棧橋?qū)嵈囼?yàn)休息臂布置方案設(shè)計(jì)及評估

摘 要：對于某大型海工棧橋的實(shí)船試驗(yàn)，由于傳統(tǒng)的休息臂布置方案存在材料及施工費(fèi)用高、占地面積大、布設(shè)緊張、短期使用后拆除導(dǎo)致浪費(fèi)等缺點(diǎn)。為此，本文充分利用搭載平臺(tái)的原有上層建筑結(jié)構(gòu)，為實(shí)船試驗(yàn)棧橋設(shè)計(jì)了一種簡易的休息臂布置方案，并進(jìn)行了總體布局、強(qiáng)度評估，評估結(jié)果安全可靠。該布置方案最終通過實(shí)際工程驗(yàn)證可行，其設(shè)計(jì)思路可推廣至同類棧橋/吊機(jī)等的存放方案制定。

關(guān)鍵詞：實(shí)船試驗(yàn);棧橋試驗(yàn);棧橋休息臂布設(shè)

中圖分類號：U663.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

中集海洋工程有限公司將一座現(xiàn)有的半潛式生活平臺(tái)改造為大型海工裝備的實(shí)船測試場，并于2020年11月至12月期間，在煙臺(tái)中集來福士碼頭水域進(jìn)行了某大型國產(chǎn)海工棧橋的測試試驗(yàn)。

該試驗(yàn)方案擬拆除試驗(yàn)平臺(tái)原棧橋，并裝設(shè)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)棧橋。由于試驗(yàn)棧橋水平擱置狀態(tài)離主甲板較高，需要設(shè)立一個(gè)高聳的棧橋休息臂。經(jīng)過對的海洋平臺(tái)進(jìn)行分析，充分利用該平臺(tái)的原有上層建筑，以一種簡易的布置方案，解決了棧橋休息臂的布置問題，可為同類棧橋/吊機(jī)等在實(shí)船試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)的參考。

本次承接的測試目標(biāo)，是一臺(tái)39.5 m的可伸縮大型海工棧橋。該棧橋的設(shè)計(jì)和制造，符合美國船級社（ ABS） 的OFFSHORE ACCESS GANCWAYS （2016）規(guī)范[1] I型棧橋系統(tǒng)的要求，主要參數(shù)如下：

由于該棧橋水平狀態(tài)下伸縮臂下緣距主甲板12.7m，考慮側(cè)向失穩(wěn)，傳統(tǒng)的休息臂預(yù)估為1個(gè)高12.7 m、占主甲板面積6m×2.8m的鋼結(jié)構(gòu)支撐，如圖1所示。 該傳統(tǒng)方案存在以下三個(gè)問題：（l）材料及施工費(fèi)用高;（2）占地面積大，布設(shè)緊張;（3）試驗(yàn)場作為通用性的試驗(yàn)平臺(tái)，棧橋試驗(yàn)僅為其中的一項(xiàng)短期試驗(yàn)，休息臂在試驗(yàn)后將進(jìn)行割除，是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。

經(jīng)考察，主甲板機(jī)艙位于棧橋周邊，有可能利用其頂部布放一個(gè)高3m的簡易休息平臺(tái)，主甲板機(jī)艙的位置（見圖2）;圖3為主甲板機(jī)艙頂圖，框示了可能的休息臂布設(shè)區(qū)間（圖中棧橋拆除后可安裝試驗(yàn)棧橋）。該簡易休息臂布置方案，按總體布局、強(qiáng)度評估兩大方面進(jìn)行設(shè)計(jì)及評估。其中，總體布局包括：簡便性、合規(guī)性、安全性、可操作性;強(qiáng)度評估包括：傳力途徑設(shè)計(jì)、強(qiáng)度評估。

2 總體布局

2.1 簡便性

休息臂的布置，應(yīng)盡可能降低材料及勞務(wù)成本。本方案利用主甲板機(jī)艙的頂部（高出主甲板面8 m）進(jìn)行布放，僅需在機(jī)艙頂設(shè)置1個(gè)約3mx3mx3m（長×寬×高）的小平臺(tái)作為休息臂，托住棧橋首部著陸錐即可;同時(shí)，該小平臺(tái)布設(shè)過程中無需搭鋼管架，可由吊機(jī)一次性吊放完畢，簡便易行、節(jié)約成本。

2.2合規(guī)性

制定該類設(shè)計(jì)方案時(shí)，參考各種入級規(guī)范（如：《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》、《海上移動(dòng)平臺(tái)入級規(guī)范》）和法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（如《國際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》、《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》、《海上移動(dòng)平臺(tái)法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》）的要求。其中：入級規(guī)范多用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估;而法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則多用于安全環(huán)保等方面評估。

2.3安全性

設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮實(shí)際施工及操作的安全性。

本方案底座為鋼質(zhì)，其結(jié)構(gòu)輕、三維尺寸均衡，相較傳統(tǒng)的鋼質(zhì)休息臂，無論吊裝或是固定都更為安全。

本例的特殊性在于：該休息臂布放于機(jī)艙頂甲板，對分隔A類機(jī)器處所與開敞甲板的甲板耐火性無要求，實(shí)際的機(jī)艙棚頂也未作A60防火分隔。但考慮機(jī)艙內(nèi)存在油氣的可能性，本方案避免采用焊接方式連接;同時(shí)鑒于螺栓連接方案，需要在機(jī)艙頂甲板焊接鋼結(jié)構(gòu)件作為連接體，亦存在安全風(fēng)險(xiǎn)，故最終確定接觸面采用橡膠墊片。

