陳曙梅 劉樂樂 喬國瑞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

艙容在3 000～5 000 m3，船長不超過100 m的中型耙吸挖泥船，因其作業(yè)靈便、適用廣泛倍受市場青睞。中型耙吸挖泥船的泥艙多為開敞式，頂部為了便于裝泥不設(shè)置甲板；船底則設(shè)有單列或雙列泥門，泥門處開口導(dǎo)致船底結(jié)構(gòu)不連續(xù)。為保證泥艙內(nèi)結(jié)構(gòu)框架完整性，船級社一般會要求在強(qiáng)框結(jié)構(gòu)底部連續(xù)對應(yīng)平面的泥艙頂部設(shè)置架空橫梁。

本文依托4 500 m3耙吸挖泥船，研究了4種典型架空橫梁形式對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙容、泥艙重量及挖泥作業(yè)的影響，旨在得到較為經(jīng)濟(jì)，且更能保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和作業(yè)性能的架空橫梁形式。

依托項目的泥艙裝載能力為4 500 m3，為典型的中型耙吸挖泥船，單列泥門設(shè)計，沿海航區(qū)作業(yè)，無限航區(qū)調(diào)遣。其主要參數(shù)見下頁表1。

表1 耙吸挖泥船的主要參數(shù) m

1 研究背景和技術(shù)路線

架空橫梁除了要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求外，還應(yīng)根據(jù)實際使用要求設(shè)置，例如不能影響挖泥裝艙，不能減少泥艙的裝艙量，也不能影響泥艙區(qū)的操作空間。架空橫梁通常設(shè)計為工字鋼形式，也可設(shè)計為箱型梁形式，圖1和圖2分別給出兩種架空橫梁的示意圖。

4 500 m3耙吸挖泥船為開敞泥艙、單列泥門設(shè)計，泥艙為圍板型設(shè)計。圍板型泥艙即在挖泥干舷所在的主甲板以上，設(shè)置較高的泥艙圍板，以增加泥漿裝載量，是中型耙吸挖泥船典型的設(shè)計形式。下頁圖3為典型泥艙圍板型單列泥門橫剖面圖，圖4為典型單列泥門的漏斗形底部結(jié)構(gòu)示意圖以及主要的疏浚設(shè)備。

泥艙在挖泥狀態(tài)下，通過設(shè)置在泥艙內(nèi)的裝艙管，將達(dá)到額定濃度的泥漿裝入泥艙內(nèi)，濃度較低的泥漿通過低濃度排放管排出舷外。泥艙裝滿后，額外裝入的泥漿通過泥艙內(nèi)的溢流筒及溢流通道排出泥艙。裝滿泥漿的挖泥船在滿足作業(yè)海況要求的情況下行駛至指定地點，打開泥艙底部泥門卸泥或通過抽艙作業(yè)，將泥漿輸送至艏吹裝置外拋進(jìn)行海岸吹填工作。泥艙底部泥門除卸泥和通海情況下，一般為緊閉狀態(tài)，泥門的開閉通常由設(shè)在架空橫梁上的油缸帶動泥門中心處的泥門拉桿完成。若為自平衡式泥門，頂部泥門拉桿與船體連接處力很小，則可忽略不計；若為非自平衡式泥門，執(zhí)行開閉作業(yè)時，頂部對船體有較大拉力。

圖1 工字鋼型架空橫梁

圖2 箱型結(jié)構(gòu)架空橫梁

圖3 泥艙圍板型的單列泥門泥艙形式示意圖

圖4 單列泥門的漏斗形泥艙底部結(jié)構(gòu)示意圖

本船采用自平衡式泥門，因此頂部船體結(jié)構(gòu)對泥門拉桿僅有導(dǎo)向作用。挖泥船在抽艙狀態(tài)下，設(shè)在頂部的抽艙油缸對頂部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相應(yīng)載荷。裝艙作業(yè)時，開敞泥艙頂部的泥管內(nèi)充滿泥漿，泥漿通過裝載泥艙頂部的消能箱進(jìn)入泥艙。為充分利用空間，泥艙開敞區(qū)域還會用來放置集裝箱，作為船上的備品空間。

開敞泥艙頂部設(shè)置的架空橫梁主要承受疏浚作業(yè)產(chǎn)生的載荷，諸如泥門拉桿載荷、抽艙油缸載荷、裝艙管載荷、消能箱載荷和備品載荷。架空橫梁設(shè)置在泥艙頂部的長開口中，但規(guī)范對其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度并無要求。主要原因如下：

（1）典型的耙吸挖泥船在泥艙兩舷，設(shè)有足夠?qū)挾鹊母×ε?。泥艙寬度約為船寬50%～60%，頂部泥艙開口寬度約為船寬30%～40%，與船體大開口的定義有差距；

