李傳靜 楊德才 王正銳 陳耀輝

摘? ? 要：本文主要介紹一種自升式平臺上的懸臂梁式救生艇平臺結(jié)構(gòu)，該設計減少了生活樓對甲板開敞面積的占用，有效提升了甲板使用面積;詳細介紹了該支撐平臺的結(jié)構(gòu)形式和設計方法，解決了支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接問題，并通過有限元計算對結(jié)構(gòu)強度進行了驗證。本文的設計方法和結(jié)論，可為相似海工項目提供參考。

關鍵詞：自升式平臺;框架結(jié)構(gòu);救生艇;支撐結(jié)構(gòu);懸臂梁

中圖分類號：U663.6? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Structural Design of Jack-up Lifeboat Platform

LI Chuanjing，? YANG Decai，? WANG Zhengrui，? CHEN Yaohui

（ Guangzhou Interstellar Offshore Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： This paper introduces a cantilever beam type lifeboat platform on a jack-up platform. The design method reduces the occupation of the living building to the open area of the deck， and effectively improves the deck area. The structural type and design method of the support platform are introduced in detail， the connection problem between the support structure and the main hull structure is solved， and the strength of the structure is verified by FEM method. The method and conclusion of this paper can provide reference for similar offshore engineering projects.

Key words： Jack-up platform; Frame structure; Lifeboat; Support structure; Cantilever beam

1? ? ?前言

救生艇是自升式平臺上的一項基本配置，為了便于登艇，一般布置在生活樓甲板上。對于平臺來講，甲板開敞面積和使用面積越大越好，這樣才能容納更多的人員和設備，并提供更為舒適的生活環(huán)境和工作條件。因救生艇附近要設置集合站，且集合站應是一個無障礙場所，人均占有面積不小于0.35 m2，因此救生艇就需要一個很大的平臺。如果按照常規(guī)設計，必然會擠占生活樓或甲板空間，因此設計了一種伸出舷側(cè)外板之外的救生艇平臺形式，稱之為懸臂梁形式的救生艇平臺。

2? ? 總體布置

如圖1所示：共有救生艇4艘（左右各兩艘），分別布置在生活樓平臺的2層甲板的兩舷，內(nèi)側(cè)與生活樓相連，有相應的通道和樓梯通向各層平臺;平臺長約21 m、寬約為4.3 m，完全懸于自升式平臺外部，覆蓋整個首部樁腿和生活樓范圍;每艘救生艇尾部在平臺上再伸出一部分作為登艇通道;平臺首部與生活樓通道;平臺相連，并通向右舷救生艇平臺。平臺首部內(nèi)側(cè)開設有梯道口，并設有梯道通向一層生活樓。

由圖1可以看出，救生艇平臺完全懸掛在2層生活平臺側(cè)面，2層生活平臺高度為11.7 m，距離主甲板為11.7-5.5=6.2 m。作為一個懸臂梁式結(jié)構(gòu)，下方?jīng)]有任何支撐，因此解決平臺的力的傳遞問題，即如何將救生艇平臺的力傳遞到主體結(jié)構(gòu)上。通過分析，附近能夠承受力的主體結(jié)構(gòu)主要有3處，分別是生活樓結(jié)構(gòu)、主甲板和升降裝置撐桿結(jié)構(gòu)。因此通過合理布置主梁將平臺的力合理的傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，并對救生艇平臺、支撐結(jié)構(gòu)及主船體結(jié)構(gòu)受力進行有限元校核。

3? ? 結(jié)構(gòu)設計

通過以上分析，決定采用焊接型工字鋼主梁作為平面方向的主承力結(jié)構(gòu)，它與二層生活樓平臺和升降裝置撐桿結(jié)構(gòu)相連，垂向設置圓管與主船體和升降裝置撐桿的下部相連，與主船體結(jié)構(gòu)連接處做適當加強和合理過度。

