某自升式平台救生艇平台结构设计及研究

李传静 杨德才 王正锐 陈耀辉

摘    要：本文主要介绍一种自升式平台上的悬臂梁式救生艇平台结构，该设计减少了生活楼对甲板开敞面积的占用，有效提升了甲板使用面积;详细介绍了该支撑平台的结构形式和设计方法，解决了支撑结构与主体结构的连接问题，并通过有限元计算对结构强度进行了验证。本文的设计方法和结论，可为相似海工项目提供参考。

关键词：自升式平台;框架结构;救生艇;支撑结构;悬臂梁

中图分类号：U663.6                                文献标识码：A

Structural Design of Jack-up Lifeboat Platform

LI Chuanjing，  YANG Decai，  WANG Zhengrui，  CHEN Yaohui

（ Guangzhou Interstellar Offshore Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： This paper introduces a cantilever beam type lifeboat platform on a jack-up platform. The design method reduces the occupation of the living building to the open area of the deck， and effectively improves the deck area. The structural type and design method of the support platform are introduced in detail， the connection problem between the support structure and the main hull structure is solved， and the strength of the structure is verified by FEM method. The method and conclusion of this paper can provide reference for similar offshore engineering projects.

Key words： Jack-up platform; Frame structure; Lifeboat; Support structure; Cantilever beam

1     前言

救生艇是自升式平台上的一项基本配置，为了便于登艇，一般布置在生活楼甲板上。对于平台来讲，甲板开敞面积和使用面积越大越好，这样才能容纳更多的人员和设备，并提供更为舒适的生活环境和工作条件。因救生艇附近要设置集合站，且集合站应是一个无障碍场所，人均占有面积不小于0.35 m2，因此救生艇就需要一个很大的平台。如果按照常规设计，必然会挤占生活楼或甲板空间，因此设计了一种伸出舷侧外板之外的救生艇平台形式，称之为悬臂梁形式的救生艇平台。

2    总体布置

如图1所示：共有救生艇4艘（左右各两艘），分别布置在生活楼平台的2层甲板的两舷，内侧与生活楼相连，有相应的通道和楼梯通向各层平台;平台长约21 m、宽约为4.3 m，完全悬于自升式平台外部，覆盖整个首部桩腿和生活楼范围;每艘救生艇尾部在平台上再伸出一部分作为登艇通道;平台首部与生活楼通道;平台相连，并通向右舷救生艇平台。平台首部内侧开设有梯道口，并设有梯道通向一层生活楼。

由图1可以看出，救生艇平台完全悬挂在2层生活平台侧面，2层生活平台高度为11.7 m，距离主甲板为11.7-5.5=6.2 m。作为一个悬臂梁式结构，下方没有任何支撑，因此解决平台的力的传递问题，即如何将救生艇平台的力传递到主体结构上。通过分析，附近能够承受力的主体结构主要有3处，分别是生活楼结构、主甲板和升降装置撑杆结构。因此通过合理布置主梁将平台的力合理的传递到主体结构上，并对救生艇平台、支撑结构及主船体结构受力进行有限元校核。

3    结构设计

通过以上分析，决定采用焊接型工字钢主梁作为平面方向的主承力结构，它与二层生活楼平台和升降装置撑杆结构相连，垂向设置圆管与主船体和升降装置撑杆的下部相连，与主船体结构连接处做适当加强和合理过度。

如图2所示：根据救生艇布置图和救生艇尺寸，结合悬臂梁结构的受力特点，沿船宽方向设置了若干工字钢横梁与二层生活楼平台和升降装置撑杆相连，纵向设置3道工字钢与横向的工字钢相连，组成框架结构的主体。这些工字钢梁是主要的受力构件，需要进行有限元分析计算;在工字梁之间铺设若干角钢，将主框架间的空间分割成小空间，便于铺设格栅;由于此处结构悬于海面之上，结构间距过大会引起人员不适，角钢与工字钢所围成的区域以不大于1 m2面积为宜;为了解决悬臂梁端部受力过大问题，在靠近救生艇附近的主梁下，设置了若干斜撑管和支柱向下连接到主甲板和升降装置撑杆结构上。由于主甲板在此处的位置较为狭窄且布置有逃生通道，因此布置斜撑后需要滿足逃生要求，且斜撑会不可避免的穿过舷墙，需要做好处理。平台的典型支撑结构形式，见图3所示。

（1）对于与生活楼相连接的部分，由于生活楼结构普遍较弱，横梁端部应尽量设置在有横梁的位置，没有横梁的地方必须增加横梁作为加强并进行有限元验算;

（2）对于与升降装置撑杆相连接的横梁，需要将面板端部加宽并设计为软趾，以减少对重要结构的影响（见图4）;

（3）对于斜撑管落在升降装置撑杆的位置，斜撑管末端要做插入板处理（见图5）。

（4）救生艇平台的支撑管主要都落脚在主甲板上，通过有限元计算发现这些地方的应力非常大，因此适当的加强是非常必要的。为此，在管子的落脚处主甲板板要进行局部加厚，同时下方增加T型梁或者肘板;

（5）根据设备资料，每艘救生艇都是由两个吊臂支撑，吊臂安装在艇平台上，因此吊臂落脚处的艇平台结构需要有良好的强度和结构形式（见图6）。为此，在吊臂落脚处的工字钢内增加几道横竖向板，使其成为一个盒状结构。

