铺管船过桥支撑结构强度评估

张 士 天

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

0 引 言

铺管船作为一种重要的大型海洋工程装备在海洋油气开采、输送过程中发挥了重要作用。铺管船不仅配备大量昂贵且重要的作业设备，而且还为大量工程人员提供海上膳食和生活处所。铺管船必须具备足够的安全性，以确保船舶适应恶劣海况。

海洋工程物的结构强度是各类安全要求中最基本、最重要的一项。铺管船的总强度评估和局部强度评估受到船舶结构力学工作者的高度重视。而铺管船的过桥（gangway bridge）作为连接钻井平台和铺管船间的主要装置，为工程人员日常通行提供安全的通道。在复杂的工况中，过桥除了承受其自身重量、人员活动载荷外，还要考虑不同海况下风载以及加速度。因此，其支撑结构的强度设计显得尤为重要。

随着各类仿真工程软件的发展，有限元法已经成为一种非常重要的结构强度评估手段，且已在船舶与海洋工程的设计领域获得了广泛应用。本文将应用有限元法对铺管船的过桥装置的支撑结构进行强度评估。

1 铺管船过桥装置特点

过桥装置一般由可伸缩的通道箱体（telescopic trusswork）、钢塔（Steel tower，包含驱动装置）、支撑筒体（pedestal）和端部锥形限位块（cone）组成。为了降低结构重量，伸缩式通道箱体一般由铝材焊接而成，并设防护网保护人员安全。锥形限位块置于箱体的端部。钢塔设有电动或者液压驱动装置用来调整过桥的水平角和翘角。筒体通过一组螺栓或者焊接等形式将整个过桥装置牢固地固定在铺管船的船体结构上。

另外，由于支撑筒体较高（约 5～18m），人员难以直接快速、便利地登上通道箱体，一般在过桥边设置双向通道塔台（two-ways access tower），通道需满足SOLAS要求。为了避免因为船舶运动产生的晃动损坏装置，通常还会在适当位置设置托架（boomrest）用来固定和支撑箱体（见图1）。

图1 过桥装置侧视图

2 载荷计算

2.1 简述

整个过桥装置通常承受风载荷（wind load）、活动载荷(live load)以及船舶随波运动过程中的加速度（acceleration forces due to vessel movements）。因此，对筒体根部或位于甲板反面的支撑结构而言，除受过桥装置各设备自重外，还需考虑由这些水平方向载荷所引起的弯矩。

本设计载荷计算点位于甲板处，即筒体的最下端。过桥自筒体中心起计的设计长度L为42.5m，过桥的其他尺度及操作要求如下：

(1) 名义长度：（36.5±6）m；(2) 最小长度：30.5m；(3) 最大长度：42.5m；(4) 最小操作角：-16.5°；(5) 最大操作角：+23°。

2.2 设计载荷

2.2.1 自重载荷

自重载荷见表1。

表1 自重载荷汇总 单位：kN

2.2.2 活动载荷

过桥箱体区域面积计算：L×W=60 m2

汇总见表2。

表2 活动载荷汇总

2.2.3 风载荷

作用在结构上的风载荷，其数值由过桥结构所处的水平高度的风速所确定。对于正常和极端工况，设风速为35.0m/s，对于意外工况设风速为50.0m/s 。

为了便于计算，参考有关资料[1]，作如下假定：1) 任一受风构件的风力与风向一致, 载荷按均布载荷考虑；2) 在受风时, 不考虑立柱或者其他结构之间的相互遮蔽作用；3) 铺管船水上部分所受的风力与铺管船水下部分的水阻力相平衡；4)不计铺管船绕Z轴旋转的影响。