如圖2所示：根據(jù)救生艇布置圖和救生艇尺寸，結(jié)合懸臂梁結(jié)構(gòu)的受力特點，沿船寬方向設置了若干工字鋼橫梁與二層生活樓平臺和升降裝置撐桿相連，縱向設置3道工字鋼與橫向的工字鋼相連，組成框架結(jié)構(gòu)的主體。這些工字鋼梁是主要的受力構(gòu)件，需要進行有限元分析計算;在工字梁之間鋪設若干角鋼，將主框架間的空間分割成小空間，便于鋪設格柵;由于此處結(jié)構(gòu)懸于海面之上，結(jié)構(gòu)間距過大會引起人員不適，角鋼與工字鋼所圍成的區(qū)域以不大于1 m2面積為宜;為了解決懸臂梁端部受力過大問題，在靠近救生艇附近的主梁下，設置了若干斜撐管和支柱向下連接到主甲板和升降裝置撐桿結(jié)構(gòu)上。由于主甲板在此處的位置較為狹窄且布置有逃生通道，因此布置斜撐后需要滿足逃生要求，且斜撐會不可避免的穿過舷墻，需要做好處理。平臺的典型支撐結(jié)構(gòu)形式，見圖3所示。

（1）對于與生活樓相連接的部分，由于生活樓結(jié)構(gòu)普遍較弱，橫梁端部應盡量設置在有橫梁的位置，沒有橫梁的地方必須增加橫梁作為加強并進行有限元驗算;

（2）對于與升降裝置撐桿相連接的橫梁，需要將面板端部加寬并設計為軟趾，以減少對重要結(jié)構(gòu)的影響（見圖4）;

（3）對于斜撐管落在升降裝置撐桿的位置，斜撐管末端要做插入板處理（見圖5）。

（4）救生艇平臺的支撐管主要都落腳在主甲板上，通過有限元計算發(fā)現(xiàn)這些地方的應力非常大，因此適當?shù)募訌娛欠浅１匾?。為此，在管子的落腳處主甲板板要進行局部加厚，同時下方增加T型梁或者肘板;

（5）根據(jù)設備資料，每艘救生艇都是由兩個吊臂支撐，吊臂安裝在艇平臺上，因此吊臂落腳處的艇平臺結(jié)構(gòu)需要有良好的強度和結(jié)構(gòu)形式（見圖6）。為此，在吊臂落腳處的工字鋼內(nèi)增加幾道橫豎向板，使其成為一個盒狀結(jié)構(gòu)。

4? ? ?有限元分析

（1）有限元模型

有限元計算采用DNV軟件SESAM GENIE軟件進行建模及分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式特點，平臺及支撐結(jié)構(gòu)采用桿單元形式，主船體結(jié)構(gòu)采用板單元形式進行建模分析，桿單元通過SUPPORT LINK連接到板單元模型上。為了計算準確，模型范圍需要足夠大。救生艇平臺的桿單元模型如圖7所示，其中P表示管子，PG表示拼接的工字鋼。例如P273x12_7表示直徑為273 mm、壁厚為12.7的鋼管，PG500x420x10x15表示腹板規(guī)格為500x10 mm、面板規(guī)格為420x15 mm的拼接工字鋼。

有限元模型邊界條件：限制6個自由度中的x、y、z方向的平動自由度;而轉(zhuǎn)動自由度是釋放的;z方向的平動自由度，根據(jù)情況選擇限制還是自由，這樣計算的結(jié)果更為準確。

（2）計算載荷

結(jié)構(gòu)承受的載荷主要有以下5種：

① 結(jié)構(gòu)自重（包括格柵重量）?？紤]到有限元模型一般不需建所有的結(jié)構(gòu)，只需在進行工況組合時加大1.2倍;

② 平臺人員集中載荷。按規(guī)范要求為10 KN/m2，由于是桿單元，加載時需轉(zhuǎn)換成線載;

③ 甲板設計載荷。根據(jù)平臺設計需求來定，本平臺主甲板載荷定為1.35 t/m2，生活樓甲板的載荷定為0.45 t/m2，以面載的形式施加在相應甲板板上;

④ 艇支反力。由救生艇設備廠家提供，包括受力點的彎矩和3個方向的支反力，需對其進行組合以模擬實際情況，見表1和表2所示;

