朱海榮 周怡和 蔣哲 蔣巍

摘? 要：針對(duì)300 m水深的大深度大噸位沉船打撈，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深海專項(xiàng)《大噸位沉船整體打撈關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制》項(xiàng)目對(duì)原應(yīng)用于淺海區(qū)域的托底鋼梁進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。在“世越”號(hào)打撈工程中，托底鋼梁取得了巨大成功，但是該類型的托底鋼梁只能適用于淺海水域。本文對(duì)應(yīng)用于大深度的托底鋼梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在打撈大深度大噸位沉船時(shí)，提升裝置的鋼絲繩連接到托底鋼梁兩端的眼板上。該打撈方法作用載荷不會(huì)直接作用于沉船船體上，因此，該方法對(duì)沉船船體結(jié)構(gòu)破壞較小。此外，本文應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)重新設(shè)計(jì)的托底鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核。本文設(shè)計(jì)的托底鋼梁為以后大深度大噸位打撈工程提供了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：沉船打撈;大深度;大噸位;托底鋼梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

在過(guò)去的一些沉船打撈工程案例中，為了防止沉船船體遭到破壞，需要將托底鋼梁安裝在沉船船體之下，通過(guò)起吊托底鋼梁將沉船打撈上岸?？墒?，過(guò)去的案例所應(yīng)用的托底鋼梁施工區(qū)域都位于淺水區(qū)，鋼梁結(jié)構(gòu)不需要承受深水巨大的壓強(qiáng)作用，因此托底鋼梁的結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，現(xiàn)有的托底鋼梁不能在大深度（300 m水深）的水底使用。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深海專項(xiàng)《大噸位沉船整體打撈關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制》項(xiàng)目由交通運(yùn)輸部上海打撈局牽頭，聯(lián)合其他科研單位對(duì)大噸位沉船打撈關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。本文主要針對(duì)大深度大噸位打撈用托底鋼梁，重點(diǎn)介紹大深度大噸位打撈用托底鋼梁的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)該托底鋼梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算校核。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

能在300 m水深海底使用的打撈用托底鋼梁，并能根據(jù)沉船的重量進(jìn)行鋼梁編組。使用該托底鋼梁能夠成功完成大深度大噸位沉船打撈作業(yè)。

1.2 主要特征

托底鋼梁包括鋼梁主體、眼板和破土裝置等。鋼梁主體包括多個(gè)箱型結(jié)構(gòu)。鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)中間為中空，最外側(cè)的兩個(gè)鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)端部設(shè)計(jì)有眼板。

鋼梁主體設(shè)置有多個(gè)隔艙板，將鋼梁主體分割為多個(gè)主體箱，主體箱的連接處通過(guò)隔艙板加固連接，增加整個(gè)托底鋼梁的強(qiáng)度。

托底鋼梁兩端設(shè)置有破土裝置，包括：破土耙齒、加強(qiáng)三角板、緩坡?lián)醢搴痛怪睋醢宓取?/p>

鋼梁主體箱的上下表面箱體上設(shè)有多個(gè)進(jìn)水孔，以平衡鋼梁內(nèi)外壓差。

2 設(shè)計(jì)思路

該托底鋼梁需要設(shè)計(jì)以下內(nèi)容：

鋼梁主體結(jié)構(gòu)，包括主體箱型結(jié)構(gòu)、眼板和破土裝置。鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)設(shè)有多個(gè)，兩鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)首尾相連，鋼梁主體箱為中空設(shè)計(jì)，并通過(guò)開孔與外界海水連通，消除內(nèi)外壓差。鋼梁主體端部設(shè)置有連接眼板和破土裝置。

鋼梁主體設(shè)置有若干個(gè)隔艙板，兩鋼梁主體箱型結(jié)構(gòu)的連接處通過(guò)隔艙板加固連接，增加整個(gè)托底鋼梁的強(qiáng)度。

