大型邮轮甲板变高梁的应用分析

崔桂媛，蒋龙皎，马涛，陈刚，关爱民

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

大型邮轮中，乘客、船员多，生活需求多样，这对全船的通风、消防、电力功能等是巨大的挑战；船上风道、管路、电缆等种类繁杂，数量庞大，布置难度高，而风道、管路、电缆基本都在天花板上面布置，这就对天花板以上有限的上层空间的利用提出了极高的要求。

一般情况下，大型邮轮在设计时，考虑到各类风道、管路、电缆等布置需求，在保证船体结构强度的前提下，会在甲板强梁上设置大量的减轻孔，使风道、管路、电缆等均可从减轻孔穿过，而且这些减轻孔一般都是按照标准尺寸和间距进行设计。减轻孔的设计，不仅是考虑到风道、管路、电缆等布置需求，对于大型邮轮这种重量控制严格的船舶，还能起到减轻船舶重量的作用。而且减轻孔按照标准尺寸和间距进行设计，也有利用船厂进行标准化制造。

但是，在大型邮轮中各类风道、管路、电缆等种类繁多，尺寸规格大小不一。对于各种截面积较大的风道、管路、电缆而言，甲板强梁上的标准减轻孔已经无法满足其穿孔需求。其中，部分截面积稍大的风道、管路、电缆等，会考虑通过扩大减轻孔满足其穿孔需求，但这会导致结构强度降低。这时，为了保证强梁的结构强度不变，需要设置一些加强，如在减轻孔周边设置一圈扁钢或局部增加腹板厚度等。对于这种扩大减轻孔的方式，孔高度受限于标准强梁腹板高度影响，尺寸扩大有限，只能满足部分风管等的穿孔需求。对于截面积更大的风道、管路、电缆等，这时候扩大减轻孔满足不了结构要求，因此考虑设计采用变高梁的结构形式。

1 变高梁的结构形式

变高梁是一种在高度上有变化的甲板强梁。假设普通强梁规格表示为×××(为腹板高度，为面板宽度，为腹板厚度，为面板厚度)。现将强梁的腹板高度降低，为了保证结构强度不变，同时增加腹板的厚度、面板的宽度或者厚度，甚至提高腹板或者面板的材质等级，修改后的这种强梁称之为变高梁，其规格可以表示为×××(为变高梁腹板高度，为变高梁面板宽度，为变高梁腹板厚度，为变高梁面板厚度),见图1。

图1 典型变高梁结构

2 基于等效替代的变高梁设计

2.1 等效替代设计原则

用变高梁代替甲板强梁，需保证结构强度不变。船舶甲板一般为受压状态，甲板强梁一般为甲板的主要支撑构件，此时仅考虑甲板强梁在受压状态下的抗弯能力，即甲板强梁横截面上只有弯曲应力。如果使用变高梁代替普通甲板强梁，则变高梁所能承受的抗弯能力不能降低，即变高梁的剖面模数不能小于普通强梁，在同样的甲板受压状态下，变高梁所承受的弯曲应力不能变大，此时才能称之为等效替代。

(1)

式中：为普通甲板强梁弯曲应力，MPa；为变高梁弯曲应力，MPa。

2.2 设计方法

变高梁主要是应风道、管路、电缆等穿孔要求而设计，是一种功能性需求。首先根据需求，确定变高梁的高度，先初步设计变高梁的规格，保证变高梁在等截面下的剖面模数不小于普通甲板强梁，然后通过有限元建模计算，在相同的载荷情况下，分析变高梁替代后的弯曲应力情况，确定变高梁的最终尺寸。

对于甲板强梁的弯曲应力分析，以大型邮轮居住舱室局部甲板平台为例，采用有限元分析软件Patran，建立有限元模型，局部使用变高梁代替普通强梁，进行有限元分析计算，比较替代前后甲板强梁的弯曲应力情况，判断是否为有效替代。

2.3 模型及边界条件设置

模型描述：大型邮轮居住舱室局部甲板平台，甲板板厚一般为5 mm，甲板为纵骨架式，纵骨规格为一般为HP80×5；甲板左右舷分别对称设置两道纵桁，且设置等间距强横梁，并在强梁上设有标准减轻孔，纵向和横向强梁规格均为450 mm×100 mm×8 mm×10 mm(截面积为78.7 cm，考虑减轻孔后，剖面模数为661.2 cm)；在纵横强梁连接处间隔设置支柱作为支撑,详见图2。

