船坞超高型管柱支撑设计
2013-09-27王佳颖
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.