階梯型艙壁次要支撐構件的彎矩因數取值改進

黃曉豐

(上海歐得利船舶工程有限公司, 上海200023)

0 引 言

常規油船的泵艙前端壁通常為垂直平板艙壁，如圖1所示。隨著壓載水處理裝置的使用，泵艙布置設計較常規發生變化，需要更大的空間。為滿足設備的布置要求，需對泵艙進行優化設計[1]，通常將泵艙向污水艙延伸，使泵艙前端壁呈現階梯形狀，如圖2所示。現行IACS《油船和散貨船共同結構規范》[2](下文稱“規范”)對于此類階梯型艙壁上的次要支撐構件的彎矩因數并未作出明確規定，給設計工作及工程實踐帶來諸多不便。本文以采用此種結構形式的一型油船泵艙為例，通過有限元計算方法對階梯型艙壁次要支撐構件的彎矩因數取值進行研究，使該處的結構強度滿足規范要求，且具有一定的強度儲備[3]，同時提出此類階梯型艙壁的設計方案及注意事項，為實際工程應用提供參考[4]。

圖1 泵艙前端平直艙壁

圖2 泵艙前端階梯型艙壁

1 次要支撐構件彎矩因數規范要求

規范第6.6節對局部和次要支撐構件的尺寸作出要求，第6.3.2.1節給出次要支撐構件所要求的彎矩因數，如表1所示。

表1 彎矩因數取值表

對于承受側向壓力、點載荷或其他載荷組合的加強筋，要求凈剖面模數應為所有設計載荷組合計算所得結果的最大值，最小凈剖面模數Z應不小于

(1)

式中：P為考慮設計載荷組合下，計算點計算所得設計壓力，kN/m2；s為次要支撐構件間距，mm；lbdg為有效彎曲跨距；fbdg為彎矩因數；Cs為考慮設計載荷組合下的許用彎曲應力因數；χ為對不同工況的修正因數，在完整工況下，χ=0.90(對于連接在散貨船貨艙內的內底板或底邊艙斜板上的骨材)，χ=1.00(對于其他情況)；ReH為所考慮扶強材材料的最小屈服應力，N/mm2。

垂直型艙壁的次要構件主要承受側向線性變化壓力載荷。根據規范要求：兩端剛性固定的扶強材在三角形分布載荷作用下，構件最下端適用的彎矩因數fbdg=10；一端剛性固定一端簡支固定的扶強材在三角形分布載荷作用下，構件最下端適用的彎矩因數fbdg=7.5。規范還指出，對于端部約束減弱、載荷變化或者作為板架一部分的骨材，須進行直接計算校核。

2 階梯型艙壁次要支撐構件彎矩因數取值

為保證階梯形艙壁結構相關設計節點的強度安全，有必要對階梯型艙壁次要支撐構件的彎矩因數進行分析。圖2中泵艙前端壁存在兩處艙壁折角點，其余兩段平直艙壁的另一端分別連接主甲板和內底板。主甲板和內底板屬于強構件，艙壁與其連接的位置可作為剛性固定端。為研究階梯型艙壁次要構件彎矩因數的取值規律以及解決此類設計問題的其他方法，本文采用有限元法對階梯型艙壁的次要支撐構件尺寸進行直接計算校核，并對階梯型艙壁次要支撐構件的彎矩因數取值進行對比驗證[5]。

取階梯型艙壁的次要支撐構件為分析對象，建立三維有限元模型[6]，如圖3所示。為計算階梯型艙壁上的次要構件尺寸，以艙壁水平桁支撐處和兩折角點處為扶強材端點量取跨距、共計5段，扶強材編號如圖3所示。將階梯型艙壁的上下兩端取為剛性固定端,將水平桁處取為簡支固定端，折角處的邊界條件視設計情況而定。

圖3 階梯型艙壁的次要支撐構件三維有限元模型

2.1 階梯型艙壁次要支撐構件計算結果分析

設計之初，假設在階梯型艙壁的折角處設置了平臺或強有力的水平桁支撐艙壁扶強材，則可認為折角處為剛性固定邊界。模型邊界條件和載荷分布如圖4和圖5所示。根據規范公式(1)的計算方法，采用彎矩因數fbdg=10計算階梯形艙壁上所有垂直扶強材尺寸大小。然后建立有限元模型，對根據前述方法取得的構件尺寸進行計算校核，計算結果如表2所示。從表2的計算結果可見，采用彎矩因數fbdg=10取得的構件尺寸在折角處剛性固定的條件下滿足規范要求。

圖4 折角處為剛性固定約束的邊界條件

圖5 線性載荷分布

表2 艙壁正中間一列扶強材應力計算結果

由于管系布置或空間原因無法在折角處設置強支撐構件的情況下，折角處結構的邊界約束并非剛性固定，模型中折角處的邊界約束須釋放掉，以反映真實的折角處相鄰扶強材之間的相互支撐關系，有限元模型邊界條件如圖6所示，可見載荷分布與圖5一致。

圖6 折角處無約束的邊界條件

根據表2的計算結果，采用彎矩因數fbdg=10取得的構件尺寸在折角處無端部約束的情況下，1#、3#、4#扶強材的合成應力值超過了許用應力值，不能滿足規范要求。從圖7所示的扶強材變形圖可以看出，在單側載荷的影響下，1#、2#、3#扶強材整體呈塌陷狀， 2#扶強材的整體位移偏大。

圖7 扶強材變形圖

2.2 階梯型艙壁次要支撐構件彎矩因數取值改進

綜上可見，彎矩因數fbdg=10不適合作為折角處相連構件的剖面模數計算輸入值，在不能設置水平桁或者平臺等強構件對艙壁折角處進行水平支撐的情況下，只能通過增大扶強材的構件尺寸保證結構安全。經過迭代試算，當彎矩因數取fbdg=3時，對應的扶強材尺寸經有限元驗證可滿足規范要求，計算結果如表3所示。從表3可見，在僅增加1#、2#、3#扶強材構件尺寸的情況下，其本身剛度變大，扶強材之間相互支撐的作用增強， 4#扶強材的應力水平也顯著下降。

表3 艙壁正中間一列扶強材增加尺寸后的應力計算結果

3 結 論

現行IACS《油船和散貨船共同結構規范》中次要支撐構件的有效剖面模數計算公式適用于垂直艙壁上支撐構件的設計，對階梯型艙壁次要支撐構件的彎矩因數未作任何規定，規范雖提及對于端部約束減弱等情況的骨材須進行直接計算校核，但是哪些屬于端部約束減弱的情況，主要依靠審圖師和設計人員的主觀判斷。本文針對階梯型艙壁可能存在的設計隱患，對其次要支撐構件進行有限元計算，提出一種階梯型艙壁次要支撐構件彎矩因數取值的改進方法。

對于階梯型艙壁的結構設計，折角處的節點設計尤為重要。當折角處設置了平臺或強有力的水平桁時，對相連扶強材可形成有效支撐，計算扶強材尺寸時可視為剛性固定邊界，彎矩因數取fbdg=10。如因布置或空間原因無法在折角處設置強支撐構件時，扶強材的邊界條件近似為彈性簡支固定，計算扶強材尺寸時彎矩因數可取fbdg=3，或者采用直接計算方式評估扶強材強度，通過適當加大折角處相連扶強材的尺寸，保證結構安全。該取值改進方法為解決相關工程設計問題提供了一定的參考。