图2 模型

边界条件：甲板上设置垂向均布载荷3.2 t/m，四周边界为刚性固定，支柱处为刚性固定。

当甲板为普通强梁时，甲板横向强梁最大应力约为75.6 MPa，甲板横向强梁应力见图3。

图3 普通甲板强梁应力云图

局部使用变高梁替代普通横向强梁时，变高梁规格为250×180×10×15(截面积为84.0 cm，剖面模数为719.1 cm)，甲板变高梁处的最大应力约为42.7 MPa，较普通强梁时应力降低约40%，甲板变高梁处应力见图4。

图4 变高梁处应力云图

分析计算结果，在保证局部强梁截面积和剖面模数不变小的条件下，采用变高梁设计的板架结构在变高梁附近的弯曲应力比同一位置处普通强梁板架结构下的局部应力小，能够满足强度要求，因此，该变高梁规格相对原甲板强梁，为有效替代。

大型邮轮上由于标准舱室对空间高度的要求，结构强梁一般都是标准高度，规格种类不是很多，因此相应的变高梁对应的也是标准高度，规格种类也比较少，这便于邮轮在生产设计过程中根据实际情况实行简易的变高梁的设计替代。标准化的变高梁对现场生产也更为便利，从材料到生产能够较快响应。

3 变高梁的应用

3.1 风道、管路、电缆等截面积过大的穿梁

大型邮轮必须保证良好的通风，产生大量的通风管系，其中还会有很多大型风管。大型邮轮中风管布置在舱室上方，一般穿过强梁上的减轻孔来布置。但是其中有很多大型风管，截面积较大，无法穿过强梁上的减轻孔，且在居住舱室区域，因为层高的限制或者舱室的推进空间的限制，也无法从强梁下方穿过。

这种情况，可以通过设置局部变高梁，让风管从变高梁下方穿过，且保证与天花板不干涉，见图5。

图5 典型的变高梁解决大型风管布置示意

大型邮轮用应充分考虑电需求、生活用水需求、水消防功能需求等，这样会产生大量的电缆和管路，电缆、管路均布置在舱室上方，需要穿过甲板强梁的减轻孔，其中有很多大截面积的多排电缆和直径较大的生活水总管、消防水总管等超过减轻孔的大小。为了满足这些大截面积电缆和大直径的管路的穿孔需要，可以通过设置局部变高梁来保证其布置需求。

3.2 风道、管路、电缆等集中布置情况

大型邮轮还有很多风道、管路、电缆等集中布置，均需要穿过同一位置，此时，强梁上减轻孔的数量已经不能满足此处的穿孔需求，而且受居住舱室的天花板高度影响，也无法从强梁下面穿过。

若风道、管路、电缆等绕行从其他位置减轻孔穿过，首先会浪费大量的材料；其次，绕行会导致其他风道、管路、电缆的修改，增加大量的人工修改成本；而且在大型邮轮中，上层空间极其有限，减轻孔利用率极高，很难找到其他绕行路径。

这种情况下可以通过设置局部变高梁，让风道、管路、电缆集中从变高梁下方穿过，见图6。

图6 典型的变高梁解决风道、管路、电缆等集中布置示意

3.3 超高设备与强梁干涉时

大型邮轮中有大量的机械设备，尤其在居住甲板区域会有大量的电气设备、通风设备等，其中有部分设备的高度已经超过甲板强梁，有些可以通过移动设备来避开强梁保证设备布置没有问题，但是大型邮轮有的设备房间格局紧凑，设备的移动空间有限，这些设备在布置上无法避开强梁的位置。

另外大型邮轮中很多设备都是特殊的进口设备，有的无法更改。

这种情况下可以通过设置局部变高梁，既保证了设备与强梁不干涉，又不会影响到邮轮的建造计划，见图7。

图7 典型的变高梁解决超高设备布置示意

4 结论

1)在保证变高梁剖面模数不变小的前提下，设置变高梁的结构局部应力小于原结构强梁，变高梁与原甲板强梁可等效替代。

2)在整个大型邮轮的建造过程中，合理采用局部变高梁的设计，可有效解决各类风道、管路、电缆、设备等布置问题，对于上层空间布置有限的船舶，具有重要的参考价值。