崔桂媛，蔣龍皎，馬濤，陳剛，關(guān)愛民

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

大型郵輪中，乘客、船員多，生活需求多樣，這對全船的通風(fēng)、消防、電力功能等是巨大的挑戰(zhàn)；船上風(fēng)道、管路、電纜等種類繁雜，數(shù)量龐大，布置難度高，而風(fēng)道、管路、電纜基本都在天花板上面布置，這就對天花板以上有限的上層空間的利用提出了極高的要求。

一般情況下，大型郵輪在設(shè)計時，考慮到各類風(fēng)道、管路、電纜等布置需求，在保證船體結(jié)構(gòu)強度的前提下，會在甲板強梁上設(shè)置大量的減輕孔，使風(fēng)道、管路、電纜等均可從減輕孔穿過，而且這些減輕孔一般都是按照標準尺寸和間距進行設(shè)計。減輕孔的設(shè)計，不僅是考慮到風(fēng)道、管路、電纜等布置需求，對于大型郵輪這種重量控制嚴格的船舶，還能起到減輕船舶重量的作用。而且減輕孔按照標準尺寸和間距進行設(shè)計，也有利用船廠進行標準化制造。

但是，在大型郵輪中各類風(fēng)道、管路、電纜等種類繁多，尺寸規(guī)格大小不一。對于各種截面積較大的風(fēng)道、管路、電纜而言，甲板強梁上的標準減輕孔已經(jīng)無法滿足其穿孔需求。其中，部分截面積稍大的風(fēng)道、管路、電纜等，會考慮通過擴大減輕孔滿足其穿孔需求，但這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度降低。這時，為了保證強梁的結(jié)構(gòu)強度不變，需要設(shè)置一些加強，如在減輕孔周邊設(shè)置一圈扁鋼或局部增加腹板厚度等。對于這種擴大減輕孔的方式，孔高度受限于標準強梁腹板高度影響，尺寸擴大有限，只能滿足部分風(fēng)管等的穿孔需求。對于截面積更大的風(fēng)道、管路、電纜等，這時候擴大減輕孔滿足不了結(jié)構(gòu)要求，因此考慮設(shè)計采用變高梁的結(jié)構(gòu)形式。

1 變高梁的結(jié)構(gòu)形式

變高梁是一種在高度上有變化的甲板強梁。假設(shè)普通強梁規(guī)格表示為×××(為腹板高度，為面板寬度，為腹板厚度，為面板厚度)?，F(xiàn)將強梁的腹板高度降低，為了保證結(jié)構(gòu)強度不變，同時增加腹板的厚度、面板的寬度或者厚度，甚至提高腹板或者面板的材質(zhì)等級，修改后的這種強梁稱之為變高梁，其規(guī)格可以表示為×××(為變高梁腹板高度，為變高梁面板寬度，為變高梁腹板厚度，為變高梁面板厚度),見圖1。

圖1 典型變高梁結(jié)構(gòu)

2 基于等效替代的變高梁設(shè)計

2.1 等效替代設(shè)計原則

用變高梁代替甲板強梁，需保證結(jié)構(gòu)強度不變。船舶甲板一般為受壓狀態(tài)，甲板強梁一般為甲板的主要支撐構(gòu)件，此時僅考慮甲板強梁在受壓狀態(tài)下的抗彎能力，即甲板強梁橫截面上只有彎曲應(yīng)力。如果使用變高梁代替普通甲板強梁，則變高梁所能承受的抗彎能力不能降低，即變高梁的剖面模數(shù)不能小于普通強梁，在同樣的甲板受壓狀態(tài)下，變高梁所承受的彎曲應(yīng)力不能變大，此時才能稱之為等效替代。

(1)

式中：為普通甲板強梁彎曲應(yīng)力，MPa；為變高梁彎曲應(yīng)力，MPa。

2.2 設(shè)計方法

變高梁主要是應(yīng)風(fēng)道、管路、電纜等穿孔要求而設(shè)計，是一種功能性需求。首先根據(jù)需求，確定變高梁的高度，先初步設(shè)計變高梁的規(guī)格，保證變高梁在等截面下的剖面模數(shù)不小于普通甲板強梁，然后通過有限元建模計算，在相同的載荷情況下，分析變高梁替代后的彎曲應(yīng)力情況，確定變高梁的最終尺寸。

對于甲板強梁的彎曲應(yīng)力分析，以大型郵輪居住艙室局部甲板平臺為例，采用有限元分析軟件Patran，建立有限元模型，局部使用變高梁代替普通強梁，進行有限元分析計算，比較替代前后甲板強梁的彎曲應(yīng)力情況，判斷是否為有效替代。

2.3 模型及邊界條件設(shè)置

模型描述：大型郵輪居住艙室局部甲板平臺，甲板板厚一般為5 mm，甲板為縱骨架式，縱骨規(guī)格為一般為HP80×5；甲板左右舷分別對稱設(shè)置兩道縱桁，且設(shè)置等間距強橫梁，并在強梁上設(shè)有標準減輕孔，縱向和橫向強梁規(guī)格均為450 mm×100 mm×8 mm×10 mm(截面積為78.7 cm，考慮減輕孔后，剖面模數(shù)為661.2 cm)；在縱橫強梁連接處間隔設(shè)置支柱作為支撐,詳見圖2。

