嵌入式帶纜樁甲板加強結構設計

閆小順，湯剛，駱偉，梅國輝

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

帶纜樁屬于船舶系泊系統的重要承載設備，船舶在進行系泊、拖帶等操作時，船上系纜索的固定裝置主要為帶纜樁，承擔著系纜索傳遞的外載荷。隨著動力和載重的不斷提升，船舶在進行系泊或拖帶時，帶纜樁所承受的載荷也逐漸增大，帶纜樁的船體結構加強對船舶系泊安全至關重要，有學者對帶纜樁的選型和船體加強結構強度計算校核等問題進行了研究，提出了幾種提高帶纜樁承載能力的建議，同時建議在后續研究中結合船體結構的加強進一步分析高負荷帶纜樁的設計方法[1]；以某艦船尾部甲板帶纜樁為研究對象，通過有限元直接計算方法研究帶纜樁甲板加強結構[2]；通過有限元直接計算對大型散貨船帶纜樁結構加強進行分析[3-4]。本文對嵌入式帶纜樁加強結構進行數值仿真分析，探討甲板厚度、加強結構尺寸、節點連接形式等對仿真結果的影響，并對連接型式、過渡距離等方案進行對比。

1 加強結構常用形式

按照標準GB/T554—2008，常用的帶纜樁主要有普通帶纜樁(A型)、嵌入式帶纜樁(B型)，其結構型式見圖1。

圖1 國內帶纜樁常用型式

A型帶纜樁帶有一個較大的底座，直接焊接在甲板上；B型帶纜樁中一段樁柱嵌入甲板下，與船體甲板及其下方的加強結構連接在一起。A型帶纜樁底座較大，占用較大的甲板面積，因此對于布置緊張的船舶更傾向采用B型帶纜樁。

嵌入式帶纜樁的甲板加強結構一般采用交叉的T型材，T型材一般考慮船體本身結構后縱向或橫向布置，典型的帶纜樁加強方案見圖2。

D-帶纜樁直徑;t1-甲板厚度;t2-T型材的腹板厚度;h2-T型材的腹板高度；t3-T型材的面板厚度；h3-T型材的面板寬度圖2 嵌入式帶纜樁典型加強結構型式

2 加強結構尺寸

2.1 結構應力簡化計算分析

對于1根纜索以“8”字形纏繞于樁柱上的帶纜樁結構，1根繩索對樁柱所產生的力接近于繩索內力的2倍[5]。如果繩索的破斷載荷為SWL，那么帶纜樁所承受的最大載荷F=2SWL。在力F的作用下，可以將帶纜樁簡化為懸臂梁，則繩索對甲板及加強結構的最大彎矩為

Mmax=F×h1=2SWL×h1

(1)

帶纜樁處的甲板及甲板加強T型材結構將聯合抵抗上述彎矩的作用。假定嵌入式帶纜樁處甲板及甲板加強T型材組成如圖3所示的工字鋼結構，則可認為甲板及加強結構的最大應力為

圖3 等效工字鋼型式及參數

(2)

式中：σmax為加強結構的最大應力；Wmin為單個工字鋼的最小剖面模數，γ1為剖面模數放大效應系數(可看作橫向和縱向T型材及甲板均對帶纜樁的約束與單個工字鋼對帶纜樁約束的比)；γ2為應力集中放大系數。

2.2 加強T型材腹板高度的影響

對圖2所示的嵌入式帶纜樁及甲板加強結構建立有限元簡化計算模型,見圖4。

圖4 典型帶纜樁加強結構簡化分析模型

模型選取某船甲板上嵌入式帶纜樁周圍區域，尺寸為6 m×4 m，帶纜樁直徑D為400 mm，甲板以上的高度為600 mm，甲板以下的高度為400 mm。甲板厚度t1=10 mm，腹板高度為t2=10 mm，面板寬度h3=100 mm，面板厚度t3=10 mm，帶纜樁纜索的破斷載荷為314 kN，作用在帶纜樁其中一根樁柱上，作用點在甲板以上0.8D處。經計算，當腹板取300 mm時，模型的變形及von Mises應力云圖見圖5。帶纜樁的最大von Mises應力隨著T型材腹板高度的變化見圖6。

