張炳發(fā) 胡貫勇 孔祥川

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

近年來，國家把發(fā)展海洋科技、經(jīng)營海洋、建設(shè)海洋強(qiáng)國放在了國家戰(zhàn)略的高度。材料是裝備制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，鋁合金具有密度小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)需要擠壓成各種復(fù)雜截面形狀，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬材料，也因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在海洋工程裝備領(lǐng)域。隨著人們對(duì)鋁合金的研究越來越深入，鋁合金在船舶和海洋工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多，例如直升機(jī)平臺(tái)、民用船舶、船用碼頭設(shè)備、鋁合金鉆桿等，也彰顯了其作為結(jié)構(gòu)材料的突出地位。因此，加強(qiáng)鋁合金在海洋工程的應(yīng)用研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

2 工程概況

基于半潛式支持平臺(tái)的可伸縮式登船棧橋，是一種更安全、更便捷、更舒適的海上人員轉(zhuǎn)移裝置，在一定范圍內(nèi)可以自由回旋，通過油缸變幅、伸縮通道使其滿足不同的高度、距離要求?？缮炜s式登船棧橋主要由支撐筒體、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、固定桁架、伸縮桁架、著陸錐、變幅機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)以及相關(guān)電氣、液壓控制系統(tǒng)等組成(見圖1)。

1.筒體 2.回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 3.固定桁架 4.伸縮桁架 5.著陸錐 6.變幅機(jī)構(gòu) 7.伸縮機(jī)構(gòu)圖1 可伸縮式登船棧橋

該棧橋?yàn)閮晒?jié)通道，均為由側(cè)面安全護(hù)網(wǎng)、鋁合金底板、鋁合金蓋板以及主桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成的箱形通道，通道的內(nèi)框桁架與外框桁架之間由滾輪、導(dǎo)軌嵌套聯(lián)結(jié)。位于回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，控制棧橋進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；伸縮桁架通過伸縮機(jī)構(gòu)、滾輪、軌道等實(shí)現(xiàn)一定幅度的伸長和縮短。其中，側(cè)向滾輪在伸縮過程中主要起導(dǎo)向作用，豎向滾輪負(fù)責(zé)傳遞內(nèi)、外桁架所承受的全部載荷與彎矩。棧橋上部采用拉式油缸變幅形式，實(shí)現(xiàn)棧橋的俯仰運(yùn)動(dòng)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)

該棧橋固定桁架和伸縮桁架采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)《DNVGL-ST-0358 Offshore gangways》規(guī)范對(duì)登船棧橋的相關(guān)設(shè)計(jì)要求[3]，結(jié)合鋁合金桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)可伸縮式登船棧橋的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，設(shè)計(jì)方法得到挪威(DNV)船級(jí)社認(rèn)可。

3 結(jié)構(gòu)型式

該棧橋固定桁架和伸縮桁架均采用框形桁架型式，由4片桁架組成。固定桁架(外通道)高3.52 m，長27.1 m，俯視略有錐度(見圖2)；伸縮桁架(內(nèi)通道)高2.56 m，長26.95 m，其中有效通行寬度1.5 m(見圖3)。桁架各處節(jié)點(diǎn)均采用焊接形式。

該棧橋采用牌號(hào)為6082-T6鋁合金材料，桁架上下弦桿、腹桿以及連接構(gòu)架均采用矩形截面，其材料力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

圖2 固定桁架

圖3 伸縮桁架

表2 鋁合金材料的基本力學(xué)性能

4 穩(wěn)定承載力計(jì)算

4.1 載荷分析

由于半潛支持平臺(tái)將在各種海況條件下作業(yè)，可伸縮式登船棧橋相應(yīng)的需要研究多種海況作用下的基本載荷和可能的載荷工況組合。

基本載荷主要包括：①自重載荷，棧橋自重以及所有安裝其中的設(shè)備重量；②活動(dòng)載荷，人員通過棧橋產(chǎn)生的載荷；③環(huán)境載荷，除非有特殊要求，主要考慮風(fēng)載；④運(yùn)動(dòng)載荷，由于棧橋安裝在平臺(tái)或船上，平臺(tái)或船的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的橫傾、縱傾、垂蕩等運(yùn)動(dòng)及其疊加，以及棧橋操作過程中的慣性力等，這些載荷都會(huì)對(duì)棧橋的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。

基于對(duì)載荷分析和棧橋的操作工況，確認(rèn)棧橋計(jì)算時(shí)的工況組合為：①人員正常輸送工況；②棧橋部署調(diào)度工況，包括伸縮和回收；③緊急撤離工況；④非工作工況(包括放置擱架上、運(yùn)輸)；⑤吊裝工況等。

在進(jìn)行棧橋結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)每種工況進(jìn)行載荷分析，加載對(duì)應(yīng)的基本載荷與載荷系數(shù)的乘積，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力計(jì)算。其中，載荷組合系數(shù)在規(guī)范《DNVGL-ST-0358 Offshore gangways》中已給出(見表3)。

表3 載荷組合系數(shù)

表中，G為永久載荷(結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、操作運(yùn)動(dòng)引起的垂向和水平載荷)；Q為可變功能載荷(活載、緩沖載荷)；E為環(huán)境載荷(氣候效應(yīng)引起的載荷、船舶運(yùn)動(dòng)引起的載荷)；DFLL為活載設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)棧橋類型而定，DFLL=1(1類棧橋)，DFLL=2(2、3、4類棧橋)；D為變形載荷。

