船体分段搭载钢管支撑载荷浅析

摘要：在船体分段搭载过程中，大量重心外飘分段或总段需进行临时刚性支撑。采用钢管支撑有其独特的优势，已成为业内主流。根据不同的分段重量选择合适规格以及长度的钢管，快速确定支撑钢管的载荷，在生产设计过程中有广泛的应用价值。本文对GB/T 17395-2008以及ISO 4200-1991 中部分常见规格的钢管进行计算分析，得出许用载荷。

关键词：船体；搭载；钢管；支撑；载荷

中图分类号：U671.4文献标识码：A

Analysis of Axial Ioad of Steel Tube in Form of Rigid Support During Hull Block Loading

QIN Yafeng

（Shanghai Huarun Dadong Shipping Engineering Co.,Ltd. Shanghai 202155）

Abstract:In the process of hull block loading, a lot of bow flare or broad side blocks in need of temporary rigid support; using steel tube as support has its unique advantages, has been the mainstream in the shipbuilding industry；it is essential to quickly determine the right size and length of steel tube according to different weight of blocks, there is a wide range of such applications in the production design process. This paper focused on some common standard steel tubes from GB/T 17395-2008 and ISO 4200-1991 in calculation analysis and deduced the allowable load.

Keywords: hull; block loading; steel tube; rigid support; axial load

1 引言

在船体建造过程中，首尾或舷侧分段由于重心外飘，在总组或搭载时需要在分段下方或边缘加刚性支撑，以固定分段完成装配作业。

刚性支撑可以选择多种型式，如角钢制成的长方体搁架、工字钢、结构钢管等。其中钢管支撑因为其制作简单、各向承载力相同、同等重量情况下承载力最大等诸多优点而具有其独特的优势。

2 支撑钢管选型

目前国内各大船厂所承接的船舶日趋大型化，如180 000 DWT散货船、10 000TEU集装箱船等，其型深分别达到24.9 m和27.2 m。相应的支撑长度可达15m以上，一般属于细长杆。

由欧拉公式可知，相同规格细长杆的承载能力主要取决于材料的弹性模量E，与屈服强度无关。而普通强度钢与高强度钢的弹性模量基本相同，因此钢管支撑可以选取GB/T 17395-2008中Q235等级的钢管。同时考虑到材料的通用性，本文选取了ISO 4200-1991与GB/T 17395-2008均收录的部分常见规格钢管作为研究对象。

3 支撑连接型式及受力分析

钢管支撑型式一般为顶部与船体吊环或预装支撑头相连。与支撑头相连时可电焊固定，与吊环等相连时可插销固定，使用时更为方便快捷，符合快速搭载的要求。

支撑底部可加铁楔或千斤顶，用于微调高度，直接落于船坞内水泥地面，亦可选在坞底预埋件位置。

下面以顶部为吊环型式支撑作为研究对象，计算其许用载荷。此支撑可视为一端自由，另端固定的压杆。

图1为某型船首部分段的搭载支撑示意图；假定1714分段重量为G，相邻分段1614与1714之间的剪切力为Fs，钢管的支撑力为FN，根据力矩平衡原理可得:

FN=GL1/(L1+L2) （1）

图 1 某型船首部分段的搭载支撑示意图

4支撑载荷计算

压杆根据长细比λ的大小可分为3类：细长杆、中长杆和粗短杆。

（1）细长杆：当长细比λ大于或等于某个极限值λp，即λ＞λp（对Q235钢，λp=101），其所受载荷超过临界应力时将发生弹性屈曲。临界应力为：

（2）

（2）中长杆：当λs≤λ＜λp（对Q235钢，λs=61.6）时压杆将发生非弹性屈曲。其临界应力为:

（3）

式中：a和b为与材料有关的常数， Q235钢的a=304 MPa，b=1.12MPa

（3）粗短杆：当λ＜λs时，压杆不会发生屈曲，但会发生屈服。其临界应力即为屈服应力：

（4）

综上可知，计算许用载荷首先需确定压杆细长比λ

(4) （5）

式中:——长度系数，为=2；

——钢管长度（mm）；

——惯性半径（mm）。

假定钢管外径为273 mm，壁厚10 mm,长度10 000 mm，则计算可得， 215＞，属于细长杆，可应用欧拉公式：

式中：E——弹性模量，E=200 GPa;

I ——惯性矩(mm4）;

μ——长度系数，为μ=2;

——钢管长度(为mm).

得出许用载荷为： kN

5 部分规格钢管许用载荷

针对船厂实际施工范围，将钢管规格推广到GB/T 17395-2008及ISO4200中常见的部分规格，对直径273 mm~508 mm、长度10 000 mm~20 000 mm范围内的钢管许用载荷进行了计算，结果如表1所列。

表1GB17395中常见规格钢管许用载荷

注：长度单位m；钢管规格为外径×壁厚，单位mm；许用载荷单位kN。

6结论

船体分段搭载过程中使用的支撑钢管，基本上都属于细长杆，可使用Q235材质结构钢管，应用欧拉公式计算许用载荷，校核其稳定性。

需要指出的是，搭载支撑钢管的许用载荷，在需满足压杆稳定性要求的同时，仍受到初始弯曲以及偏心轴力的影响，但由于实际施工中钢管弯曲度、轴力偏心距一般较小，偏心轴力所形成的弯矩导致的内力起次要作用，在计算时可忽略。

在工程实际中，安全系数取2.5，所得结果经实践检验较为可靠。

参考文献

[1]范钦珊，殷雅俊.材料力学[M].北京：清华大学出版社,2004.

[2] GB/T 17395-2008,无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差[S].北京:中国标准出版社,2008.

[3]ISO 4200-1991,Plain end steel tubes ,welded and seamless-General table of dimensions and masses per unit length[S].Geneva: ISO/TC5,1991.

作者简介：秦亚峰（1983-），男，工程师。主要从事船舶修理及建造工艺工作。

收稿日期：2014-01-14