⑤ 船舶搖擺產(chǎn)生的慣性力。根據(jù)ABS規(guī)范，取為平臺單邊橫搖或縱搖15 ?，周期為10 s。

這5種載荷互相組合，構(gòu)成了加載在模型的基本載荷工況。我們用 LC1表示結(jié)構(gòu)自重，LC2為格柵重量，LC3為人員集中載荷，LC4為甲板設計載荷，LC5～LC8為自重在橫搖縱搖情況下產(chǎn)生的4個主方向的慣性力，LC11～LC14為救生艇組合支反力。其中，LC5為船舶自重加正向橫搖，LC6為船舶自重加負向橫搖，LC7為船舶自重加正向縱搖，LC8為船舶自重加負向縱搖。

由于該平臺結(jié)構(gòu)受力形式較為復雜，無法直接推斷出哪種工況是最惡劣工況，因此需要對這些基本工況進行組合，模擬其可能發(fā)生的所有組合工況;再對這些組合工況進行校核，從而找出最不利的工況并作出判別處理。其中，LC21～LC24組合了結(jié)構(gòu)自重（包括格柵重量）、聚集區(qū)集中載荷、甲板載荷和艇支反力，為安全工作載荷工況; LC31～LC38為平臺結(jié)構(gòu)在船舶搖擺狀況下的組合工況，是在安全工作載荷工況下又分別組合了平臺搖擺慣性力;LC41～LC48為主船體結(jié)構(gòu)在船舶搖擺狀態(tài)下的組合工況，它是在LC31～LC38基礎上增加了甲板載荷;LC31～LC48為典型運動工況，分別對應著不同的應力衡準。

（3）許用應力

① 按ABS MODU要求，平臺在運動工況下的許用應力σallow 為結(jié)構(gòu)屈服強度的1/1.25。

② 對于主船體及加強結(jié)構(gòu)板單元，其許用應力按下式計算：

σallow = Fy / F.S.? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Fy為鋼材最小屈服強度;

F.S.=1.43（靜態(tài)載荷），F(xiàn).S.=1.11（組合載荷）。

有限元計算結(jié)果，一般用等效應力進行校核：

（2）

（4）校核結(jié)果

若校核結(jié)果σeqv 不大于σallow ，即認為滿足要求。

平臺及加強結(jié)構(gòu)主要使用了屈服強度在235、355、360、500 MPa的鋼材，由此可以計算出艇支撐平臺和主船體及加強結(jié)構(gòu)用鋼的許用應力。

對于艇平臺這種桿單元，通過軟件計算結(jié)果，提取出桿件軸向力和軸向彎矩值，然后通過MODU屈曲校核公式校核UC值。對于單一或雙重對稱結(jié)構(gòu)的組合截面桿件，根據(jù)MODU第三篇第二章第一節(jié)相應規(guī)范作為衡準，小于1.0即為合格。本平臺在各種工況下各種規(guī)格桿單元最大UC值均小于1.0，滿足要求。

對于主船體及加強結(jié)構(gòu)，由于是板單元模型，需要找出各個工況下每種材質(zhì)的最大等效應力進行校核。受篇幅所限，各種工況下的應力云圖不在此展示。各種材質(zhì)在產(chǎn)生最大等效應力及其對應組合工況下的最大應力，見表3：

5? ? ?結(jié)束語

本文所闡述的救生艇平臺設計方法，大大減少了對平臺有效使用面積的影響，充分利用了平臺空間，間接提高了甲板使用面積和居住面積;由于采用了框架式結(jié)構(gòu)，使得重量減輕。這兩項措施的采用，使平臺的經(jīng)濟性得到進一步提升;同時，在結(jié)構(gòu)設計時充分考慮了周圍的結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)類型，使得設計更為合理，減少了加強的數(shù)量和對已有結(jié)構(gòu)的影響;此外，考慮到此平臺完全懸于海面之上，結(jié)合以往客戶的反饋，將主框架之間的用于鋪設格柵的角鋼進行加密，大大提高了人員行走時的安全感。

參考文獻

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