多桥段装船加固结构设计计算

顾君君，任广智，刘志良

（北京裕维工程技术有限公司，北京 100010）

0 引 言

结构物的海上运输越来越频繁，而海运环境复杂多变，极易造成沉船事故[1]，因此，对运输安全性应给以足够重视。安全运输一方面通过对运输船的配载、稳性计算以及运动分析计算校核来保证，另一方面通过对装船结构物合理可靠的支撑加固来确保。在前者计算合理的前提下，后者就显得格外重要。本文从工程实际出发，以驳船运输桁架桥桥段为例，详细介绍各桥段装船加固结构的设计及计算。

1 桥段布置及加固结构

桁架桥被分成4个桥段装船运输，其中桥段1和4相同，重量为86t，长度为57.5m，桥段2和3相同，重量为82t，长度为58.2m。

综合考虑桥段及驳船的情况，将桥段1和桥段2、桥段4和3分组对称放置在驳船两侧，桥段支撑结构的初步设计如图1所示。两侧桥段总重心在驳船甲板以上 3.8m。桥段1和4的重心在甲板以上4.65m，桥段2和3的重心在甲板以上2.90m。

图1 横截面布置

根据经验，初步确定中间支撑结构如图2所示，计算拖航荷载并作强度验算。其中斜支撑管φ219×16的底端与驳船甲板焊接，水平工字钢HEA700的两端与驳船甲板焊接。

图2 中间支撑结构（左侧对称）

2 支撑反力计算

拖航过程中各桥段所受荷载包括横摇、纵摇、升沉及重力[3]。首先分别计算各个荷载作用，然后按各种可能情况进行荷载组合，确定最不利工况，并进一步校核加固支撑结构的强度。

为简便起见，计算中忽略桥段与支撑结构间的摩擦力，并假定纵向力全部由两端的支撑结构承担。由于各桥段沿驳船纵轴对称布置，故以一侧的桥段（桥段4和3）为例，计算驳船拖航过程中桥段受到的惯性力。桥段4和3的支撑布置及编号如图3所示。

拖航过程中，驳船的摇摆周期为10s，单边最大横摇角25°，最大纵摇角15°，升沉荷载0.2mg。

2.1 横摇荷载

驳船摇摆中心在吃水线平面[2]，驳船绕纵轴（或横轴）的角运动方程：

式中：0ψ——单边最大角位移，rad；

ω——角运动频率，rad/s；

α——外力与运动之间的相位差，rad。

角加速度方程：

代入横摇角度及周期，得到横摇最大角加速度为 - 0.17 226 rad/s2。

2.1.1 桥段3横摇计算

如图4所示，桥段3横摇最大惯性力：

式中，m——桥段质量，t；β——角加速度，rad/s2；r——桥段重心至摇摆中心的距离，m。

F在水平及竖直方向的分力：

Fy=Fcosφ =72.8kN，Fz=Fsinφ=-59.7kN

桥段3的重力沿驳船水平及竖向分解：

水平 Y 方向： m g s in25° = 3 39.6kN，竖向 Z 方向： m g c os25° =- 7 28.3kN

重力与横摇荷载组合：

Y 方向：72.8+339.6=412.4kN，Z 方向：-59.7-728.3=-788kN

图4 桥段3的横摇荷载

2.1.2 桥段4横摇计算

如图5所示，与桥段3类似，计算得到桥段4的横摇工况荷载组合：

Y方向：102.2+356.2=458.4kN，Z方向：-81.1-763.8=-844.9kN

2.2 纵摇荷载

纵摇运动产生沿驳船纵轴方向（X轴方向）的荷载，纵摇角为15°，纵摇运动过程中的最大角加速度为 β =-0 .10 335rad/s2，考虑艏倾情况。参考横摇计算过程，进行纵摇荷载计算。

2.2.1 桥段3纵摇计算

重心在水线面以上5.15m，纵摇产生X方向荷载：

F=82 × 0 .10335× 5 .15 = 4 3.6kN

重力分解：

X方向： m g s in15° = 2 08.0kN，Z方向： m g c os15° =-7 76.2kN

图5 桥段4的横摇荷载

2.2.2 桥段4纵摇计算

重心在水线面以上6.9m，纵摇产生X方向荷载：

F=86 × 0 .10335× 6.9 = 6 1.3kN

重力分解

X方向： m g s in15° = 2 18.1kN，Z方向： m g c os15° =- 8 14.1kN

2.3 升沉荷载

升沉运动产生的Z方向最大荷载为 -0 .2mg，横摇时升沉荷载分解如下：

Y方向分力：0.2 m g s in25°，Z方向分力： -0.2 m g cos25°

纵摇时升沉荷载分解：

X方向分力：0.2 m g s in15°，Z方向分力： -0.2 m g cos15°

2.4 荷载组合

桥段在支撑结构上简支，且支撑结构沿桥段重心对称布置（图3），所以拖航荷载在同方向支撑上均匀分配，由此将以上所得各荷载进行分配及组合，得到各工况的支撑反力如表 1、2所示。可知，对于中间支撑结构，横摇与升沉的组合是最不利工况。

表1 桥段3的荷载组合 kN

表2 桥段4的荷载组合 kN

3 支撑结构强度计算

与桥段4和3类似，计算得到桥段1和2的支撑反力，将所得荷载考虑1.5的安全系数施加到中间支撑结构上，验算其强度。强度计算采用有限元分析软件SACS，图6为有限元计算模型及荷载。根据图2所示，假定荷载全部作用在横梁中点，斜向支撑管φ219×16及水平工字钢HEA700在与驳船甲板焊接处简化为点约束，约束空间3个位移自由度。

有限元计算结果如图7所示，各杆件UC值（unity check value，实际计算所得结果与规范允许值之比）均小于1，所以支撑结构的强度满足要求。

图6 中间支撑结构模型及荷载，kN

图7 杆件UC值

4 结 语

本文的计算结果说明：初步设计的加固结构满足强度要求，在拖航过程中能够提供可靠的支撑，确保运输安全。

限于篇幅，本文没有讨论支撑结构与驳船甲板的连接及连接处驳船的承载强度。在实际工程中，需要根据驳船具体参数及运输过程中受到的波浪、风等荷载[4,5]对驳船进行强度及稳性计算，必要时还需对驳船甲板结构进行局部加强。

[1] 横 锐. 科学规范完善体制遏制重大恶性事故发生[J]. 世界海运，2000, (3): 14-16.

[2] 中国船级社. 《海上拖航指南》[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[3] 盛振邦，刘应中. 《船舶原理》[M]. 上海：上海交通大学出版社，2003.

[4] 吴小平，陆 晟. 自升式钻井平台环境载荷及结构强度[J]. 上海造船，2010, (3): 36-40.

[5] 吴小平. 基于切片理论的波浪载荷直接计算[J]. 上海造船，2010, (4): 21-25.