风力根据欧盟标准[2]计算确定。基础风压：

2.2.3.1 作用在铝制箱体上的风载荷

箱体的体积系数φ由下式可得：

式中：A——所有构件的投影面积；Ac——封闭区域的面积，Ac=l(箱体长)⋅b(箱体高)。

伸缩式箱体的投影面积见图2。

图2 伸缩式箱体的投影面积

据此，可分别计算出：

φPart1=0.315 ⇒ 载荷系数cf=1.6

φPart2=0.372 ⇒ 载荷系数cf=1.6

顶部相同考虑 ⇒ 载荷系数cf=1.6

考虑到屏蔽作用影响，对于φ≤0.6时，有：

式中：a——格架的宽度（2430mm、1700mm）；b——格架的高度（3660mm、2620mm）。

经计算可得：

风载荷可由式（4）计算：

式中：Cf——载荷系数；Aref——参考投影面积。

考虑到风压作用在过桥的纵方向上，因此对于顶部区域的风载荷需考虑形状系数，可由式（5）计算：

Areftop=56m2（实量面积为38m2，但考虑到安全网和格栅后另增加18m2）

FwPart1= 54.79 kN；FwPart2= 46.54 kN；Fwtop= 112.22 kN。

2.2.3.2 作用在支撑筒体上的风载荷

对于任意旋转角度的工况，作用在筒体上的风载荷都按背侧受风考虑。

筒体各部位主要尺度见表3。

表3 简体各部位主要尺度 单位：mm

船舶运动的加速度见表4。

表4 船舶运动加速度 单位：ms-2

2.2.3.3 基本载荷汇总

基本载荷汇总见表5。

表5 基本载荷汇总

3 工况选择

3.1 载荷组合

根据海上作业企业实际操作经验，所有涉及的工况是指包括螺栓固定连接端在内的单边支持的工况。单端固定的情况按如下几种工况来定义：

操作工况是指正常空载起吊。即为：无活动载荷+最大工作天气条件，风速35m/s+最大起吊长度等情况组合。意外工况是指极端气候下负载起吊。即为：包含活动载荷+极端天气情况，风50m/s+最大起吊长度等情况组合。

载荷系数按挪威海事标准[3]确定（见表6）。

表6 载荷系数

根据实际操作条件，选择8种最危险的工况用作强度评估（见表7）。

表7 工况说明

甲板位置的反作用力，在考虑各计算系数后，各种工况的载荷见表8。

表8 各种工况下载荷

4 有限元模型

采用静力学分析的方法，对船体支撑结构的屈服强度进行有限元法直接计算。模型中采用笛卡儿右手坐标系。X轴正向指向船首，Y轴正向指向左舷，Z轴正向垂直向上。

有限元模型包括支撑筒体下的船体原有结构、加强结构。甲板板、外板、舱壁板以及强横梁和甲板纵桁的腹板采用二维壳元模拟，甲板纵骨、舱壁扶墙材、舷侧纵骨等次要构件采用2-D梁单元模拟。围壁、支点及边界采用自由支持。

船体及加强结构材料主要为船用普通钢，泊松比为0.3，弹性模量取2.06GPa，密度为7.85t/m3。典型应力云图（见图3）。

图3 典型应力云图

通过计算，可直接得到各设计工况下的单元的应力。根据要求对单元的合成应力[4]进行评估，并对各工况下的最大合成应力、发生位置和最大应力分量进行统计，参见表9、10。

表9 最大屈服应力汇总

表10 最大应力分量汇总

由于本次校核屈服强度的合成应力和剪切应力都比较接近许用值，处于相对较高的应力水平，因此就有必要对可能出现的受压屈曲失稳采取进一步分析。

屈曲分析是一种用于确定结构失稳情况的强度分析，可根据计算确定结构临界载荷和屈曲模态（见图4）。屈曲评估假定结构为理想弹性结构，即结构在达到屈曲载荷之前其位移—变形曲线表现出线性关系。采用特征值屈曲分析法进行评估。有限元分析程序依据有限元程序根据特征值公式计算造成结构负刚度的应力刚度阵的比例因子。可根据这些比例因子确定失稳点。计算考虑3阶屈曲模态，计算结果汇于表11。

表11 三阶屈曲因子汇总

图4 典型屈曲模态及屈曲因子

由此可知，过桥装置的支撑结构具有适当的屈服和屈曲强度，满足规范[5]要求。同时，最大应力和变形主要出现在甲板下筒体与强横梁或与甲板纵桁相连接处附近。对此区域而言，在设计阶段以及在后续的建造阶段需要给予必要的重视，以保证结构强度。

5 结 语

牢固可靠的支撑结构是保障人员和船舶安全的基本前提。结构强度问题需要在设计过程中特别注意。尽管此区域的强度问题较为敏感，但是有关这类问题处理方法的文章并不多见。本文结合有关规则要求并结合项目经验对铺管船支撑结构强度评估进行总结。方法主要以法规、规范为依据，通过计算确定过桥支撑结构的基本载荷,并结合设备海上操作情况，再确定一系列工况组合。根据这些载荷和组合工况用有限元法验证了结构的屈服强度。考虑到可能存在的结构失稳问题，最后还对结构进行了屈曲评估和说明。

[1] 谭 美，冯 军，熊 飞. 自升式钻井平台风载荷研究[J]. 船舶与海洋工程，2014, (1): 18-23.

[2] ENV 1991-2-4:1995 EURO CODE 1 BASIS OF DESIGN AND ACTIONS ON STRUCTURES[S].

[3] NORWEGIAN MARITIME DIRECTORATE[Z]. DRAFT No.5, 1985.

[4] 张少雄，李雪良，陈有芳. 船舶结构强度直接计算中板单元应力的取法[J]. 船舶工程，2004, (3): 21-23.

[5] AMERICAN BUREAU OF SHIPPING[S]. RULES FOR BUILDING AND CLASSING/MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS.2012.