船體分段吊耳設計褚家

【摘 要】對吊裝常用的板孔式吊耳設計與校核進行了歸納和總結，針對不同區域的船體分段提出標準吊耳形式，并延伸出任意分段的吊耳設計準則。

【關鍵詞】分段吊耳;校核;設計

0.前言

船舶建造中，分段吊耳是普遍應用的基礎工藝。隨著現代造船模式的推行，及新的涂裝規范PSPC的實施，分段吊耳設計越發顯得重要。

在設計吊耳前，首先確認分段的重量與重心，了解吊裝場地，是否需要翻身，盡可能的布置在強結構的位置，可以減少額外的補強措施；還要控制分段吊耳不能阻礙合攏過程，這就需要合理選擇吊耳的樣式。按照形狀一般分為平吊攀與長吊攀，按照安裝方式分為貼裝、直裝。

在設計吊耳時，每個技術人員都會擔心安全是否達標，所以分析其失效形式是必須且首要的步驟。吊耳與船體分段出現的不安全因素，主要以焊接強度不夠及板孔撕裂為多。吊耳的強度校核，通常只需要校核吊耳的抗剪或抗擠壓強度。圖1為單板孔吊耳。圖2為板孔式吊耳在受外力作用下孔壁承壓應力分布情況。圖3為板孔式吊耳板孔強度不夠吊耳板被撕裂的主要失效形式示意圖。

圖1 板孔式吊耳 圖2孔壁承壓應力分布 圖3板孔失效形式

１.設計公式討論

1.1拉曼公式

在一般情況下，吊耳強度僅校驗其剪切強度即可。當有必要時，也可校驗其彎曲強度。所以吊裝工程中常用拉曼公式來對吊耳板孔進行抗剪強度校驗。拉曼公式板孔校核表達式為：?滓＝■·■?燮[f■]式中：k—動載系數，k=1.1~1.2，依據工作條件的復雜困難度選擇；?滓—板孔壁承壓應力，MPa；P—吊耳板所受外力，N；δ—板孔壁厚度，mm；d—板孔孔徑，mm；R—吊耳板外緣有效半徑，mm；r—板孔半徑，mm；[f■]—吊耳板材料抗剪強度設計值，N/mm■。

1.2 吊耳參數確定

從拉曼公式可以看出，當P、d、?啄一定時，取■適宜的值可最節省材料，顯然■>1，令■=1.1，則■=4.583。從理論而言，R=4.583r較為科學，但使用單板孔吊耳，還應考慮卸扣和繩扣連接時必須預留的間隙，顯然R值不宜太大，經過多年的設計經驗，筆者認為R=3r較適宜。通常設計時，應首先按負荷選定使用的卸扣或受力軸的尺寸，則孔徑d=d■+(10:20)mm。因此，吊耳設計時應在R與?啄上進一步做文章。

首先，確定板厚?啄，使根部焊縫的強度與設備本體局部穩定性滿足要求。必要時，可延長焊縫長度或增加筋板加以解決。其次，按R=3r 選定R值。再次，采取加補強板的措施增加板孔局部的強度。通常在吊耳孔處焊接單或雙面補強板，就是重磅。參見圖4。

圖4 吊耳板孔的加強 圖5 卸扣形式

通過以上措施可以比較合理的利用材料。校核時需按照公式（1）中 ?啄=?啄■+?啄■+?啄■，R=R■來替換，即補強圈的半徑。

1.3卸扣的選用

起重卸扣的構造很簡單，它是由卸扣本體、橫銷組成。卸扣本體分為直形和弓形，橫銷有不自帶螺母和帶螺母兩種，可以組合成4種形式。外形不同造成作用的不同，弓形可以連接多根鋼絲繩。吊運大噸位的物件時，選用橫銷帶螺母。

依據所吊物體的噸位選擇合適的卸扣，卸扣與分段重量的關系是：t>T/n，t為卸扣的額定載荷，T為分段重量，n為吊點數量。

帶螺母弓形卸扣規格，尺寸含義見圖5:

2.吊耳板強度計算

2.1 吊耳板材料選擇

吊耳板選擇材料時，宜選擇與母材的材質相同或相近為好。施工現場一般選擇A、B等普通材質的材料，且可焊性較好。按《鋼結構設計規范》對應的鋼材板厚取[f■]值，只要拉曼公式成立，吊耳板的強度可滿足要求。 當采用不同鋼材時，換算公式為：

