海洋工程、橋梁等領(lǐng)域[1]。橫撐材通常設(shè)計(jì)為開口薄壁結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，重量輕而強(qiáng)度高，且便于施工，但其抗扭性能弱的缺點(diǎn)顯而易見。橫撐材結(jié)構(gòu)構(gòu)件壁薄而修長(zhǎng),在外力作用下常易產(chǎn)生翹曲扭轉(zhuǎn)變形,設(shè)計(jì)不合理將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。若在分段建造時(shí)施工對(duì)位不精準(zhǔn)使橫撐材存在初始扭轉(zhuǎn)角，加之焊接引起的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力等其他缺陷的共同影響，對(duì)于橫撐材的穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響[2-3]。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)如何選擇橫撐材的橫截面形狀和尺度，在減輕鋼料重量的同時(shí)又能提高抗屈曲能力成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

以某型VLOC為例，對(duì)其邊艙內(nèi)強(qiáng)框架上典型橫撐材結(jié)構(gòu)的柱屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和組合扭轉(zhuǎn)/柱屈曲強(qiáng)度展開計(jì)算分析研究，以期找出相關(guān)規(guī)律用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1 橫撐材的屈曲理論

屈曲失穩(wěn)是橫撐材結(jié)構(gòu)的主要失效模式之一。閉合公式法(Closed Formula Method, CFM)，是具有現(xiàn)代技術(shù)水平的一種高級(jí)屈曲評(píng)估方法。中國(guó)船級(jí)社(CCS)《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》[4]、《礦砂船船體結(jié)構(gòu)高級(jí)屈曲評(píng)估指南》[5]和文獻(xiàn)[6]均對(duì)該方法進(jìn)行闡述。船舶工程應(yīng)用證明，該方法可用于計(jì)算橫撐材的屈曲。為便于比較研究，對(duì)采用該方法計(jì)算橫撐材屈曲的過程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 屈曲利用因子

軸向受壓的橫撐材，其屈曲利用因子η為

(1)

在計(jì)算校核時(shí)，η應(yīng)不大于許用屈曲利用因子ηa。文中用ηaσcr表示許用屈曲應(yīng)力，σav<ηaσcr即滿足屈曲要求。

1.2 彈性柱屈曲應(yīng)力

軸向受壓的彈性柱屈曲應(yīng)力σEC為

(2)

式中：E為彈性模量，N/mm2；fend為端部約束因子，橫撐材取2.0；I為橫截面的最小慣性矩，cm4；A為構(gòu)件的橫截面積，cm2；λpill為構(gòu)件長(zhǎng)度，m。

由式(2)可看出：提高柱屈曲應(yīng)力的方法是提高最小慣性矩與橫截面積的比值。

1.3 彈性扭轉(zhuǎn)屈曲應(yīng)力

軸向受壓的彈性扭轉(zhuǎn)屈曲應(yīng)力σET為

(3)

式中：G為剪切模量，N/mm2；Isv為圣維南慣性矩，cm4；Ipol為關(guān)于橫截面剪切中心的極慣性矩，cm4；cwarp為翹曲常數(shù)，cm6。

由式(3)可看出：提高扭轉(zhuǎn)屈曲應(yīng)力的方法是提高圣維南慣性矩與極慣性矩的比值、提高翹曲常數(shù)與極慣性矩的比值。圣維南慣性矩與截面形狀關(guān)系不大，因此，優(yōu)化截面的抗扭轉(zhuǎn)屈曲性能應(yīng)從提高截面的翹曲常數(shù)與極慣性矩比值的角度進(jìn)行考慮。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)水平回轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度為β，β逆時(shí)針方向?yàn)檎龜?shù)，油缸伸長(zhǎng)量為Δl，油缸伸長(zhǎng)時(shí)Δl為正數(shù)，油缸縮短時(shí)Δl為負(fù)數(shù)。設(shè)∠O4OO6=φ，r為回轉(zhuǎn)臺(tái)半徑，OO4=OO5=n，O4O6=O5O7=L′0，在三角形O4OO′6中，根據(jù)余弦定理可得水平回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度β的數(shù)學(xué)模型為

1.4 彈性扭轉(zhuǎn)/柱屈曲應(yīng)力

對(duì)于形心和剪切中心不重合的橫撐材截面，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)與柱屈曲模式之間的相互作用。軸向受壓的彈性扭轉(zhuǎn)/柱屈曲應(yīng)力σETF為

(4)