破土裝置包括破土耙齒、加強(qiáng)三角板、緩坡?lián)醢搴痛怪睋醢?。加?qiáng)三角板垂直設(shè)置在破土耙齒上，增加破土耙齒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。破土耙齒和加強(qiáng)三角板垂直設(shè)置在垂直擋板的側(cè)面上，相鄰的兩個(gè)加強(qiáng)三角板之間設(shè)置緩坡?lián)醢濉?/p>

另外，該托底鋼梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了300 m水深處水的壓強(qiáng)作用，為了抵抗彎曲，避免屈曲的發(fā)生，通過(guò)鋼梁主體內(nèi)部設(shè)置的橫向隔艙板以及縱向板材上設(shè)置的角鋼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，鋼梁外部板材上均開有小孔，平衡內(nèi)外壓差。

該托底鋼梁兩端設(shè)置有供起吊的眼板，可以利用水面的大型提升裝置，通過(guò)起吊鋼絲繩連接到托底鋼梁兩端的眼板上，將沉船提升至水面，完成大深度大噸位沉船的打撈作業(yè)。

3? 托底鋼梁設(shè)計(jì)圖紙和結(jié)構(gòu)校核

3.1 托底鋼梁設(shè)計(jì)圖紙

托底鋼梁設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。

3.2 托底鋼梁結(jié)構(gòu)校核

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS 16.0對(duì)該托底鋼梁進(jìn)行建模計(jì)算，校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。計(jì)算模型所有板材采用的是Shell181單元，板材上的角鋼采用的是Beam188單元。在托底鋼梁與船體接觸兩端施加簡(jiǎn)支約束，在該托底鋼梁兩端眼板上分別施加250 t的載荷。托底鋼梁有限元模型和約束、載荷條件如圖3所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該托底鋼梁Shell單元和角鋼的beam單元Von Mises應(yīng)力分布云圖分別如下圖4、圖5所示。

從圖中可知，該托底鋼梁模型的shell單元最大Von Mises應(yīng)力為286 MPa，beam單元最大Von Mises應(yīng)力為77 MPa。根據(jù)挪威船級(jí)社DNV海工操作規(guī)范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系數(shù)取1.15，則Q345鋼材的許用應(yīng)力為345/1.15=300MPa，Q235鋼材的許用應(yīng)力為235/1.15=204MPa。該托底鋼梁模型的shell單元和beam單元的最大Von Mises應(yīng)力均小于各自材料許用應(yīng)力，因此托底鋼梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足要求的。

3.3 托底鋼梁屈曲校核

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于橫截面如下圖所示的箱型結(jié)構(gòu)：

當(dāng)

h/b0<=6

l1/b0≤95*（235/fy）

則認(rèn)為該結(jié)構(gòu)整體不會(huì)發(fā)生屈曲，不需要另外進(jìn)行屈曲校核。將本文中的托底鋼梁各參數(shù)代入公式中，可以認(rèn)為本文中的托底鋼梁每個(gè)鋼梁是3個(gè)23 m長(zhǎng)的箱型結(jié)構(gòu)組裝在一起，則每個(gè)箱型結(jié)構(gòu)的寬度為0.5 m（1.5/3），另外托底鋼梁高度為1.2 m。

在上述公式中，h為箱型結(jié)構(gòu)橫截面高度;b0為箱型結(jié)構(gòu)橫截面寬度;l1為箱型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。本文中托底鋼梁長(zhǎng)度為23 m。fy為結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度，本文托底鋼梁為345 MPa。

將本文的托底鋼梁參數(shù)代入公式，計(jì)算如下：

h/b0=1.2/0.5=2.4<6

l1/ b0=23/0.5=46<95*（235/345）=64.7

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，本文的托底鋼梁整體結(jié)構(gòu)是滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的不需要進(jìn)行屈曲分析的箱型結(jié)構(gòu)要求。

4? 總 結(jié)

本文對(duì)大深度大噸位打撈用托底鋼梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)校核。本文的成果將托底鋼梁在沉船打撈中的應(yīng)用范圍從淺水區(qū)域推進(jìn)到深水區(qū)域，對(duì)今后類似的打撈工程具有一定的借鑒意義。

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