大深度大噸位打撈用托底鋼梁設計

朱海榮 周怡和 蔣哲 蔣巍

摘? 要：針對300 m水深的大深度大噸位沉船打撈，國家重點研發計劃深海專項《大噸位沉船整體打撈關鍵技術研究與裝備研制》項目對原應用于淺海區域的托底鋼梁進行了重新設計。在“世越”號打撈工程中，托底鋼梁取得了巨大成功，但是該類型的托底鋼梁只能適用于淺海水域。本文對應用于大深度的托底鋼梁進行了設計。在打撈大深度大噸位沉船時，提升裝置的鋼絲繩連接到托底鋼梁兩端的眼板上。該打撈方法作用載荷不會直接作用于沉船船體上，因此，該方法對沉船船體結構破壞較小。此外，本文應用大型通用有限元軟件ANSYS對重新設計的托底鋼梁結構進行了校核。本文設計的托底鋼梁為以后大深度大噸位打撈工程提供了一定的借鑒作用。

關鍵詞：沉船打撈;大深度;大噸位;托底鋼梁;結構設計

0 引 言

在過去的一些沉船打撈工程案例中，為了防止沉船船體遭到破壞，需要將托底鋼梁安裝在沉船船體之下，通過起吊托底鋼梁將沉船打撈上岸?？墒牵^去的案例所應用的托底鋼梁施工區域都位于淺水區，鋼梁結構不需要承受深水巨大的壓強作用，因此托底鋼梁的結構形式較為簡單，現有的托底鋼梁不能在大深度（300 m水深）的水底使用。

國家重點研發計劃深海專項《大噸位沉船整體打撈關鍵技術研究與裝備研制》項目由交通運輸部上海打撈局牽頭，聯合其他科研單位對大噸位沉船打撈關鍵技術進行研究。本文主要針對大深度大噸位打撈用托底鋼梁，重點介紹大深度大噸位打撈用托底鋼梁的設計思路，并對該托底鋼梁結構強度進行了計算校核。

1 設計要求

1.1 設計目標

能在300 m水深海底使用的打撈用托底鋼梁，并能根據沉船的重量進行鋼梁編組。使用該托底鋼梁能夠成功完成大深度大噸位沉船打撈作業。

1.2 主要特征

托底鋼梁包括鋼梁主體、眼板和破土裝置等。鋼梁主體包括多個箱型結構。鋼梁主體箱型結構中間為中空，最外側的兩個鋼梁主體箱型結構端部設計有眼板。

鋼梁主體設置有多個隔艙板，將鋼梁主體分割為多個主體箱，主體箱的連接處通過隔艙板加固連接，增加整個托底鋼梁的強度。

托底鋼梁兩端設置有破土裝置，包括：破土耙齒、加強三角板、緩坡擋板和垂直擋板等。

鋼梁主體箱的上下表面箱體上設有多個進水孔，以平衡鋼梁內外壓差。

2 設計思路

該托底鋼梁需要設計以下內容：

鋼梁主體結構，包括主體箱型結構、眼板和破土裝置。鋼梁主體箱型結構設有多個，兩鋼梁主體箱型結構首尾相連，鋼梁主體箱為中空設計，并通過開孔與外界海水連通，消除內外壓差。鋼梁主體端部設置有連接眼板和破土裝置。

鋼梁主體設置有若干個隔艙板，兩鋼梁主體箱型結構的連接處通過隔艙板加固連接，增加整個托底鋼梁的強度。

破土裝置包括破土耙齒、加強三角板、緩坡擋板和垂直擋板。加強三角板垂直設置在破土耙齒上，增加破土耙齒的結構強度。破土耙齒和加強三角板垂直設置在垂直擋板的側面上，相鄰的兩個加強三角板之間設置緩坡擋板。

另外，該托底鋼梁的結構設計考慮了300 m水深處水的壓強作用，為了抵抗彎曲，避免屈曲的發生，通過鋼梁主體內部設置的橫向隔艙板以及縱向板材上設置的角鋼加強結構強度。另外，鋼梁外部板材上均開有小孔，平衡內外壓差。

該托底鋼梁兩端設置有供起吊的眼板，可以利用水面的大型提升裝置，通過起吊鋼絲繩連接到托底鋼梁兩端的眼板上，將沉船提升至水面，完成大深度大噸位沉船的打撈作業。

3? 托底鋼梁設計圖紙和結構校核

3.1 托底鋼梁設計圖紙

托底鋼梁設計圖紙如圖1所示。

3.2 托底鋼梁結構校核

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS 16.0對該托底鋼梁進行建模計算，校核其結構強度。計算模型所有板材采用的是Shell181單元，板材上的角鋼采用的是Beam188單元。在托底鋼梁與船體接觸兩端施加簡支約束，在該托底鋼梁兩端眼板上分別施加250 t的載荷。托底鋼梁有限元模型和約束、載荷條件如圖3所示。

經過計算，該托底鋼梁Shell單元和角鋼的beam單元Von Mises應力分布云圖分別如下圖4、圖5所示。

從圖中可知，該托底鋼梁模型的shell單元最大Von Mises應力為286 MPa，beam單元最大Von Mises應力為77 MPa。根據挪威船級社DNV海工操作規范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系數取1.15，則Q345鋼材的許用應力為345/1.15=300MPa，Q235鋼材的許用應力為235/1.15=204MPa。該托底鋼梁模型的shell單元和beam單元的最大Von Mises應力均小于各自材料許用應力，因此托底鋼梁的結構強度是滿足要求的。

3.3 托底鋼梁屈曲校核

根據中華人民共和國國家標準《鋼結構設計規范》，對于橫截面如下圖所示的箱型結構：

當

h/b0<=6

l1/b0≤95*（235/fy）

則認為該結構整體不會發生屈曲，不需要另外進行屈曲校核。將本文中的托底鋼梁各參數代入公式中，可以認為本文中的托底鋼梁每個鋼梁是3個23 m長的箱型結構組裝在一起，則每個箱型結構的寬度為0.5 m（1.5/3），另外托底鋼梁高度為1.2 m。

在上述公式中，h為箱型結構橫截面高度;b0為箱型結構橫截面寬度;l1為箱型結構長度。本文中托底鋼梁長度為23 m。fy為結構屈服強度，本文托底鋼梁為345 MPa。

將本文的托底鋼梁參數代入公式，計算如下：

h/b0=1.2/0.5=2.4<6

l1/ b0=23/0.5=46<95*（235/345）=64.7

根據以上的計算結果，本文的托底鋼梁整體結構是滿足鋼結構規范規定的不需要進行屈曲分析的箱型結構要求。

4? 總 結

本文對大深度大噸位打撈用托底鋼梁進行了設計和結構校核。本文的成果將托底鋼梁在沉船打撈中的應用范圍從淺水區域推進到深水區域，對今后類似的打撈工程具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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