自行式模塊化運輸車運輸分載梁設計

呂 超， 楊風艷， 單吉華， 張子良， 陳洪昌

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

應用于海洋石油結構物、陸地LNG的模塊，在模塊建造場地非滑道區域完成建造后，須使用自行式模塊化運輸車(Self-Propelled Modular Transporter， SPMT)運輸，以完成場地運輸及裝船作業。SPMT主要應用于重、大、高、異型結構物的運輸，使用靈活、裝卸方便。其自身攜帶動力，可根據模塊尺寸和質量，采用多列車并行，每一列車機械組裝所需軸線數的方式進行模塊場地內運輸和裝卸船作業，載重量可達約5萬t。其主要在裝備制造業、石油、化工、海洋石油、橋梁建造等工程領域被應用，是目前國內外應用范圍非常廣泛的一種模塊運輸車。由于模塊形式千變萬化，當模塊下面用于布置模塊運輸車的空間受限時，使用的模塊運輸車的縱列數會減少，軸載利用率將超過限定值。設計適用于SPMT的運輸分載梁，將其安裝于模塊運輸車上，并與模塊運輸車配套使用，不僅增加模塊車使用時的外懸長度和軸線數，還解決了被運輸模塊布車空間受限的問題，且能夠有效降低模塊支座間的距離，提高模塊車使用范圍。圖1為SPMT運輸分載梁實際應用案例。

圖1 SPMT運輸分載梁應用實例

1 SPMT模塊車

SPMT是一種模塊化生產及組裝的自行式平板拖車，可根據裝載貨物的不同需求配置成各種結構、尺寸和質量，使用靈活、裝卸方便、載重量大且對地面要求相對較低。SPMT的基礎部件是4軸線車板、6軸線車板和動力模塊。SPMT的牽引力由液壓馬達提供，液壓馬達的動力由置于設備末端的動力模塊提供。SPMT優點主要包括：(1)主要由3種單元組成，根據結構物質量和形狀決定所需單元的數量和配置形式，可適應任何形狀和最大5萬t結構物的運輸；(2)最長的單元為8.40 m，最寬的單元為2.43 m，可直接裝載至普通貨車或集裝箱中完成陸地運輸和海洋運輸，轉場方便，不受地域限制；(3)自帶動力，能夠自行且操控方便；(4)配備多種轉向模式，可基本實現任意方式的行走；(5)高精度就位糾偏功能，就位精度達到2 mm以內；(6)行駛在路面凸起或凹陷處時，能夠保持車板上表面基本水平，保證被運輸結構物的安全。

由于SPMT車板主梁橫截面形狀并不規則，且生產廠商未提供截面幾何參數，只提供了相關力學參數，在使用有限元軟件進行建模分析時，無法完全模擬車板截面形狀，對車板和運輸分載梁進行耦合或者接觸模擬的難度也隨之增加。因此，設計SPMT運輸分載梁時，通常根據車板的力學參數進行理論計算來校核其強度。

2 運輸分載梁構造

運輸分載梁主要用于分散SPMT主梁所承受的彎矩，能有效減少車板主梁彎矩極值，用于SPMT車板無支撐長度過大的運輸情況，使用時需對車板及分載梁承受的彎矩進行核算。當被運輸結構物質量比較集中時，使用運輸分載梁是一種行之有效的辦法。

圖2和圖3是本文所述SPMT運輸分載梁實物及設計圖，其主要由H型鋼和安裝在H型鋼上的數個加強筋板焊接而成，長度方向上共有5根H型鋼，中間3根翼緣間相互焊接，外側2根與中間3根通過垂向H型鋼焊接在一起，并在搭接部位安裝加強筋板。運輸分載梁的寬度與SPMT車板寬度相同，長度、高度根據項目需要及計算結果確定。

圖2 SPMT運輸分載梁實物圖

圖3 SPMT運輸分載梁設計圖

3 運輸分載梁設計

3.1 計算模型簡化

在簡化運輸分載梁計算模型時，被運輸模塊本身的強度和剛度按照無限大考慮，同時忽略模塊本身的變形量對運輸分載梁和車板變形的影響，計算模型按照懸臂梁考慮。圖4為運輸分載梁放置位置側視圖，SPMT車板主梁外懸長度為9 m，SPMT說明書中規定該長度不能大于7 m，因此需使用運輸分載梁用于滿足SPMT使用要求,圖5為簡化后的計算模型，其中SPMT每個軸線的載荷按照最大軸線載荷40 t/軸線考慮，為方便計算，等同于28.6 t/m。

圖4 SPMT運輸分載梁放置位置側視圖

圖5 SPMT運輸分載梁簡化后的計算模型圖

圖6為SPMT車板主梁和運輸分載梁所承受的彎矩和剪力圖。主梁的外懸長度為9 m，共有6個軸線的力作用在梁上。由彎矩圖可以看出：距最外延5 m處的最大彎矩為6 700 kN·m<7 785 kN·m，滿足SPMT使用要求；懸臂梁根部的最大彎矩達到11 290 kN·m，需使用運輸分載梁使SPMT車板強度滿足要求并對分載梁和這部分車板進行強度校核。