式中：ζ為系數(shù)。

2 橫撐材的屈曲計(jì)算分析

現(xiàn)有VLOC的強(qiáng)框架上一般設(shè)置橫撐材，典型的橫撐材橫截面如圖1和圖2所示，由豎板和水平桁及相應(yīng)的面板組成。

圖1 橫撐材Ⅰ

圖2 橫撐材Ⅱ

2.1 屈曲計(jì)算結(jié)果

第1節(jié)提到的相關(guān)規(guī)范只給出部分簡(jiǎn)單截面形狀的截面屬性計(jì)算公式，復(fù)雜截面的屬性只能通過直接計(jì)算得到。為方便研究，采用Patran軟件計(jì)算任意截面的面積、剪切中心至截面形心的距離、慣性矩、翹曲常數(shù)、圣維南慣性矩等截面屬性，然后根據(jù)CFM進(jìn)行橫撐材的屈曲計(jì)算。以某型VLOC橫撐材為例，計(jì)算柱屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲、組合扭轉(zhuǎn)/柱屈曲，針對(duì)VLOC橫撐材的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)幾種截面形狀進(jìn)行比較并對(duì)水平桁寬度、面板偏心等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響進(jìn)行分析。在計(jì)算中許用屈曲利用因子ηa取0.75[5]，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 橫撐材的屈曲計(jì)算結(jié)果

由表1可知：對(duì)于軸向受壓的橫撐材，在3種屈曲失效模式中，組合扭轉(zhuǎn)/柱屈曲的屈曲應(yīng)力σETF最小，與單獨(dú)考慮扭轉(zhuǎn)的屈曲應(yīng)力σET幾乎相等，柱屈曲應(yīng)力σEC比另外2種模式大很多。對(duì)于VLOC這種軸向受壓的開口截面橫撐材，通?？古まD(zhuǎn)屈曲能力弱于抗柱屈曲能力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)考慮柱屈曲外，還應(yīng)關(guān)注扭轉(zhuǎn)屈曲。VLOC比較肥大，邊艙強(qiáng)框架比較寬，在實(shí)際建造過程中通常在橫撐材上進(jìn)行分段，由于建造誤差，此分段位置的存在必然會(huì)造成最終分段合龍后橫撐材或多或少存在一定的面內(nèi)扭轉(zhuǎn)。該初始扭轉(zhuǎn)在橫撐材屈曲校核的假定條件中并不存在，但其易導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)屈曲的發(fā)生。因此，在VLOC的橫撐材屈曲分析中，在防止柱屈曲的同時(shí)，也應(yīng)防止扭轉(zhuǎn)屈曲的發(fā)生。

2.2 材料影響

同一截面形狀，相同的構(gòu)件尺寸，僅改變材料進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 不同材料的屈曲計(jì)算結(jié)果 N/mm2

由表2可知：高強(qiáng)度鋼AH32和AH36對(duì)屈曲結(jié)果的影響相差不大，高強(qiáng)度鋼比普通鋼的防屈曲效果更好。

對(duì)于橫撐材這種組合構(gòu)件，應(yīng)采用規(guī)定的材料最小屈服應(yīng)力的小者進(jìn)行計(jì)算[4-5]。因此，組成截面的各板材應(yīng)盡可能選用同一材質(zhì)。

2.3 長(zhǎng)度影響

相同材料，同一截面形狀，相同的構(gòu)件尺寸，僅改變長(zhǎng)度進(jìn)行分析，如表3所示。

由表3可知：長(zhǎng)度對(duì)橫撐材的屈曲結(jié)果影響較大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)屈曲臨界應(yīng)力越小，抗屈曲能力越差。長(zhǎng)度的平方與柱屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲、組合扭轉(zhuǎn)/柱屈曲臨界應(yīng)力反相關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)之初可結(jié)合布置考慮盡可能縮短橫撐材的長(zhǎng)度。

表3 不同長(zhǎng)度的屈曲計(jì)算結(jié)果

2.4 水平桁寬度影響

VLOC橫撐材由于與舷側(cè)垂直桁和縱艙壁垂直桁相互支撐，其在海水、貨物、艙內(nèi)壓載的載荷作用下承受較大的沿船長(zhǎng)方向的彎矩，橫撐材豎板與強(qiáng)框架在同一平面內(nèi)，豎板及其上下2個(gè)面板成為可提供抗彎能力的主要構(gòu)件，因此，在艙段有限元計(jì)算中屈服應(yīng)力較大，其尺寸在屈服校核時(shí)已大致確定，而其水平桁在計(jì)算中屈服應(yīng)力較小，水平桁則成為調(diào)節(jié)橫撐材屈曲能力的關(guān)鍵。為方便研究水平桁寬度的影響，以圖2截面作為研究對(duì)象，其他參數(shù)不變，僅改變水平桁寬度進(jìn)行分析，如表4所示。

由表4可知：當(dāng)水平桁的寬度較小時(shí)，柱屈曲的臨界應(yīng)力起決定作用；當(dāng)寬度達(dá)到一定值后扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界應(yīng)力起決定作用。屈曲能力隨著寬度的增大其變化趨勢(shì)為：剛開始有所提高，之后保持一定的水平，隨后再增加寬度，抗屈曲能力反而隨之降低。