（2）此類工程船彎矩、剪力最大的工況，均為作業(yè)狀態(tài)，作業(yè)狀態(tài)對海況要求很高，優(yōu)良海況下波浪扭矩的作用較小，作業(yè)時也不會產(chǎn)生較大的靜水扭矩；

（3）無限航區(qū)調(diào)遣工況下，架空橫梁不再受作業(yè)載荷影響，而該工況下的船體載荷較作業(yè)工況時的船體載荷小很多。

因此架空橫梁僅在端部設(shè)計為橢圓弧與泥艙圍板連接，而不再校核其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

根據(jù)作業(yè)需求，設(shè)計初期為耙吸挖泥船設(shè)計多種架空橫梁方案，分別從架空橫梁布置、規(guī)范計算尺寸、架空橫梁體積、結(jié)構(gòu)重量、對泥艙強(qiáng)度影響和造價等幾個方面進(jìn)行比較，分析獲得較優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。本文對架空橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究按圖5所示展開。

2 4種典型架空橫梁形式和結(jié)構(gòu)尺寸

2.1 規(guī)范要求

開敞泥艙頂部的架空橫梁設(shè)計需滿足規(guī)范要求。CCS（14.8.6.1）規(guī)定：在泥艙肋板平面內(nèi)應(yīng)設(shè)置泥艙強(qiáng)橫梁或架空橫梁，橫梁的剖面模數(shù)W應(yīng)符合：

圖5 架空橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)路線

式中：S為架空橫梁的面板寬度，m；l為架空橫梁的跨距，m。當(dāng)不設(shè)中間支柱時，跨距l(xiāng)為泥艙縱艙壁之間的距離。

除模數(shù)要求外，架空橫梁在扣除開孔后的總凈剖面積A應(yīng)不小于按下式計算求得之值：

式中各參數(shù)詳見CCS規(guī)范。

另外，CCS規(guī)范規(guī)定，當(dāng)泥艙肋板間距大于4 m時，架空橫梁的構(gòu)件尺寸應(yīng)用直接計算驗證，計算時剖面積應(yīng)按扣除開孔計。計算模型假定架空橫梁的兩端為剛性固定，許用彎曲應(yīng)力取98 kN/mm2。

本文耙吸挖泥船的泥艙肋板間距為7 m，遠(yuǎn)超規(guī)范要求，因此還需要直接計算確定。

2.2 設(shè)計方案簡介

根據(jù)作業(yè)需求，本文設(shè)計4種典型且實船采用過的架空橫梁形式。初始設(shè)計按照CCS規(guī)范要求確定構(gòu)件尺寸，最終尺寸以直接計算結(jié)果為準(zhǔn)。由于設(shè)計保守，考慮到最危險的結(jié)構(gòu)位于泥艙中部，則強(qiáng)度校核均以泥艙中部的架空橫梁為研究對象，并將滿足中部強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于其他橫梁上。4種形式的架空橫梁布置及結(jié)構(gòu)形式簡述如下。

2.2.1 方案1

間距較大的箱型架空橫梁，架空橫梁布置見圖6（a），結(jié)構(gòu)形式見圖6（b）。箱型橫梁設(shè)置處正對泥門中心，泥門拉桿從橫梁中間穿過，底部為泥門的結(jié)構(gòu)開口，因此橫向結(jié)構(gòu)在架空橫梁處沒有形成閉環(huán)。而由于箱型橫梁在泥艙溢流高度以下，會占用泥艙艙容，故艙容緊張的情況下可不予考慮。此方案優(yōu)點也較明顯，頂部設(shè)計簡潔，疏浚設(shè)備布置方便，頂部結(jié)構(gòu)剛度較好。

圖6 方案1：大間距箱型架空橫梁結(jié)構(gòu)（模型中忽略泥門拉桿）

2.2.2 方案2

橫梁間距較小的工字鋼型架空橫梁，橫梁布置見下頁圖7（a），結(jié)構(gòu)形式見圖7（b）。橫梁對應(yīng)的底部結(jié)構(gòu)為泥艙肋板，形成完整的橫向環(huán)狀結(jié)構(gòu)。泥門中心線處為對應(yīng)設(shè)置的架空橫梁可設(shè)為泥門拉桿的支撐。但該方案橫梁布置較密集，不利于疏浚設(shè)備和管系的布置。

