关于7117型1500t级甲板驳货场围板强度和刚度的探讨＊

王沈霞

(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)

关于7117型1500t级甲板驳货场围板强度和刚度的探讨＊

王沈霞

(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)

通过对1500t级甲板驳货场围板的强度和刚度校核,从而分析围板变形原因。

1500t甲板驳;货场围板;围板立柱;强度和刚度校核

0 引言

7117型1500t级甲板驳系某航运公司所属的以装载煤炭、黄沙、矿石、钢材、建筑材料等大宗载货为主的甲板货驳。为了深挖潜力,盘活资产,经过对船舶的稳性、结构强度、干舷的安全校核,并报CCS船级社审核批准,该航运公司将7117型1500t级甲板驳装载能力由1500t扩载至1700t。该类型甲板驳常年航行于长江全线,扩载至1700t后,货场围板发生变形,沿船长方向的货场两侧围板均向外大面积倾斜。由于“扩载结构强度计算书”中,未对货场围板进行校核,货场围板的尺寸也未改变,因此本文将对货场围板的强度和挠度进行校核,以探讨货场围板变形的原因。

1 主要参数

总长75.00m

设计水线长72.00m

型宽13.30m

型深3.40m

吃水2.62m

肋距0.55m

载货量1700t

载货区域宽度b10.5m

载货区域长度l55.55m

货场围板高H1.7m

立柱中心距1.65m

散装货物煤的比重γ1.2t/m3

2 载货方式及要素计算

该类船舶货场围板为t=5mm,高为1.7m的纵向压筋板,每三档肋距设一垂直立柱L6/50,两立柱中心距为1.65m,围板顶缘设有一水平扶强材L75×50×6,现对货场围板垂直立柱进行校核。

根据《船舶与海上设施法定检验规则》(内河船舶法定检验技术规则,2009)8.3.3.5规定,货物堆载时,如图1所示。

图 1

l1≮0.4b

0.4b=0.4×10.5=4.2m

取l1=5m

该船载货主要有煤炭、黄沙、砂石、钢材等,其中煤的密度为最小(1.2t/m3),故以装煤为最危险,因此以载货为煤炭计算偏于安全。

为了满足该船到港后承载1700吨煤的要求,在实际装载货物过程中,常常在出港时装运1900吨的湿煤,故载货量以1900吨来计。

图 2

如图2所示,先按平仓堆载,再在平仓的基础上堆载成三角形货物,不超过37。角。

平仓货物重量:

W平仓=1.2×55.55×10.5×1.7=1189.88t

平仓上面三角形货物重量:

W△=1900-1189.88=710.12t

三角形货物的体积:

V△=710.12/1.2=591.77m3

3 采用库伦土压力理论方法进行强度及挠度校核

3.1 压力公式的推导

现沿围板的长度方向取1m进行分析,如图3 (a)所示,作用于楔体(货物)ABC上的力有:(1)楔体的自重Wg=S△ABC×1×γ,γ为煤的比重,Wg方向向下;(2)破坏面BC上的反力R,反力R与破坏面BC的法线N1之间的夹角等于货物的内摩擦角φ,并位于N1的下侧;(3)围板对楔体的反力Ea,与Ea大小相等、方向相反的作用力就是围板所受的楔体(货物)压力,Ea与围板的法线N2成δ角,δ角为围板与货物之间的外摩擦角,当楔体下滑时,围板对楔体的阻力是向上的,故Ea在N2的下侧。

楔体△ABC的重量

图 3

将(2)、(3)代入(1)式

在受力△abc中(见图3(b))

其中(ψ=90。-δ)

由正弦定律得:

将(4)代入(5)式得

式中γ、H、β、φ、ψ都是常数,

∴Ea是θ的函数

将θcr代入(6)式,整理后得:

若假设围板是光滑的,即δ=0,代入(7)式

则Ea=

令Ka

从上式可知,Ea与围板高的平方成正比。

设z为任意围板高,

压力强度σa

从上式可知,围板所受的压力强度沿围板高成三角形分布,见图3(c),压力的作用点距围板底端H/3处,方向为水平(因δ=0)。

楔体内摩擦角φ值取决于楔体的摩擦阻力以及联锁作用,一般可以取煤:φ为37°。

当φ=37°,β=23°时,

3.2 围板立柱强度校核

M=Ea×1.65×H(1.65为立柱间距)

将立柱L6/50简化成顶截面L75×50×6来进行计算(偏于安全)

其剖面模数W=30.71cm3,惯性矩I=207.5cm4

作用在立柱底部强度:

据《钢质内河船舶入级与建造规范》(2009)1. 3.2.2,许用应力[σ]=0.235×106KN/m2,钢材的弹性模量E=2.06×105N/mm2

∴σ<[σ] 满足强度要求

3.3 围板立柱挠度校核(悬臂梁理论计算)

围板立柱最大线压力:

立柱顶端挠度:

据《钢结构设计规范》GB50017-2003附录A,许用挠度[f]=2H/400=2×1700/400=8.5mm

∴f<[f] 满足挠度要求

4 围板变形原因分析及应采取的措施

4.1 货场围板立柱结构刚度偏弱

7117型1500t级甲板驳船货场围板两间距过大,其所受平均负荷增加。从表1可看出,立柱底部的强度满足要求,而其顶端的挠度接近许用挠度,挠度的储备裕度较小,故立柱结构刚度偏弱。

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4.2 其它影响

(1)由于航行时货物中的水分易被蒸发,因此装货时常常以超载来达到满足货主要求,致使货场围板受压增加;

(2)修船时,由于对货场围板未进行维修,货场围板及其立柱底部锈蚀严重,使其底部与甲板的联接由原刚性固定变为弹性固定,造成货场围板外倾;

(3)港口码头装卸货物时,由于装卸工具使用不当,造成对货场围板的冲撞使其变形。

4.3 采用措施

从挠度公式f=qH4/30EIφ来分析,在原有货场围板及其构件不变的前提下,即φH、E、Iφ不变,只有降低立柱所受的平均负荷q,才能减少挠度。因此,采取在两个立柱之间1/2处,增设同一规格(L6/ 50)的立柱来降低其所受的平均负荷,或采用在立柱1/2处,增设水平加强材来减少其跨度,从而达到消除货场围板变形的目的。

5 总结

本文推导的货场围板强度和刚度公式可作为一定的参考。同时设计船舶时,应考虑实船需要,对货场围板予以校核。此外,载货时严禁超载,并加强对货场围板的维护,以防引起货场围板变形的发生。

[1]中华人民共和国船舶检验局.《船舶与海上设施法定检验规则》[S].北京:人民交通出版社,2009.

[2]中国船级社.《钢质内河船舶入级与建造规范》[S].北京:人民交通出版社,2009.

[3]中华人民共和国建设部.《钢结构设计规范(GB50017 -2003)》[S].北京:中国计划出版社,2003.

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U663.6

B

1672-9846(2010)04-0078-03

2010-10-26

王沈霞(1964-),女,湖北武汉人,武汉交通职业学院船舶与轮机工程系高级工程师,主要从事船舶工艺与设备研究。