吊耳允許負荷 P'=P·■

式中：P——按原鋼種計算得出的吊耳允許負荷，kgf

P’——新鋼種的換算允許負荷，kgf

σs——原鋼種的屈服點，一般即取σs=235N/mm■（24kgf/mm■）

σs’——新鋼種的屈服點，N/mm■（kgf/mm■）

2.2 吊耳板焊接與焊縫強度校核

吊耳板焊接應有焊接工藝評定。焊縫應為連續焊，不應有夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。主受力焊縫應按GB/T 3958-2004進行滲透檢測，Ⅰ級合格。焊縫強度按《鋼結構設計規范》GB50017-2003選定焊縫的f■■值，并進行校核。焊縫強度計算時，應具體分析。

a.當吊耳受拉伸作用，焊縫不開坡口或小坡口時，屬于角焊縫焊接，焊縫強度按下式校核，即：σ■=■?燮?茁■·f■■；式中：σ■—垂直于焊縫方向的應力，MPa；N—焊縫受力， N=kP=1.4P， 其中k=1.4為可變載荷分項系數，N; h■—角焊縫的計算厚度，h■=0.7h■， h■為焊角尺寸，mm； l■—角焊縫的計算長度，取角焊縫實際長度減去2h■，mm； ?茁■—角焊縫的強度設計增大系數，取?茁■=1.0； f■■—角焊縫的強度設計值，N/mm■。

b．當吊耳受拉伸作用，吊耳板采用雙面 50±5°坡口滿焊時，可按對接焊縫校核，即：σ■=■?燮f■■；式中： k—動載系數，k=1.1； L—焊縫長度，mm；δ—吊耳板焊接處母材板厚，mm； 其他符號意義同上。

c．當焊縫在三向應力狀態下受力時，按材料力學第四強度理論校核，即：σ■=■?燮f■■；式中：■—焊縫所受軸向應力，MPa；σ■ —焊縫所受彎曲應力，MPa；?子—焊縫所受剪切應力，MPa。

應當指出，雖然焊縫的強度計算滿足要求，但由于吊耳板與設備焊接處產生的焊接應力及連接面較小產生的應力集中，使用吊耳時也不可能在設計的理想狀態下受力等原因，可能造成設備局部變形或將母材撕裂等不良后果。因此，應有以下有效安全措施：一是對焊縫進行焊后熱處理，以消除焊接應力，特別是當吊耳板的厚度達到規范要求焊后熱處理的厚度時，必須進行進行焊后熱處理；二是在吊耳板與設備之間焊接連接筋板，增大了焊縫受力面積，同時也加強了局部穩定性。焊縫強度計算時，應在不考慮連接筋板的作用下強度和局部穩定性同時滿足要求。

鋼材強度和焊縫強度設計表

3.吊耳設計示例

我公司為華西村建造的4500噸段全回轉起重船，艉部上筒體的建造方式是翻身建造，為了船塢大合攏需要，設計吊耳不但能讓分段移出制造車間，也能方便此分段的翻身。該分段總重量為240噸，翻身采用2只主吊，單個吊耳承重至少為120噸，吊耳布置點應確保分段重心至兩點的距離相等，否則會因為力臂不等的緣故，導致重量分配不相等。選擇120噸卸扣，卸扣的直徑為95mm，取板孔r=110mm，R=330mm，σ0=45mm，σ1=σ2=40 mm，焊縫長度L=680mm。普通A級板的強度設計值，fv=120MPa，fw=160 MPa。

拉曼公式校核吊耳板孔強度：

σ=■×■=119.2MPa

吊耳強度滿足要求。

分段翻身時，受力最大時為拉伸狀態，按照吊耳受拉伸校核焊縫強度，采用角焊縫與全焊透兩種方式比較計算結果。

按角焊縫校核：

σ=■=117.9MPa

按全焊透校核：

σ=■=77MPa

4.結束語

我公司在華西海工項目4500噸全回轉起重船的船塢吊裝施工中，通過對單板孔吊耳設計計算的規范化，用EXCEL建立了本文所述的力學模型，快速輸出數據，用CAD軟件將其按1：1比例繪出滿足吊裝負載能力的吊耳施工圖，在較短時間內順利完成分段總組和翻身的吊耳設計工作，并提交到施工部門，達到了事半功倍的效果。

【參考文獻】

［１］主編邱隆寶，主審劉集善.船舶起重工.國防工業出版社.

［２］李景樂，仝西亞，石軍宏.板孔式吊耳設計及應用.百度文庫.