模块海上运输支墩设计与简化计算探讨

刘旭 姚汉文

摘 要：模块在海上运输过程中，如何利用支墩等将模块合理的固定在船体上，是模块海上运输的一个关键技术，它关系到运输过程中船舶与货物两方面的安全。本文简要介绍一种模块海上运输的支墩设计，并以此为基础探索出一种高效实用的计算方法。

关键词：海运模块；支墩；简化计算

中图分类号：U663.72 文献标识码：A

Abstract： Oil module transportation is a very important part of heavy cargo transportation in the past few years. How to design the grillage which can restrain movement of the loaded structure is the key technique of the module transportation. During the whole design， it is necessary to confirm that the vessel structure， grillage and the module have adequate strength to resist all the critical design load. In this paper， a kind of grillage is demonstrated， and how it will reduce the workload during the strength check is researched.

Key words： Shipping module； Grillage； Simplified calculation

针对大型结构物的结构特点、功能以及安装装配流程，通过对该大型结构物进行有效拆分成若干个小型可单独施工、运输和安装的模块，最后抵达指定地点后再将各个拆分的模块进行装配组合成完成的结构物或平台，这就是模块建造技术[1]。去年刚投产的总投资超300亿的Yamal项目和今年开运的TCO项目都是采用这一方法建造的。随着世界分工的深入发展，每年都有大量类似的模块从各地工厂通过海上运输到达世界各地，最终被组装成一个个大型的工厂、平台等。

通常，模块在海上运输的周期长、风浪大、气候环境恶劣多变，所以有必要采取有效的措施防止模块在运输过程中的过度变形、移位甚至损坏。本文简要介绍一种模块支墩的结构形式及设计思路，并对在校核中如何提高相关计算的工作效率进行讨论和分析。

1 模块支墩形式

通常使用半潜船或者甲板驳将模块运输到指定卸货地点。在运输过程中，由于外力的作用模块会随之产生横移、垂荡、翻滚等运动，因而需要利用相关的支墩对模块进行有效绑扎固定，同时将随之而产生的高达数百吨甚至上千吨的载荷有效合理地传递到船体上，以此保证船舶和货物的安全[2]。显然，如何有效地将集中载荷尽可能分散作用在模块和船舶的强结构上是模块运输所面临的一个难题。为此，根据某模块特点以及运输船舶的参数，设计了如图1的支墩[3] [4]。

采用这种形式的支墩，可以让模块所产生的载荷有效地传递到船体强横梁或者横舱壁，避开了强度较弱的板格部分，从而大大提高了船舶所能装载模块的重量。

2 支墩的强度校核

船体及支墩示意图，如图2所示。一般来说，支墩设计需要确保支墩在满足强度要求的同时保证船舶结构的安全。支墩强度校核的基本方法如下：

（1）根据模块信息调整初始的船舶装载状态，并确定模块绑扎点及绑扎数量；

（2）根据装载状态，利用水动力模型计算出模块在各种浪向下的运动响应；

（3）根据运动响应，推导出各种工况下模块各绑扎节点的支反力，校核模块自身结构强度；

（4）将所得支反力加载到船体及支墩的有限元模型中，进而进行强度校核。

3 初步设计中的简化计算

一般来说，一艘200 m左右的船舶，全船使用800mm的粗网格进行有限元计算，网格总数约为20万个，其完成一次计算耗时需20分钟左右。在全船模型加上支墩，考虑到支墩是局部构件，因此需要对支墩附近的网格进行细化和优化，从而导致网格数量急剧飙升，极大地增加了计算时间，有时甚至需要耗费数个小时完成一次计算。

为了节约计算时间，在支墩初步设计过程中可以先对支墩进行强度校核，在翼板底部采用固支。在这个过程中，船体的强度校核可以通过提取约束的支反力后与已知的船体许用载荷比较进行初步的核算。现在我们将分别利用这种简化方法进行全船的有限元分析，分别对某支墩进行校核，进而分析这种计算的可靠性。

支墩与全船有限元模型，见图3、图4。约束条件，见图5。

3.1 载荷加载

作用在支墩上的力可以分解成以下三种力：主要由垂荡引起的垂向力；主要由橫摇引起的横向力；主要由纵摇引起的纵向力。在本文计算中，按上述三种力的成因分别考虑下面三种工况（见表1）。

需要指出的是在实际分析的时候需根据实际工程的情况考虑多种组合工况进行分析。但基于有限元的线性叠加原理，本文暂且只考虑以上三种简单工况。

3.2 载荷计算结果及支反力提取结果比较

支墩在两种不同计算方法下的应力分析结果如表2、图6、图7所示。

按图8所示结构，分别提取支墩翼板与船体相连处的支反力，结果如表3、表4、表5所示。

从表3、表4、表5三种工况下z向支反力结果来看，利用全船分析和简化分析的结果基本相同；从表3的统计结果可见，在工况1的情况下y向支反力的比值相差较大，但考虑到在工况1该方向的支反力较小，在强度校核中可以予以忽略；从表4中x向的支反力相差较大，这可能是因为对翼板底部进行固支以后不能合理反映横向力所产生的扭矩而产生（下转第页）（上接第页）

的误差。

从上述的分析结果可知，利用简化分析的方法，水平方向的分力可能与全船整体分析的结果存在一定的差异，但考虑到在初步校核船体强度的过程中，我们一般只利用垂向分力与船体许用载荷进行对比来校核船体是否满足强度要求，所以利用简化分析的方法对初期支墩与船体的校核具有重要的意义。

4 结论

通过比较两种分析方法的计算结果可见，对支墩底部进行简单固支所得的分析结果与全船分析所得的结果基本吻合，这对设计初期快速校核支墩强度有着重要意义；同时，其所提取出来的支反力结果，虽然与全船分析的结果有一定的误差，但可以满足船体初步强度校核的需要，这样能够有效缩短支墩初始设计的计算时间，并对随后的详细设计有一定的预判和指导意义。

参考文献

[1] 高杰. 模块化工厂的建造与安装[J]. 安装. Vol8 2011， 18.

[2] 何 敏，于文太，钱建伟，梁學先. 大型模块运输固定优化分析[J]. 中 国造船. 2010， 51.

[3] AISC Specification for Structural Steel Buildings[S]， 13th Edition， 2005.

[4] 迟少敏，赵耕贤. FPSO 模块支墩结构形式与设计原则[J]. 船舶与海洋 工程 . 2014， 4.