2.2.3 方案3

橫梁間距較大的工字鋼型架空橫梁，設(shè)計局部架空縱桁支撐泥門拉桿。架空橫梁布置見下頁圖8（a），結(jié)構(gòu)形式見圖8（b）。

架空橫梁對應(yīng)底部泥艙肋板設(shè)置，橫梁中間設(shè)置支柱與底部泥艙肋板連接，另外設(shè)置局部架空縱桁支撐泥門拉桿。該方案橫向強(qiáng)框能形成結(jié)構(gòu)閉環(huán)，支柱的設(shè)置減少了橫梁的剖面模數(shù)。該方案泥艙頂部作業(yè)空間相對寬敞，艙內(nèi)支柱的局部加強(qiáng)設(shè)計需要特別關(guān)注，既能保證強(qiáng)度，也能保證局部結(jié)構(gòu)不積泥，疏浚管線艙內(nèi)部分也要考慮避開支柱。

2.2.4 方案4

橫梁間距較大的工字鋼型結(jié)構(gòu)架空橫梁，架空橫梁布置見第101頁圖9（a），結(jié)構(gòu)形式見圖9（b）。方案4為方案1的另一種形式，是將方案1的箱型橫梁改為工字鋼。同樣由于橫梁設(shè)置處正對泥門開口，泥艙肋板對應(yīng)的頂部沒有橫梁結(jié)構(gòu)，因此該設(shè)計的泥艙區(qū)域也沒有橫向閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖7 方案2：工字鋼型架空橫梁結(jié)構(gòu)

圖8 方案3：工字鋼型架空橫梁和架空縱桁結(jié)構(gòu)

圖9 方案4：大間距工字鋼型架空橫梁結(jié)構(gòu)（模型中忽略泥門拉桿局部結(jié)構(gòu)）

2.3 梁系直接計算

本文耙吸挖泥船中部的架空橫梁承受載荷分別為抽艙油缸載荷、泥管支撐載荷、消能箱載荷和備品集裝箱載荷，根據(jù)載荷進(jìn)行梁系計算，兩端為剛性固定，許用應(yīng)力按CCS規(guī)范為［σ］=98 kN/mm2。4種方案下，架空橫梁的設(shè)計載荷及其產(chǎn)生的彎矩圖10 -圖12所示。其中，方案1與方案4的彎矩圖一致。

圖10 方案1/方案4大間距架空橫梁的設(shè)計載荷及其產(chǎn)生的彎矩

圖11 架空橫梁方案2設(shè)計載荷及其產(chǎn)生的彎矩

圖12 架空橫梁方案3設(shè)計載荷及其產(chǎn)生的彎矩

2.4 架空橫梁各方案的構(gòu)件尺寸選取

根據(jù)規(guī)范公式計算結(jié)果和梁系直接計算結(jié)果，可確定各設(shè)計方案下的架空橫梁構(gòu)件尺寸。詳見下頁表2。

3 架空橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算驗證與比較

為進(jìn)一步考察架空橫梁形式對泥艙結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度影響，按照橫向強(qiáng)度計算要求，建立了泥艙區(qū)艙段有限元模型。模型建立范圍為泥艙中部典型泥艙段，不考慮額外增加的板厚，也不考慮腐蝕余量。模型邊界條件、載荷工況選取及校核衡準(zhǔn)滿足CCS第二章要求及駁船規(guī)范要求。橫向強(qiáng)度計算兩種工況，分別為最大作業(yè)吃水下的舷外對稱海水壓工況和非對稱海水壓工況。選取考慮的外部載荷為海水動壓力和靜壓力，內(nèi)部載荷在泥艙底部考慮泥壓和底部泥門開啟或關(guān)閉載荷，在泥艙頂部考慮抽艙油缸、耙頭支撐、消能箱、備品等局部載荷。并在艙段模型端部加載修正后彎矩，使中部產(chǎn)生的彎矩與實際垂向彎矩相符。

表2 各設(shè)計方案下的架空橫梁形式、尺寸及計算參數(shù)

作用在架空橫梁上的泥艙頂部載荷如圖13所示。

圖13 架空橫梁的設(shè)計載荷示意圖

圖14 直接計算載荷加載示意圖

4種方案下架空橫梁的有限元強(qiáng)度校核結(jié)果見下頁表3，不同方案下的合成應(yīng)力結(jié)果云圖分別見下頁圖15 -圖18。由應(yīng)力結(jié)果可知：對于架空橫梁本身，方案1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好，中部及端部最大應(yīng)力分別為112 N/mm2和205 N/mm2；其次為布置形式相似的方案4，中部及端部最大應(yīng)力分別為147 N/mm2和206 N/mm2；應(yīng)力最大的方案2，高應(yīng)力處為架空橫梁端部的應(yīng)力集中點，而對中和軸附近及底部結(jié)構(gòu)影響微小。

從泥艙的整體橫向強(qiáng)度來看，架空橫梁本身為局部結(jié)構(gòu)，因其形式不同所造成的影響基本局限于架空橫梁自身結(jié)構(gòu)以及端部與泥艙圍板的連接處，而對中和軸附近及底部結(jié)構(gòu)的影響微小。方案2和方案3分別通過減小橫梁間距和減小橫梁跨長的方法減小橫梁剖面模數(shù)。從計算結(jié)果看，架空橫梁更多受作業(yè)時的局部載荷影響，方案3減小橫梁跨長更為有效，減小橫梁間距效果并不理想。