圖5 最大von Mises應力云圖

圖6 最大應力隨腹板高度的變化

不難看出，最大應力隨著腹板高度的增加而顯著降低。這是因為隨著腹板高度的增加，等效工字鋼的剖面模數顯著增加，根據式(2)，相應最大應力也會隨之減小。此外，γ2/γ1取0.5時，式(2)與有限元數值計算結果較為接近。

2.3 甲板厚度及T型材面板對強度的影響

采用上述嵌入式帶纜樁結構，改變甲板厚度t1，模型最大von Mises應力隨甲板厚度的變化曲線見圖7。改變面板規格t3×h3，則模型最大von Mises應力隨面板規格的變化見圖8。

圖7 最大應力隨甲板厚度的變化

圖8 最大應力隨面板規格的變化

不難看出，最大應力隨著甲板厚度的增加而降低，但降幅并不明顯；最大應力隨著T型材面板規格的加大而降低。這是因為，甲板厚度增加可以增大等效工字鋼的剖面模數，但對最小剖面模數的影響有限，而增大面板規格，最小剖面模數增加明顯。此外，γ2/γ1取0.5時，式(2)與大部分有限元數值計算結果較為接近。

3 加強結構設計影響因素

3.1 加強T材與帶纜樁的連接

T型材結構與固定端的連接主要有兩種，一種是腹板雙面焊接在固定端，而面板削斜；還有一種是T型材腹板和面板均牢固焊接在固定端上，見圖9。

圖9 加強T材固定端連接典型型式

為了對比2種連接方式連接對結構強度的影響，建立相應的有限元模型，模型中帶纜樁的受力及加強結構與上文保持一致，僅改變T型材與帶纜樁的連接型式，計算結果見圖10。

圖10 最大應力與固定端連接的關系

可以看出，當腹板高度較小時，型式1與型式2差別不大，但當腹板高度接近帶纜樁甲板下端高度時，型式1的von Mises應力明顯比型式2的要大。這是因為，當腹板較小時，應力最大點出現在腹板由大變小的轉折處；而隨著腹板高度變大，最大應力出現在面板與帶纜樁的連接處，此時當T型材的面板牢靠連接時，可以參與彎曲，從而應力比面板削斜時要小。因此，一般建議面板與帶纜樁采用型式2的面板固定連接型式。

3.2 加強T材放大距離

嵌入式帶纜樁加強T型材結構一般要考慮甲板橫梁和縱桁原有的高度，因此加強T型材都要經過一定距離的過渡。過渡的距離(圖2中的b)是設計人員考慮的重要因素之一。建立相應的有限元模型，T型材腹板高度取200 mm，并與帶纜樁過渡連接。改變b與a的關系，計算模型的von Mises應力，結果見表1。

表1 不同過渡距離的應力計算結果

不難看出，過渡的距離b越大，最大應力就越小，當b增大到3a以上時，應力減小的越來越慢。這是因為，過渡距離大，應力集中系數就越小，當過渡距離大到一定程度，最大應力就不再發生在兩個帶纜樁外T型材腹板變小處，而是出現在兩個帶纜樁間的T型材連接處。結合應力集中系數的變化規律[6]，建議過渡距離b不小于5a。

3.3 帶纜樁壁厚對結構的影響

在鑄造帶纜樁樁柱時，樁柱厚度不一定均勻。取T型材面板規格為10×100，腹板規格為10×300，那么有限元模型最大von Mises應力隨樁柱厚度的變化規律見圖11。

圖11 最大應力隨帶纜樁壁厚的變化

可以看出，帶纜樁壁厚越厚，最大應力越小，但變化并不顯著。因此，帶纜樁壁厚對結構強度有一定影響，但相比于腹板、面板等因素而言，帶纜樁壁厚對結構受力影響可以忽略。

4 結論

1)嵌入式帶纜樁甲板加強T型材的腹板高度、面板規格對結構強度影響顯著，甲板厚度、帶纜樁壁厚等對結構強度影響較小。

2)嵌入式帶纜樁甲板加強T型材面板與帶纜樁牢固連接方案較優；建議T型材腹板過渡距離不小于腹板與帶纜樁甲板下高度差的5倍。

3)在初步設計時，可采用文中最大應力估算公式進行加強結構尺寸估算，其中γ2/γ1取0.5；詳細設計時，則可采用數值有限元計算方法對嵌入式帶纜樁的甲板加強結構進行強度校核，為嵌入式帶纜樁甲板加強結構的設計提供依據。