1 000 t起重船扒桿應力應變測試分析

田 雷，吳 介

(1.鹽城市地方海事局，江蘇鹽城224002;2.江蘇科技大學，江蘇鎮江212003)

0 引言

扒桿作為起重船的主要起吊部件，對起重船的起吊能力與安全性有著很大影響。扒桿主要由扒桿底座、扒桿桁架、扒桿吊頭3大部件組成，在使用過程中要承受多種載荷，如貨物起升載荷、船舶運動載荷以及風載荷等，因此對工作狀態下的扒桿應力應變進行現場測試有著重要的實際意義[1，2]。本文以1 000 t起重船扒桿結構為研究對象，采用電阻應變測試法對扒桿各截面進行了應力應變測試分析，對其穩定性和強度進行了評估。電阻應變片具有尺寸小、重量輕、粘貼方便，可以輕易地粘貼到所需測點部位，進行多點測量等優點，給測量帶來諸多便利。本次測試參照《起重設備法定檢驗技術規則》(1999)(簡稱“法規”)、《1 000 t起重船扒桿整體結構強度計算書》(簡稱“計算書”)等對扒桿強度進行了分析，最后得出分析結論。

1 試驗工況與測試方法方案

1.1 試驗工況

該船的主鉤設計起吊重量為1 000 t，具體試驗工況根據《船舶試驗大綱》、《1 000 t起重船扒桿整體結構強度計算書》、《1 000 t起重船起吊系統計算書》和實際使用情況提出，通過與地方海事局代表、船東代表討論后確定。試驗工況中所涉及的起吊重量由船東核定，并經過地方海事局等確認。

1.2 測試方法及設備

1.2.1 電阻應變測試法

用電阻應變片測量扒桿危險截面的表面應變，再根據應力—應變關系確定每個截面的表面應力，并根據“法規”來判斷此起重船的扒桿結構在相應工作狀況下的強度是否符合設計要求。

1.2.2 主要測試設備

(1)測量導線:0.5 mm2，雙股絞形銅芯，長度200 m。

(2)電阻應變片:BF120-4AA，120Ω，敏感柵4 mm×2 mm，靈敏系數2.12。

(3)防護膠:704硅膠。

(4)應變膠:氰基丙烯酸酯粘合劑(502)，型號T-1。

(5)測試儀器:XL2101B2型數字靜態電阻應變儀。

1.3 應變片的布置

根據本船起吊系統的布置情況和“法規”，結合該船的結構形式、“計算書”、工作常態和現場勘察資料，對該船的扒桿進行了分析。

根據分析可得，在各種不同載荷作用與工況條件下，扒桿結構可能出現的危險截面大體上是不變的。結合現場工作條件，在主桿上粘貼15個應變片進行應變測試。根據扒桿實際變形情況，將應變片粘貼方向設為沿被測桿件軸線方向。由于焊縫影響在強度校核計算中未予以考慮，同時焊縫處可能存在的殘余應力不在委托范圍之內，且焊縫處應力較為復雜，故本次試驗中應變片均避開焊縫布置。

具體應變片的布置示意圖如圖1所示。圖中，扒桿為桁架結構，縱向主桿桿件為對稱分布，位置如圖1所示，從扒桿頂部到底部依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#。

圖1 應變片布置圖

1.4 接橋方法

本次試驗采用公共溫度補償的半橋接法。將一個電阻應變片作為溫度補償片粘貼在一塊與本扒桿結構制造材料完全相同的鋼板上，且接入應變儀時電阻(含導線)與其他工作片保持一致。為了保證鋼板與各個測試點所處溫度場基本一致，鋼板被空置在扒桿附近。

2 實測應力值數據與計算分析

2.1 測試數據分析

測試應變初值數據見表1。

表1 應變結果匯總表

根據分析得知，在此次試驗中所有應變片的測試數據是穩定且可靠的。試驗中導線過長通常帶來熱輸出與電阻等影響。由于扒桿結構較大，在本次測試中使用了200 m的導線，故需要對試驗測試值進行一定的修正。根據計算，修正系數為1.15。

2.2 實測應力值修正計算

應力值修正計算值見表2。

2.3 實測應力值分析

(1)試驗中由于試驗條件的限制，未能得到由扒桿結構自重產生的應力對測試結果的影響;而在理論計算中，扒桿自重應力可得到，并對其分析。

(2)試驗時風力僅為3級，故風浪對扒桿結構產生的附加載荷較小;而在理論計算中，扒桿結構除了考慮作業系數外，還按極端情況考慮了風載荷的影響，故計算結果偏大。

(3)在試驗中船舶基本保持平穩，沒有出現較大的橫傾現象;而在理論計算中，船舶橫傾對扒桿應力的影響是應該考慮的因素。

表2 修正應變值結果匯總表

3 結論

(1)根據試驗測得的結果，扒桿桁架各桿件實測應力值均小于許用應力，其結構的強度滿足設計和“法規”的要求。

(2)在進行起吊試驗中，扒桿與水平夾角約為61.9°，此時各桿件內的實測應力小于許用應力，但試驗時風力僅為3級。而實際作業時的工況經常會遇到惡劣的天氣，所以根據操作規范讓扒桿的起吊角度保持在合理的數值是非常重要的，且工作載荷不能超過設計許可范圍。

(3)船身的傾斜會使起重船的起重結構在作業時處于不利的受力狀態，可能會導致起重結構產生附加扭矩，同樣也可能導致結構桿件內的應力會分配不合理，即使在載荷較小的情況下某些構件也可能產生較大的局部應力，這對起重船的安全是極為不利的。因此，在起重作業開始前及起重作業過程中都應保證船身平穩，防止船體傾斜。

[1] 周國寶，米旭峰，渠延模.1 000 t起重船扒桿結構強度有限元分析[J].科學技術與工程，2009，9(17):52－55.

[2] 章偉星，莫鑒輝，金立明，等.多工況下大型起吊船扒桿的結構分析[J].船海工程，2008，37(3):7－8.

[3] 李家才.大型起重船舶開發的一些技術問題[J].江蘇船舶，2008，25(2):7－10.