3.2 設計參數確定

在設計運輸分載梁時，除表1中所列舉的主要設計參數外，還需得到車板和運輸分載梁的高度。

圖6 彎矩和剪力圖

表1 設計參數統計

3.3 強度校核

3.3.1 按照截面組合校核強度

雖然在彎曲變形過程中運輸分載梁和SPMT車板主梁分別有各自的中性軸，但是由于運輸分載梁在使用時與SPMT車板完全貼合放置在一起，因此可將兩種不同的截面合并為同一個截面，取兩個截面的幾何中面作為中性軸來核算運輸分載梁和車板強度。圖7為 SPMT車板主梁與運輸分載梁橫截面組合圖。

圖7 SPMT車板主梁與運輸分載梁橫截面組合圖

SPMT車板主梁與運輸分載梁組合為一個截面后的力學參數可通過下式計算：

Itbz=Itb+a2·Atb

(1)

ISPMTz=ISPMT+b2·ASPMT

(2)

Icz=Itbz+ISPMTz

(3)

(4)

式中：Itbz為運輸分載梁相對于z軸的截面軸慣性矩；ISPMTz為SPMT車板主梁相對于z軸的截面軸慣性矩；Icz為SPMT車板主梁和運輸分載梁組合截面相對于z軸的截面軸慣性矩；Wcz為SPMT車板主梁與運輸分載梁組合后截面抗彎系數；HSPMT為SPMT車板主梁高度；Htb為運輸分載梁高度；a為運輸分載梁形心到z軸距離；b為SPMT主梁橫截面形心到z軸距離。

運輸分載梁強度計算可由下式得

(5)

(6)

式中：σtb為運輸分載梁彎曲應力；M為作用于梁上的總彎矩；τtb為剪切應力；F為總剪切力。

SPMT車板有兩個位置的強度需進行計算：第一處是懸臂梁的根部，即彎矩最大的位置；第二處是運輸分載梁最外端與SPMT車板接觸位置處的彎矩，此位置距SPMT車板最外延距離為4 m。SPMT車板主梁強度計算可由下式得

(7)

(8)

式中：σSPMT1和σSPMT2為SPMT車板主梁彎曲應力；M4為運輸分載梁最外端與SPMT車板接觸位置處的彎矩，此位置距SPMT車板最外延距離為4 m。

(9)

(10)

式中：τSPMT1和τSPMT2為SPMT車板主梁剪切應力；F4為SPMT運輸分載梁最外端與SPMT車板接觸位置處的剪力，此位置距SPMT車板最外延距離為4 m。

3.3.2 按照曲率半徑相等校核強度

運輸分載梁的長度相對較長，變形后會與車板主梁緊貼在一起，即運輸分載梁與SPMT車板主梁有近似相同的曲率半徑[1]。因此，可根據兩個梁的曲率半徑近似相等的設計方法校核運輸分載梁和SPMT車板主梁的強度。

根據曲率半徑近似相等的關系，建立計算方程如下所示：

(11)

式中：Mtb為作用在運輸分載梁上的彎矩；E為彈性模量。

SPMT車板主梁和運輸分載梁各自承受的彎矩值為

(12)

式中：MSPMT為作用在SPMT車板主梁上的彎矩。

SPMT車板主梁和運輸分載梁強度計算可由下式獲得，與第3.3.1節中相同公式此處不再列舉。

運輸分載梁強度計算:

(13)

SPMT 車板主梁強度計算:

(14)

3.4 強度校核結果對比

強度校核結果對比如表2所示。

表2 計算結果統計 MPa

由表2可知：使用兩種計算方法獲得的分載梁強度校核結果接近，兩種方法差別不大。SPMT車板主梁強度在距最外端4 m處，兩種計算方法都是由經典力學中的基本原理經過近似變換而得，本質相同,因此計算結果也相同。SPMT車板主梁強度在距最外端9 m處，即懸臂梁固定端位置處，彎曲應力的差別較大。

通過多次計算總結后可知，如果運輸分載梁與SPMT車板主梁的截面軸慣性矩比較接近，使用2種方法計算的結果也比較接近。產生上述計算結果的原因主要包括：(1)運輸分載梁的截面軸慣性矩約為SPMT車板主梁的截面軸慣性矩的2倍，即由于運輸分載梁的剛度大于SPMT車板主梁的剛度，在模塊運輸過程中，SPMT車板主梁與運輸分載梁在同一位置處的變形量并不完全相同，也就是說兩者并不能完全貼合或具有完全相同的曲率半徑。(2)截面組合強度校核方法在計算彎曲應力時，將中性軸的位置設定在運輸分載梁和SPMT車板主梁幾何中面位置，與真實的中性軸之間存在微小偏差。因此，在設計SPMT模塊運輸分載梁時，運輸分載梁的剛度不宜過大。

4 結 論

截面組合強度校核方法和曲率半徑相等強度校核方法都是由經典力學原理推理得到的，實質上是相同的。在設計運輸分載梁時，在滿足使用要求的前提下，應盡可能保證運輸分載梁與SPMT車板主梁剛度接近。截面組合強度校核方法和曲率半徑相等強度校核方法在計算時都進行了一定程度的簡化，在工程實際中，應根據實際情況設置相應的安全系數，保證作業安全。