船坞超高型管柱支撑设计

王 佳 颖

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

在实施总组或搭载作业时，各种规格的支撑管柱起到了支撑分段或总段、保障安全、减少变形、加快松钩等作用。随着建造船舶吨位日益增大，管柱支撑高度和受力也随之增大。超高型管柱支撑面临着改进设计的问题。

1 超高型管柱受力分析

图1 为某船厂超高型管柱支撑目前使用的超高型支撑管子规格有φ426mm×14mm、φ500mm×18mm两种，最高的支撑约为28m。影响支撑效果的是撑管尺寸大小和支撑方式。目前使用的管子支撑与外板相连大致有3种形式：1) 与外板上预装的撑头直接对接，见图2；2) 管子撑头与吊环相接支撑，见图3；3) 管子通过临时过渡板与甲板相接，见图4。以下分别简称为对接形式A、B、C。管子底部端头一般直接与地面接触。

图2 撑管与外板预装撑头直接对接

图1 某船厂超高型管柱支撑

图4 管子通过临时过渡板与甲板相接

图3 管子撑头与吊环相接支撑

根据3种对接方式不同的受力特点，进行设计允许承载力的计算推导，并且对两种规格的撑管在15m、20m、25m以及30m 4种高度下的结构强度进行计算分析。

图5、6给出了3种对接型式的端部受力简化图以及其受压杆力学模型。

图5 三种对接型式的受力简化图

图6 三种对接型式的受压杆件力学简化模型

1.1 屈服强度校核

1.1.1 对接型式A（无偏心）

对接型式A的管柱与外板上预装的撑头直接相连，另一段直接与地面接触，故管柱仅受压力且无偏心。

管柱实际应力 σ ≤ [ σ] = 0 .8σs=188MPa

式中：A——管柱横截面积；P——压力；sσ——材料屈服强度。

由（1）式可得

在无偏心情况下，管子屈服强度校核的可承受最大压力与管子长度无关，但应对其稳定性进行校核。

1.1.2 对接型式B和C（有偏心）

对接型式B的管柱与外板上吊环相连，另一端直接与地面接触，故管柱仅受压力，保守地认为发生受力的偏心作用在管子最外侧（即偏心 /2d ）。

对于对接型式C，管柱通过一块临时搭接板与分段相连，分段另一端与船体固定，故管柱仅受到偏心压力，保守地认为偏心500mm。

1) 有偏心的情况较为复杂，将偏心力P作如下等价替换：作用在圆管中心的压力P及一顺时针力矩MP。

管柱实际最大应力

式中：A——管柱横截面积；W——剖面模数；Δ——偏心距离；

将放大系数代入式（3）后可得到：

由于EPP＜，整理式（4）后可得

基于上式的物理意义，实际管子强度校核可承受的最大压力如下式

2) 计算剖面模数W、惯性矩I、剖面积A：

联立（1）～（9）式，代入数据计算结果如下：

表1 对接型式A（无偏心）下的支撑最大压力

表2 对接型式B和C（偏心）下的支撑最大压力

1.2 稳定性校核

由于管柱细长，需要进行稳定性校核。

1) 计算模型：两端绞支的受压杆。

2) 用下式计算各规格杆的柔度λ：

式中：l——杆的长度；I——惯性矩；A——横截面积。

计算结果见表3。

表3 管子柔度计算

3) 对细长杆（124λ≥）计算临界压力crP：

式中对Q235钢，E＝206GPa，A为横截面积。

4) 对中长杆（0124λ＜＜）用公式（12）计算临界压力crP：

5) 稳定许用压力Pst用下式计算：

式中：φ——折减系数，可从《钢结构设计规范》（GBJ19-1988）中查询。

1.3 设计允许承载力

撑管设计允许承载力为许用稳定力和强度校核最大压力的较小值。综上，表4、5、6汇总了在3种不同对接方式下的撑管设计允许承载力。

表4 对接型式A下的设计允许承载力

表5 对接型式B下的设计允许承载力

表6 对接型式C下的设计允许承载力

2 设计分析和改进

图7、8比较了3种对接型式下φ426mm×14mm和φ500mm×18mm两种规格撑管的设计允许承载力计算结果。

图7 各高度下的φ426mm×14mm撑管设计允许承载力

图8 各高度下的φ500mm×18mm撑管设计允许承载力

基于以上分析计算结果结合现场实际作业情况，对于船坞现场搭载所用超高型支撑设计建议如下：

1) 从设计允许承载力的角度，偏心对设计允许承载力影响很大，对接型式从好到坏依次为A、B、C。其中采用C型对接方式还会影响下一总段搭载，建议尽量使用A型支撑对接方式；

2) 当支撑管柱高度≥20m时，φ426mm×14mm规格的撑管易发生失稳破坏，其设计承载力较小，现场应使用规格为φ500mm×18mm的撑管，以保证其弯曲刚度，具备足够的支撑能力；

3) 当支撑管柱高度≥25m时，为进一步提高支撑管柱的稳定性，结合考虑施工现场场地要求等实际因素，建议可在撑管底部支撑面四角添加肘板（如图9）的对接方式以增加断面抗弯约束能力，提高其稳定性以及减小偏心放大系数。

此处假定增加肘板支撑的端部为刚性约束（图10为力学简化模型图），对φ500mm×18mm规格管柱（高度大于25m）底部支撑面四角添加肘板后的设计允许承载力进行计算。表7对比了管柱底部支撑面四角添加肘板前后的设计允许承载力，平均提高支撑承载力129%。

图10 管柱底部添加肘板后受压杆件力学模型

图9 管柱底部支撑面四角添加肘板示意

表7 φ500mm×18mm规格管柱底部支撑改进前后设计允许承载力对比

3 结 语

基于文中的分析结果和搭载作业现场情况，建议对高度大于25m的支撑管子底座扩大支撑面以及在其四角添加肘板，增加端面抗弯约束能力，能够提高其设计支撑承载力一倍以上，能够大幅提高现场超高型管子支撑的使用效果和安全性。

[1] 休斯O F. 船舶结构设计[M]. 华南理工大学出版社，1988.

[2] 倪 樵，李国清，钱 勤. 材料力学[M]. 华中科技大学出版社，2006.