4     有限元分析

（1）有限元模型

有限元计算采用DNV软件SESAM GENIE软件进行建模及分析。根据结构形式特点，平台及支撑结构采用杆单元形式，主船体结构采用板单元形式进行建模分析，杆单元通过SUPPORT LINK连接到板单元模型上。为了计算准确，模型范围需要足够大。救生艇平台的杆单元模型如图7所示，其中P表示管子，PG表示拼接的工字钢。例如P273x12_7表示直径为273 mm、壁厚为12.7的钢管，PG500x420x10x15表示腹板规格为500x10 mm、面板规格为420x15 mm的拼接工字钢。

有限元模型边界条件：限制6个自由度中的x、y、z方向的平动自由度;而转动自由度是释放的;z方向的平动自由度，根据情况选择限制还是自由，这样计算的结果更为准确。

（2）计算载荷

结构承受的载荷主要有以下5种：

① 结构自重（包括格栅重量）。考虑到有限元模型一般不需建所有的结构，只需在进行工况组合时加大1.2倍;

② 平台人员集中载荷。按规范要求为10 KN/m2，由于是杆单元，加载时需转换成线载;

③ 甲板设计载荷。根据平台设计需求来定，本平台主甲板载荷定为1.35 t/m2，生活樓甲板的载荷定为0.45 t/m2，以面载的形式施加在相应甲板板上;

④ 艇支反力。由救生艇设备厂家提供，包括受力点的弯矩和3个方向的支反力，需对其进行组合以模拟实际情况，见表1和表2所示;

⑤ 船舶摇摆产生的惯性力。根据ABS规范，取为平台单边横摇或纵摇15 ?，周期为10 s。

这5种载荷互相组合，构成了加载在模型的基本载荷工况。我们用 LC1表示结构自重，LC2为格栅重量，LC3为人员集中载荷，LC4为甲板设计载荷，LC5～LC8为自重在横摇纵摇情况下产生的4个主方向的惯性力，LC11～LC14为救生艇组合支反力。其中，LC5为船舶自重加正向横摇，LC6为船舶自重加负向横摇，LC7为船舶自重加正向纵摇，LC8为船舶自重加负向纵摇。

由于该平台结构受力形式较为复杂，无法直接推断出哪种工况是最恶劣工况，因此需要对这些基本工况进行组合，模拟其可能发生的所有组合工况;再对这些组合工况进行校核，从而找出最不利的工况并作出判别处理。其中，LC21～LC24组合了结构自重（包括格栅重量）、聚集区集中载荷、甲板载荷和艇支反力，为安全工作载荷工况; LC31～LC38为平台结构在船舶摇摆状况下的组合工况，是在安全工作载荷工况下又分别组合了平台摇摆惯性力;LC41～LC48为主船体结构在船舶摇摆状态下的组合工况，它是在LC31～LC38基础上增加了甲板载荷;LC31～LC48为典型运动工况，分别对应着不同的应力衡准。

（3）许用应力

① 按ABS MODU要求，平台在运动工况下的许用应力σallow 为结构屈服强度的1/1.25。

② 对于主船体及加强结构板单元，其许用应力按下式计算：

σallow = Fy / F.S.                                                          （1）

式中：Fy为钢材最小屈服强度;

F.S.=1.43（静态载荷），F.S.=1.11（组合载荷）。

有限元计算结果，一般用等效应力进行校核：

（2）

（4）校核结果

若校核结果σeqv 不大于σallow ，即认为满足要求。

平台及加强结构主要使用了屈服强度在235、355、360、500 MPa的钢材，由此可以计算出艇支撑平台和主船体及加强结构用钢的许用应力。

对于艇平台这种杆单元，通过软件计算结果，提取出杆件轴向力和轴向弯矩值，然后通过MODU屈曲校核公式校核UC值。对于单一或双重对称结构的组合截面杆件，根据MODU第三篇第二章第一节相应规范作为衡准，小于1.0即为合格。本平台在各种工况下各种规格杆单元最大UC值均小于1.0，满足要求。

对于主船体及加强结构，由于是板单元模型，需要找出各个工况下每种材质的最大等效应力进行校核。受篇幅所限，各种工况下的应力云图不在此展示。各种材质在产生最大等效应力及其对应组合工况下的最大应力，见表3：

5     结束语

本文所阐述的救生艇平台设计方法，大大减少了对平台有效使用面积的影响，充分利用了平台空间，间接提高了甲板使用面积和居住面积;由于采用了框架式结构，使得重量减轻。这两项措施的采用，使平台的经济性得到进一步提升;同时，在结构设计时充分考虑了周围的结构强度、结构类型，使得设计更为合理，减少了加强的数量和对已有结构的影响;此外，考虑到此平台完全悬于海面之上，结合以往客户的反馈，将主框架之间的用于铺设格栅的角钢进行加密，大大提高了人员行走时的安全感。

参考文献

[1] ABS. Mobile Offshore Drilling Units 2015.

[2]ANSI/AISC 360-05 An American National Standard; "Specification for Structural Steel Buildings”， March 9，2005.

[2] API Recommended Practice 2A-WSD Twenty-second Edition， NOVEMBER 2014.