大深度大吨位打捞用托底钢梁设计

朱海荣 周怡和 蒋哲 蒋巍

摘  要：针对300 m水深的大深度大吨位沉船打捞，国家重点研发计划深海专项《大吨位沉船整体打捞关键技术研究与装备研制》项目对原应用于浅海区域的托底钢梁进行了重新设计。在“世越”号打捞工程中，托底钢梁取得了巨大成功，但是该类型的托底钢梁只能适用于浅海水域。本文对应用于大深度的托底钢梁进行了设计。在打捞大深度大吨位沉船时，提升装置的钢丝绳连接到托底钢梁两端的眼板上。该打捞方法作用载荷不会直接作用于沉船船体上，因此，该方法对沉船船体结构破坏较小。此外，本文应用大型通用有限元软件ANSYS对重新设计的托底钢梁结构进行了校核。本文设计的托底钢梁为以后大深度大吨位打捞工程提供了一定的借鉴作用。

关键词：沉船打捞;大深度;大吨位;托底钢梁;结构设计

0 引 言

在过去的一些沉船打捞工程案例中，为了防止沉船船体遭到破坏，需要将托底钢梁安装在沉船船体之下，通过起吊托底钢梁将沉船打捞上岸。可是，过去的案例所应用的托底钢梁施工区域都位于浅水区，钢梁结构不需要承受深水巨大的压强作用，因此托底钢梁的结构形式较为简单，现有的托底钢梁不能在大深度（300 m水深）的水底使用。

国家重点研发计划深海专项《大吨位沉船整体打捞关键技术研究与装备研制》项目由交通运输部上海打捞局牵头，联合其他科研单位对大吨位沉船打捞关键技术进行研究。本文主要针对大深度大吨位打捞用托底钢梁，重点介绍大深度大吨位打捞用托底钢梁的设计思路，并对该托底钢梁结构强度进行了计算校核。

1 设计要求

1.1 设计目标

能在300 m水深海底使用的打捞用托底钢梁，并能根据沉船的重量进行钢梁编组。使用该托底钢梁能够成功完成大深度大吨位沉船打捞作业。

1.2 主要特征

托底钢梁包括钢梁主体、眼板和破土装置等。钢梁主体包括多个箱型结构。钢梁主体箱型结构中间为中空，最外侧的两个钢梁主体箱型结构端部设计有眼板。

钢梁主体设置有多个隔舱板，将钢梁主体分割为多个主体箱，主体箱的连接处通过隔舱板加固连接，增加整个托底钢梁的强度。

托底钢梁两端设置有破土装置，包括：破土耙齿、加强三角板、缓坡挡板和垂直挡板等。

钢梁主体箱的上下表面箱体上设有多个进水孔，以平衡钢梁内外压差。

2 设计思路

该托底钢梁需要设计以下内容：

钢梁主体结构，包括主体箱型结构、眼板和破土装置。钢梁主体箱型结构设有多个，两钢梁主体箱型结构首尾相连，钢梁主体箱为中空设计，并通过开孔与外界海水连通，消除内外压差。钢梁主体端部设置有连接眼板和破土装置。

钢梁主体设置有若干个隔舱板，两钢梁主体箱型结构的连接处通过隔舱板加固连接，增加整个托底钢梁的强度。

破土装置包括破土耙齿、加强三角板、缓坡挡板和垂直挡板。加强三角板垂直设置在破土耙齿上，增加破土耙齿的结构强度。破土耙齿和加强三角板垂直设置在垂直挡板的侧面上，相邻的两个加强三角板之间设置缓坡挡板。

另外，該托底钢梁的结构设计考虑了300 m水深处水的压强作用，为了抵抗弯曲，避免屈曲的发生，通过钢梁主体内部设置的横向隔舱板以及纵向板材上设置的角钢加强结构强度。另外，钢梁外部板材上均开有小孔，平衡内外压差。

该托底钢梁两端设置有供起吊的眼板，可以利用水面的大型提升装置，通过起吊钢丝绳连接到托底钢梁两端的眼板上，将沉船提升至水面，完成大深度大吨位沉船的打捞作业。

3  托底钢梁设计图纸和结构校核

3.1 托底钢梁设计图纸

托底钢梁设计图纸如图1所示。

3.2 托底钢梁结构校核

本文采用大型通用有限元软件ANSYS 16.0对该托底钢梁进行建模计算，校核其结构强度。计算模型所有板材采用的是Shell181单元，板材上的角钢采用的是Beam188单元。在托底钢梁与船体接触两端施加简支约束，在该托底钢梁两端眼板上分别施加250 t的载荷。托底钢梁有限元模型和约束、载荷条件如图3所示。

经过计算，该托底钢梁Shell单元和角钢的beam单元Von Mises应力分布云图分别如下图4、图5所示。

从图中可知，该托底钢梁模型的shell单元最大Von Mises应力为286 MPa，beam单元最大Von Mises应力为77 MPa。根据挪威船级社DNV海工操作规范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系数取1.15，则Q345钢材的许用应力为345/1.15=300MPa，Q235钢材的许用应力为235/1.15=204MPa。该托底钢梁模型的shell单元和beam单元的最大Von Mises应力均小于各自材料许用应力，因此托底钢梁的结构强度是满足要求的。

3.3 托底钢梁屈曲校核

根据中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》，对于横截面如下图所示的箱型结构：

当

h/b0<=6

l1/b0≤95*（235/fy）

则认为该结构整体不会发生屈曲，不需要另外进行屈曲校核。将本文中的托底钢梁各参数代入公式中，可以认为本文中的托底钢梁每个钢梁是3个23 m长的箱型结构组装在一起，则每个箱型结构的宽度为0.5 m（1.5/3），另外托底钢梁高度为1.2 m。

在上述公式中，h为箱型结构横截面高度;b0为箱型结构横截面宽度;l1为箱型结构长度。本文中托底钢梁长度为23 m。fy为结构屈服强度，本文托底钢梁为345 MPa。

将本文的托底钢梁参数代入公式，计算如下：

h/b0=1.2/0.5=2.4<6

l1/ b0=23/0.5=46<95*（235/345）=64.7

根据以上的计算结果，本文的托底钢梁整体结构是满足钢结构规范规定的不需要进行屈曲分析的箱型结构要求。

4  总 结

本文对大深度大吨位打捞用托底钢梁进行了设计和结构校核。本文的成果将托底钢梁在沉船打捞中的应用范围从浅水区域推进到深水区域，对今后类似的打捞工程具有一定的借鉴意义。

参考文献

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