表3 不同設(shè)計方案下的架空橫梁強(qiáng)度校核結(jié)果

圖15 方案1的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

圖16 方案2的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

圖17 方案3的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

圖18 方案4的合成應(yīng)力結(jié)果云圖

值得注意的是方案1和方案4，兩種方案的彎矩分布完全一致，兩種方案下的橫梁端部合成應(yīng)力也基本一致，但方案1橫梁跨中的合成應(yīng)力小于方案4。研究發(fā)現(xiàn)：方案4的剖面模數(shù)大于方案1，但垂向承剪面積小于方案1。方案1和方案4的中部最大剪應(yīng)力差別較大，分別為46 N/mm2和75 N/mm2，最大正應(yīng)力則差別較小。因此架空橫梁的剖面面積與剖面模數(shù)同等重要，也驗證了規(guī)范對架空橫梁凈剖面面積有最小要求的合理性。

綜上所述，從結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度的角度，可認(rèn)為方案1最符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

4 架空橫梁的多方性能比較

除了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，架空橫梁設(shè)計也要考慮其他方面因素，比如橫梁自身體積占用艙容造成的艙容損失、橫梁自重的影響以及橫梁設(shè)計對疏浚設(shè)備布置的影響等，均影響挖泥船的經(jīng)濟(jì)性。

表4列出了本文討論的4種架空橫梁方案，分別從結(jié)構(gòu)重量、橫向強(qiáng)度、艙容損失和設(shè)備影響4個方面比較優(yōu)劣。

表4 架空橫梁的優(yōu)劣比較

表4顯示：各方案的結(jié)構(gòu)重量差異并不大，方案1的箱形橫梁在橫向強(qiáng)度占絕對優(yōu)勢。除方案1外，各方案對艙容的損失不大，方案1和方案4采用大間距架空橫梁設(shè)計，且艙內(nèi)不額外設(shè)計構(gòu)件，十分有利于管線布置和疏浚作業(yè)。

綜上所述，在確保泥艙有足夠艙容儲備的前提下，最終確定方案1最適合本船。

5 結(jié) 語

帶開敞泥艙的耙吸挖泥船和泥駁，泥艙區(qū)域需按規(guī)范要求設(shè)置架空橫梁。架空橫梁一般設(shè)計在底部不設(shè)泥門開口的強(qiáng)框平面內(nèi)，整個強(qiáng)框形成閉環(huán)以保證泥艙橫向強(qiáng)度。架空橫梁同時也承受泥門啟閉產(chǎn)生的載荷，并對泥門拉桿有限位和導(dǎo)向作用。對于底部設(shè)置單列泥門的泥艙結(jié)構(gòu)，為保證頂部作業(yè)空間，架空橫梁按規(guī)范要求設(shè)置較困難。本文論述了架空橫梁的幾種形式，從強(qiáng)度、重量、裝艙量、作業(yè)便利等方面比較其優(yōu)缺點，使中小型挖泥船泥艙結(jié)構(gòu)更加合理，更適于作業(yè)。

對4 500 m3耙吸挖泥船的4種架空橫梁設(shè)計方案進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）不同形式的架空橫梁結(jié)構(gòu)對泥艙橫向強(qiáng)度有一定影響，但僅限于架空橫梁自身和附近的泥艙圍板結(jié)構(gòu)，但對中和軸附近和底部結(jié)構(gòu)影響微小。

（2）各方案的架空橫梁結(jié)構(gòu)重量相當(dāng)。

（3）方案1的大間距箱型架空橫梁在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面優(yōu)勢明顯。

（4）方案1的箱型梁對泥艙的裝艙艙容有影響，其他方案幾乎無影響。

（5）從疏浚作業(yè)方面，方案1和方案4的大間距架空橫梁布置，由于泥艙頂部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡潔，最有利管系布置和疏浚裝卸泥漿作業(yè)。

綜上考慮，推薦大間距架空橫梁布置。在確保有效艙容的前提下，方案1的箱型梁設(shè)計最優(yōu)；在艙容緊張的情況下，可選擇方案4替代方案1。

經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)重量、足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及確保使用功能，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計追求的目標(biāo)。在以往設(shè)計中，常因考慮到設(shè)計周期問題，而對架空橫梁的設(shè)計采用各方案的定性分析法。本文通過合理的研究技術(shù)路線，對架空橫梁各設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度、重量和艙容損失計算，通過對比分析，獲得各方面均滿意的方案。本文使用的分析方法和各方案結(jié)果，為挖泥船的泥艙結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了可參考數(shù)據(jù)。