圖2 模型

邊界條件：甲板上設(shè)置垂向均布載荷3.2 t/m，四周邊界為剛性固定，支柱處為剛性固定。

當(dāng)甲板為普通強梁時，甲板橫向強梁最大應(yīng)力約為75.6 MPa，甲板橫向強梁應(yīng)力見圖3。

圖3 普通甲板強梁應(yīng)力云圖

局部使用變高梁替代普通橫向強梁時，變高梁規(guī)格為250×180×10×15(截面積為84.0 cm，剖面模數(shù)為719.1 cm)，甲板變高梁處的最大應(yīng)力約為42.7 MPa，較普通強梁時應(yīng)力降低約40%，甲板變高梁處應(yīng)力見圖4。

圖4 變高梁處應(yīng)力云圖

分析計算結(jié)果，在保證局部強梁截面積和剖面模數(shù)不變小的條件下，采用變高梁設(shè)計的板架結(jié)構(gòu)在變高梁附近的彎曲應(yīng)力比同一位置處普通強梁板架結(jié)構(gòu)下的局部應(yīng)力小，能夠滿足強度要求，因此，該變高梁規(guī)格相對原甲板強梁，為有效替代。

大型郵輪上由于標準艙室對空間高度的要求，結(jié)構(gòu)強梁一般都是標準高度，規(guī)格種類不是很多，因此相應(yīng)的變高梁對應(yīng)的也是標準高度，規(guī)格種類也比較少，這便于郵輪在生產(chǎn)設(shè)計過程中根據(jù)實際情況實行簡易的變高梁的設(shè)計替代。標準化的變高梁對現(xiàn)場生產(chǎn)也更為便利，從材料到生產(chǎn)能夠較快響應(yīng)。

3 變高梁的應(yīng)用

3.1 風(fēng)道、管路、電纜等截面積過大的穿梁

大型郵輪必須保證良好的通風(fēng)，產(chǎn)生大量的通風(fēng)管系，其中還會有很多大型風(fēng)管。大型郵輪中風(fēng)管布置在艙室上方，一般穿過強梁上的減輕孔來布置。但是其中有很多大型風(fēng)管，截面積較大，無法穿過強梁上的減輕孔，且在居住艙室區(qū)域，因為層高的限制或者艙室的推進空間的限制，也無法從強梁下方穿過。

這種情況，可以通過設(shè)置局部變高梁，讓風(fēng)管從變高梁下方穿過，且保證與天花板不干涉，見圖5。

圖5 典型的變高梁解決大型風(fēng)管布置示意

大型郵輪用應(yīng)充分考慮電需求、生活用水需求、水消防功能需求等，這樣會產(chǎn)生大量的電纜和管路，電纜、管路均布置在艙室上方，需要穿過甲板強梁的減輕孔，其中有很多大截面積的多排電纜和直徑較大的生活水總管、消防水總管等超過減輕孔的大小。為了滿足這些大截面積電纜和大直徑的管路的穿孔需要，可以通過設(shè)置局部變高梁來保證其布置需求。

3.2 風(fēng)道、管路、電纜等集中布置情況

大型郵輪還有很多風(fēng)道、管路、電纜等集中布置，均需要穿過同一位置，此時，強梁上減輕孔的數(shù)量已經(jīng)不能滿足此處的穿孔需求，而且受居住艙室的天花板高度影響，也無法從強梁下面穿過。

若風(fēng)道、管路、電纜等繞行從其他位置減輕孔穿過，首先會浪費大量的材料；其次，繞行會導(dǎo)致其他風(fēng)道、管路、電纜的修改，增加大量的人工修改成本；而且在大型郵輪中，上層空間極其有限，減輕孔利用率極高，很難找到其他繞行路徑。

這種情況下可以通過設(shè)置局部變高梁，讓風(fēng)道、管路、電纜集中從變高梁下方穿過，見圖6。

圖6 典型的變高梁解決風(fēng)道、管路、電纜等集中布置示意

3.3 超高設(shè)備與強梁干涉時

大型郵輪中有大量的機械設(shè)備，尤其在居住甲板區(qū)域會有大量的電氣設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等，其中有部分設(shè)備的高度已經(jīng)超過甲板強梁，有些可以通過移動設(shè)備來避開強梁保證設(shè)備布置沒有問題，但是大型郵輪有的設(shè)備房間格局緊湊，設(shè)備的移動空間有限，這些設(shè)備在布置上無法避開強梁的位置。

另外大型郵輪中很多設(shè)備都是特殊的進口設(shè)備，有的無法更改。

這種情況下可以通過設(shè)置局部變高梁，既保證了設(shè)備與強梁不干涉，又不會影響到郵輪的建造計劃，見圖7。

圖7 典型的變高梁解決超高設(shè)備布置示意

4 結(jié)論

1)在保證變高梁剖面模數(shù)不變小的前提下，設(shè)置變高梁的結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力小于原結(jié)構(gòu)強梁，變高梁與原甲板強梁可等效替代。

2)在整個大型郵輪的建造過程中，合理采用局部變高梁的設(shè)計，可有效解決各類風(fēng)道、管路、電纜、設(shè)備等布置問題，對于上層空間布置有限的船舶，具有重要的參考價值。