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(qiáng)度是各類安全要求中最基本、最重要的一項(xiàng)。鋪管船的總強(qiáng)度評估和局部強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)度評估手段，且已在船舶與海洋工程的設(shè)計(jì)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(jìn)行強(qiáng)度評估。

1 鋪管船過橋裝置特點(diǎn)

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(dòng)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(hù)網(wǎng)保護(hù)人員安全。錐形限位塊置于箱體的端部。鋼塔設(shè)有電動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)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(gè)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?yàn)榇斑\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的晃動(dòng)損壞裝置，通常還會(huì)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(jì)算

2.1 簡述

整個(gè)過橋裝置通常承受風(fēng)載荷（wind load）、活動(dòng)載荷(live load)以及船舶隨波運(yùn)動(dòng)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(jì)載荷計(jì)算點(diǎn)位于甲板處，即筒體的最下端。過橋自筒體中心起計(jì)的設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)載荷

過橋箱體區(qū)域面積計(jì)算：L×W=60 m2

匯總見表2。

表2 活動(dòng)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(jì)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(shí), 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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，有：

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

經(jīng)計(jì)算可得：

風(fēng)載荷可由式（4）計(jì)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(jì)算：

Areftop=56m2（實(shí)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(yùn)動(dòng)的加速度見表4。

表4 船舶運(yùn)動(dòng)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(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，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?？蛰d起吊。即為：無活動(dòng)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(fù)載起吊。即為：包含活動(dòng)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(shí)際操作條件，選擇8種最危險(xiǎn)的工況用作強(qiáng)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(jì)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(qiáng)度進(jìn)行有限元法直接計(jì)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(qiáng)結(jié)構(gòu)。甲板板、外板、艙壁板以及強(qiáng)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(diǎn)及邊界采用自由支持。

船體及加強(qiáng)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(jì)算，可直接得到各設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度分析，可根據(jù)計(jì)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(dá)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(jìn)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(jì)算造成結(jié)構(gòu)負(fù)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(diǎn)。計(jì)算考慮3階屈曲模態(tài)，計(jì)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?qiáng)度，滿足規(guī)范[5]要求。同時(shí)，最大應(yīng)力和變形主要出現(xiàn)在甲板下筒體與強(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)度問題需要在設(shè)計(jì)過程中特別注意。盡管此區(qū)域的強(qiáng)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對鋪管船支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估進(jìn)行總結(jié)。方法主要以法規(guī)、規(guī)范為依據(jù)，通過計(jì)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(yàn)證了結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度直接計(jì)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.