半潜船首楼上建整体提拉吊梁设计及强度验证

张金钟

（招商局重工（深圳）有限公司 深圳518067）

引 言

半潜船是指专门从事运输大型海上石油钻井平台、大型舰船以及潜艇等超长、超重且无法分割吊运的超大型设备的特种海运船舶。由于公司龙门吊起升高度及吊装载荷受限，并且为了提高生产效率，扩大作业面，故决定采用船首楼上建整体提拉的施工方法（见下页图1）。［1］其中，提升吊梁的设计又是施工方案能否成功的关键。

1 首楼上建主要参数

该船首楼上建的主尺度为：长约39.9 m、宽约42 m、高约31.9 m、重约4 307 t。其重心位于纵向FR240-40 mm处，横向距中0 m、高度方向距总段底部14.8 m。

2 吊梁设计

2.1 吊梁布置位置选择

2.1.1 吊梁布置的难点

由于半潜船首楼部分是弧线形结构，导致各个部分的结构形式不同，根据经验可判定靠近首部的强度较弱。因此，根据各部分结构的特点选择合理的布置位置，使之既能满足强度要求，又能最大限度地减少对主结构的修改，成为吊梁布置迫切需要解决的问题。［2］

2.1.2 吊梁布置的解决方案

2.1.2.1 准确确定首楼上建的重心位置

首楼上建的重心位置对整个吊梁的布置起到决定性作用，因此如何准确获得首楼上建的重心位置，成了吊梁布置的核心问题。为此船厂应用三维建模软件HD-SPD，对首楼上建每个部分（包括设备，管系等）均进行建模，通过实体建模，准确获得物体的重心位置，最终的重心位置见图2。

2.1.2.2 由重心水平位置确定吊梁横向布置位置

从图2可以看出，重心位置左侧共有7道强框，右侧共有共9道强框，因此可以判断有两种方案，即2个强框1个梁（见图3）以及3个强框1个梁（见图4）。后经充分考虑，认为3个强框太大，跟首楼接触的部分过多，材料利用率不高，并且焊接的工作量太大，后期切割浪费时间，故最终确定采用2个强框的方案。

2.1.2.3 由垂向重心高度及有限元计算确定吊梁的上下布置位置

2个强框的方案确定后，从图5可以看出首楼部分有5个水平方向强框可供选择，具体可基于以下几个方面进行选择：

① 重心垂向位置；② 整体强度要求；

③ 连接部分改动最小；

④ 施工便捷性（即方便拆、装）。

重心的垂向位置对吊梁的影响主要体现在当整体结构在提升过程中有一定倾斜时，对吊梁的强度会有较大影响，所以吊梁垂向高度尽量与总体结构重心垂向高度一致。为此公司选择了3种可行方案（见下页图6-图8），并对每种方案分别进行有限元计算。［3-4］计算结果显示3种方案均满足整体强度要求。不过，方案3与外板接触较多，故不作考虑。方案1与方案2对连接部分的改动相差不大，但方案1施工便捷性高于方 案2，因此最终选择方案1。方案1的有限元计算结果见图9和图10。

2.2 吊梁结构设计

2.2.1 吊梁结构设计的难点

（1）由于首楼部分是弧线形结构，因此，导致单边4个吊梁结构形式有所区别。应该设计4个完全不同的吊梁，还是4个相似的吊梁？这是急需考虑的问题。

（2）吊梁既要满足安装公司提升装置的配合尺寸，又要满足与首楼安装的对位要求。

2.2.2 吊梁结构设计的解决方法

针对问题（1）设计两种不同的吊梁（见图11和图12）。图11中的吊梁平行于首楼外侧弧形板，图12中的吊梁平行于首楼的中纵剖面。针对两种不同的吊梁形式分别进行有限元计算，通过计算发现，在同样满足强度要求的前提下，图11中的吊梁较轻，并且从提升塔架布置的角度看，图11也明显好于图12，因此最终确定选用图11中的吊梁形式。［5-6］

针对问题（2）为配合提升钢绞线下锚盘，箱形梁端部采用1.4 m宽×2 m高的矩形截面；为与首楼主结构强肋位对位，箱形梁与首楼外板结合端采用变截面，箱形梁的上面板与首楼最上层甲板对位，箱形梁的底板与首楼第二层甲板对位，箱形梁的前后两个侧面板分别与首楼的相邻两个强肋位对位，对位结合口处的尺寸为2.4 m宽×～3.5 m高。最终的吊梁结构（见图13和下页图14）。