4.2 承載力分析

歐洲鋁合金規(guī)范中，壓彎構(gòu)件承載力的計(jì)算，對(duì)于不同截面類型的構(gòu)件采用不同的公式，本棧橋項(xiàng)目為空心截面構(gòu)件，其驗(yàn)算彎曲失穩(wěn)承載力公式為[4]：

(1)

式中，NEd為軸向壓力載荷設(shè)計(jì)值；My,Ed為構(gòu)件繞強(qiáng)軸方向的彎矩設(shè)計(jì)值；Mz,Ed為構(gòu)件繞弱軸方向的彎矩設(shè)計(jì)值；NRd為構(gòu)件軸向受壓承載力設(shè)計(jì)值；My,Rd為受彎構(gòu)件強(qiáng)軸方向承載力設(shè)計(jì)值；Mz,Rd為受彎構(gòu)件弱軸方向承載力設(shè)計(jì)值；ψc=0.8，為公式指數(shù)。

因?yàn)殇X合金材料的彈性模量只有鋼材的1/3，而且為求經(jīng)濟(jì)節(jié)約，鋁合金型材截面往往設(shè)計(jì)較薄，變形和屈曲問題比較突出，因此需要考慮利用材料的屈曲后強(qiáng)度。同時(shí)，鋁合金材料的強(qiáng)度在溫度較高時(shí)大幅降低，故在焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)，也需要通過對(duì)截面厚度的折減來考慮材料強(qiáng)度降低的影響。

歐洲規(guī)范將構(gòu)件依據(jù)其局部屈曲而產(chǎn)生對(duì)其承載力和轉(zhuǎn)動(dòng)能力的影響，將構(gòu)件截面劃分為4個(gè)類別：1類截面，2類截面，3類截面，4類截面。如果是4類截面，則采用有效截面法對(duì)板件厚度進(jìn)行折減。歐洲規(guī)范采用局部屈曲系數(shù)βc對(duì)板件厚度進(jìn)行折減：

(2)

焊接熱影響區(qū)簡稱HAZ(Heat Affected Zone)，是指在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化的區(qū)域。焊接接頭是由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)3個(gè)部分組成時(shí)，要保證焊接接頭的質(zhì)量，就必須使焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能同時(shí)都達(dá)到要求。故對(duì)于焊接部位需要使用折減熱影響區(qū)截面之后的有效截面進(jìn)行更加準(zhǔn)確的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核。

熱影響區(qū)范圍內(nèi)強(qiáng)度的折減系數(shù)計(jì)算如下：

ρu,haz=fu,haz/fu

(3)

ρo,haz=fo,haz/fo

(4)

式中，fu,haz為熱影響區(qū)極限抗拉強(qiáng)度；fu為母材極限抗拉強(qiáng)度；ρu,haz為折減系數(shù)(或比例系數(shù))；fo,haz為熱影響區(qū)0.2%彈性強(qiáng)度值；fo為母材0.2%彈性強(qiáng)度值；ρo,haz為折減系數(shù)(或比例系數(shù))。

焊接構(gòu)件HAZ軟化作用的影響可表現(xiàn)為折減后的抗拉強(qiáng)度fu,haz和屈服強(qiáng)度fo,haz；或者也可以采用將橫截面面積進(jìn)行折減的方式考慮熱影響對(duì)強(qiáng)度的影響，對(duì)于抗拉強(qiáng)度有：Afu,haz=(ρu,hazA)fu；對(duì)于屈服強(qiáng)度有：Afo,haz=(ρo,hazA)fo。

本項(xiàng)目棧橋結(jié)構(gòu)所選截面不屬于第4類截面，不考慮因局部屈曲對(duì)截面板件厚度的折減，但由于結(jié)構(gòu)為鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)必須考慮焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度折減或熱影響區(qū)截面面積折減。

5 疲勞強(qiáng)度分析

該可伸縮式登船棧橋按照使用壽命20 a，按每天伸縮使用6次計(jì)算，循環(huán)次數(shù)為43 800。根據(jù)歐洲規(guī)范要求[5]，循環(huán)次數(shù)在103～105之間，疲勞壽命驗(yàn)算公式為：

(5)

式中，Ni為應(yīng)力幅Δσi下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；ΔσC為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在2×106下的應(yīng)力幅值；Δσi為計(jì)算應(yīng)力幅值；m0為循環(huán)次數(shù)在103～105時(shí)對(duì)應(yīng)Δσ-N曲線斜率；m1為根據(jù)構(gòu)造分類確定的Δσ-N曲線斜率；γFf為分項(xiàng)系數(shù)，取γFf=1；γMf為分項(xiàng)系數(shù)，取γMf=1。

根據(jù)上式求得許用應(yīng)力幅值Δσi，與各項(xiàng)工況下應(yīng)力幅作比較，驗(yàn)算其疲勞強(qiáng)度。

6 結(jié)語

可伸縮式登船棧橋作為半潛支持平臺(tái)的核心配套件，一直以來都依靠進(jìn)口，國內(nèi)缺少相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成熟的產(chǎn)品。通過具體工程實(shí)例，介紹了上海振華重工某海上登船棧橋的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該計(jì)算方法和結(jié)論均已獲得DNV船級(jí)社認(rèn)可，可為今后海工桁架式鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考，有利于促進(jìn)該類產(chǎn)品的快速發(fā)展。