表4 不同水平桁寬度的屈曲計(jì)算結(jié)果

2.5 上下對(duì)稱性影響

將水平桁沿豎板上下移動(dòng)后，使橫撐材上下對(duì)稱或不對(duì)稱，截面對(duì)比如圖3所示，屈曲結(jié)果計(jì)算比較如表5所示。

圖3 截面對(duì)比Ⅰ

由表5可知：橫撐材的水平板設(shè)置在豎板的中點(diǎn)處比豎板其他位置的抗屈曲性能更佳。

表5 上下對(duì)稱性的屈曲計(jì)算結(jié)果

2.6 十字交叉影響

十字形截面優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，但其抗扭性能弱的缺點(diǎn)顯而易見。若其存在初始扭轉(zhuǎn)角，加之其他缺陷的共同影響，對(duì)于十字形截面構(gòu)件的穩(wěn)定性能將產(chǎn)生影響。在VLOC橫撐材截面豎板后端增加一個(gè)桁材使之變成十字形截面，截面對(duì)比如圖4所示，分析結(jié)果如表6所示。

圖4 截面對(duì)比Ⅱ

表6 不同截面形狀的屈曲計(jì)算結(jié)果

由表6可知：在豎板前后端均設(shè)置桁材降低翹曲常數(shù)與極慣性矩的比值，截面積增加反而降低橫撐材的抗屈曲能力，主要是抗扭轉(zhuǎn)屈曲的能力，浪費(fèi)鋼材。

2.7 面板偏心影響

不改變橫撐材各板材的尺寸，僅將水平桁的面板由對(duì)稱改為偏心，截面對(duì)比如圖5所示，分析結(jié)果如表7所示。

表7 水平桁面板對(duì)稱與偏心的屈曲計(jì)算結(jié)果

圖5 截面對(duì)比Ⅲ

水平桁面板偏心比對(duì)稱的屈曲能力提高約14%，主要是由于截面積未增加，翹曲常數(shù)與極慣性矩的比值卻大幅提高，因此，水平桁面板偏心設(shè)置可較好地改善橫撐材的屈曲性能，節(jié)省鋼料，且方便施工，避免對(duì)稱面板定位、端部彎板等帶來(lái)的不便。但同時(shí)應(yīng)注意，面板作為腹板的邊界支撐，應(yīng)滿足剛度尺度比的要求[6-7]。如面板在腹板的任一側(cè)寬度超過180 mm，應(yīng)設(shè)置防傾肘板以支撐面板，且應(yīng)結(jié)合防傾肘板的間距要求考慮。

2.8 水平桁面板尺寸影響

其他參數(shù)不變，僅改變水平桁的面板尺寸，分析結(jié)果如表8所示。

表8 不同水平桁面板尺寸的屈曲計(jì)算結(jié)果

截面積增加約6%，慣性矩增大約33%，極慣性矩增大約12%，圣維南慣性矩增大約18%，翹曲常數(shù)增大約45%，屈曲能力提升約22%。增加橫撐材水平桁的面板寬度和厚度對(duì)提高橫撐材的抗屈曲能力效果顯著。

2.9 小 結(jié)

VLOC橫撐材的屈曲計(jì)算有如下規(guī)律：(1)橫撐材采用高強(qiáng)度鋼比普通鋼的防屈曲效果略好；(2)縮短橫撐材的長(zhǎng)度可有效地提高橫撐材的抗屈曲性能；(3)橫撐材上水平桁的寬度過寬會(huì)降低橫撐材的抗扭轉(zhuǎn)屈曲能力；(4)橫撐材的水平桁設(shè)置在豎板的中點(diǎn)處比在豎板其他位置的抗屈曲性能更佳；(5)十字交叉的橫撐材所耗的鋼料較多，且對(duì)抗扭轉(zhuǎn)屈曲可能更不利；(6)橫撐材水平桁面板偏心比對(duì)稱的防屈曲效果更好，且方便施工和節(jié)省鋼料；(7)增加橫撐材水平桁的面板寬度和厚度對(duì)提高橫撐材抗扭轉(zhuǎn)屈曲效果顯著。

結(jié)合上述規(guī)律，建議VLOC橫撐材在設(shè)計(jì)時(shí)各板材均采用高強(qiáng)度鋼，水平桁設(shè)置在豎板中點(diǎn)處，水平桁寬度不宜過寬，方便施工、滿足屈服和PMA要求(如水平桁可作為PMA)，水平桁面板設(shè)置偏心，且可通過增大水平桁面板的寬度和厚度有效提升橫撐材的整體抗屈曲能力，結(jié)合屈曲計(jì)算結(jié)果確定橫撐材的界面尺寸。

3 結(jié) 語(yǔ)

VLOC橫撐材的屈曲強(qiáng)度是保證其橫向強(qiáng)框架不發(fā)生失穩(wěn)，保證其海上安全航行的關(guān)鍵。通過對(duì)VLOC典型橫撐材屈曲的研究得出一些規(guī)律，可為VLOC橫撐材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和審圖提供參考和建議。橫撐材屈曲計(jì)算方法基于梁理論得到，該方法的成立需要滿足梁理論的假定條件，因此應(yīng)用該方法得到的屈曲結(jié)果存在一定誤差。如需要詳細(xì)分析橫撐材在復(fù)雜的受力狀況和端部連接形式下的屈曲強(qiáng)度，建議采用有限元方法進(jìn)行屈曲計(jì)算。