2.3 吊梁强度计算

2.3.1 吊梁强度计算的难点

（1）由于重心位置的不准确性及提升过程中液压油缸的不同步性，导致每个吊梁最终极限受力可能完全不同，如何确定吊梁设计的输入值，是个亟待解决的问题。

（2）国内相关规范中均未提到此类提升结构强度校核的安全系数。

2.3.2 解决方案

针对问题（1）有两种解决方法：

（1）根据有限元模型读出每个吊梁所在位置的支反力，作为载荷计算设计输入；

（2）每个吊梁承受的极限载荷都一样，按照平均分配的原则来计算。

根据充分讨论，认为方法1里有限元模型省略的部件较多，跟真实物体差别较大，其计算的支反力存在较大误差，因此从更安全的角度选择方法2。

针对方法2确定单个吊梁的最大载荷为：

式中：F为单个吊梁极限载荷，t；W为提升物体总质量，t；WCF为质量不确定系数；N为吊梁数量，个。

针对问题（2），考虑到实际载荷为动载荷，结合相关经验值确定本次计算安全系数取2。

吊梁强度计算的结果（见图15-图18）。

3 强度验证

3.1 提升作业载荷记录

3.1.1 载荷记录

吊梁编号见下页图19，载荷记录见表1。

3.1.2 结果分析

箱形梁受力对比见表2。从表2可以看出，实际载荷大部分都小于理论计算。说明WCF取1.1来计算每个吊梁的载荷还是可靠的，但7号的载荷超过理论值3.38%，主要原因在于理论计算的模型是左右对称的，而实际提升作业时左右箱形梁的受力不是对称的，建议以后理论计算此类受力时在WCF=1.1的基础上再增加5%的余度，以消除结构受力不均的影响。

表1 首楼上建总段吊装提升作业载荷记录t

表2 箱形梁受力对比列表t

3.2 吊梁强度测试

3.2.1 测点布置

根据图19所示，吊梁于整体结构两侧对称分布，分别选取1号、4号、5号、8号吊梁布置监测点。通过结构受力分析和参考吊梁结构有限元应力分析的结果，选定的应变测点（见图20）。吊梁结构左右对称，共布置32个测点，其中16个关键应力测点采用应变花（由3个应变片组成），16个测点采用单应变片。共使用64个应变片。采用应变花的监测点，各向均受不同大小应力，合力可能较大，采用单向应变片的测点，以单方向受力比较集中。故采用不同类型。

应力测点编号与相应描述列于表3。

表3 应力测点编号与描述

图19给出了吊梁的测点布置，左右对称且测点分布一致。

3.2.2 监测结果

首楼上建总段提升的应力监测分为以下两个阶段完成：

第一阶段：相关清拆工作完成后，稳定增加提升荷载至3 600 t后，保持状态待结构受力稳定，此过程中整体结构不离开地面；

第二阶段：提升荷载由3 600 t稳定增加到4 200 t后，整体结构离开地面并提升至预定高度。

表4 各监测点在不同荷载状态下的主应力监测结果MPa

3.2.3 监测结果分析

根据上述监测结果的分析，可以确定各吊梁监测点在整体提升过程中的各吊点最大应力（主应力）值，同时确定最不利位置点。在整体提升过程中各吊梁最大应力点（三向）分别为：

1号LP4max= 89.2 MPa；

4号LP2max=122.05 MPa；

5号RP2max= 124.22 MPa；

8号LP4max= 115.41 MPa。

根据监测数据，可知各吊梁的最不利位置是P2和P4位置点。

依据设计提供的最大允许应力180 MPa，可知吊梁本身在提升过程中是安全的。根据实测数据和数值模拟的结果对比可以看出，整体结构在提升过程中存在一定的不同步性：4号和5号吊梁的一些实测数据比模拟值稍小；1号和8号一些实测数据比模拟值稍大。对于8号吊梁而言，RP1max为57.89 MPa，RP3max为78.8 MPa。对比理论计算（参见图18），可知8号吊梁RP1模拟值为25 MPa，RP3模拟值为37 MPa，均小于实测值，但最终测试结果还是小于许用剪切值104 MPa。

考虑整体结构提升会受到很多不确定因素的影响，因此必须保证结构有足够的强度贮备。根据现场实际监测的结果可知，在提升过程中结构有足够的安全储备，即理论计算取2倍安全系数符合预期。综上所述，首楼上建总段整体提升过程是安全的。

4 结 论

本文简要阐述了半潜船首楼上建整体提拉吊梁结构设计的难点及解决办法，通过理论计算及项目现场测试获得此类结构设计的安全系数，经现场实践表明：此吊梁在实际使用过程中完全满足要求，为类似设计提供了经验。

［1］ 向君，孙学荣，张金钟，等. 大型半潜船艏楼上建总段整体提拉安装方法［P］ .中国专利：CN 102381438B，2013-08-07.

［2］ 张金钟，向 君，陈达胜. 大型半潜船艏楼上建总段整体提拉施工及关键技术研究［J］. 船舶与海洋工程，2015（5）：52-55.

［3］ 李红云，赵社戌，孙 雁. ANSYS 10.0基础及工程应用［M］. 北京：机械工业出版社，2008：12-15.

［4］ 胡红军，杨明波，张丁非. ANSYS 10.0材料工程有限元分析实例教程 ［M］. 北京：电子工业出版社，2008：37-40.

［5］ 韩华伟. 基于ABAQUS的海工用吊梁优化仿真设计［J］. 中国海洋平台，2015（2）.

［6］ 孙训方，方孝淑，关来泰. 材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，2000：23-25.