棧橋擱置時(shí)，著陸錐從上至下緩慢運(yùn)動(dòng)至休息平臺(tái)上，垂向力通過墊片直接傳遞至下緣;側(cè)向力考慮棧橋外伸段及休息小平臺(tái)所受風(fēng)力，試驗(yàn)選取風(fēng)力不大于蒲氏3級（ 5.4 m/s）天氣良好情況下進(jìn)行，但考慮到突風(fēng)因素，為充分保證本試驗(yàn)的安全，風(fēng)速取50kn（ 25.7 m/s）。

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級規(guī)范》[2]（以下簡稱“移規(guī)”），風(fēng)壓P及風(fēng)力F計(jì)算公式為：

P=0.613×10 -3V2 kPa

（1）

F= ChCs SP k/V

（2）式中：

V-風(fēng)速，V=25.7 m/s;

Ch -高度系數(shù)，Ch=1.2;

Cs -形狀系數(shù)，Cs =1.5;

S-棧橋外伸段及休息小平臺(tái)受風(fēng)面積。S取棧橋1/2外輪廓投影，另1/2投影的風(fēng)力由棧橋自身底座承擔(dān)，故實(shí)取S=50 m2

據(jù)此得出：

P= 0.4 kPa，F(xiàn)=36 kN

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[3]，在無潤滑狀態(tài)下鑄鐵與橡膠間的摩擦因數(shù)為0.8，而棧橋外伸段一半及小平臺(tái)重量為20t，可提供最大靜摩擦力為：

F廖=157 kNgt;36 kN

故側(cè)向力可以通過橡膠墊片與結(jié)構(gòu)間的摩擦力進(jìn)行克服。

綜合上述，接觸面采用橡膠墊片既保障了設(shè)備放置的穩(wěn)定性，同時(shí)無需動(dòng)火，又保證了施工的安全性。

2.4 可操作性

本方案充分考慮實(shí)際操作的可行性，避免干涉、碰撞的情況。項(xiàng)目組首先對相關(guān)CAD圖紙（總布置圖、欄桿梯系布置圖、通風(fēng)筒布置圖、機(jī)艙布置圖等）進(jìn)行匯總分析;赴現(xiàn)場進(jìn)行勘察，對圖紙上可能的疏漏物體進(jìn)行整理，并核實(shí)底座放置區(qū)域周邊構(gòu)件的實(shí)際尺寸，修正了圖紙上機(jī)艙排煙管的直徑;利用三維設(shè)計(jì)軟件對關(guān)鍵區(qū)域外形迅速建模，進(jìn)行干涉評估，見圖4和圖5所示。

模型顯示：采用該布置方案，需拆卸通風(fēng)筒3只，拆卸后應(yīng)采取有效措施保證風(fēng)雨密;同時(shí)，棧橋的運(yùn)轉(zhuǎn)方向應(yīng)從搭接位置的逆時(shí)針方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以避免與生活平臺(tái)上建碰撞。總體而言，經(jīng)過小量的改造及限制后，消除了干涉，具備可操作性。

3 強(qiáng)度評估

3.1 傳力途徑

為進(jìn)行方案可行性的評估，應(yīng)對其承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選擇科學(xué)合理的傳力途徑。

該機(jī)艙頂甲板結(jié)構(gòu)按頂甲板荷載設(shè)計(jì)，甲板設(shè)計(jì)荷載較低;主要艙室內(nèi)部無支柱，構(gòu)件跨距大（ 15m）。從經(jīng)驗(yàn)判斷主要艙室區(qū)域不是理想的承載區(qū)域;但通過分析機(jī)艙頂甲板結(jié)構(gòu)圖可知，在機(jī)艙內(nèi)部存在一道縱艙壁，縱艙壁與機(jī)艙圍壁間距僅3.1 m，兩道艙壁間是非常理想的承載區(qū)域，見圖6所示。

根據(jù)上述分析，選擇以下區(qū)域進(jìn)行布放：棧橋的重力通過強(qiáng)橫梁、甲板縱骨等構(gòu)件，傳遞至下方的兩道縱艙壁上，見圖7所示。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

由圖7可知：需重點(diǎn)校核位于兩道縱艙壁間的FR7、FR8強(qiáng)橫梁，以及下方艙壁垂直桁。本文參照《移規(guī)》對強(qiáng)橫梁及艙壁骨材強(qiáng)度進(jìn)行評估，評估過程中對荷載、力學(xué)模型等進(jìn)行一定程度的簡化或保守計(jì)算。本試驗(yàn)狀態(tài)下，平臺(tái)始終穩(wěn)固系泊于碼頭，故不考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)荷載;如果其他測試項(xiàng)目在海上進(jìn)行，則應(yīng)對平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行考慮。

3.2.1甲板計(jì)算壓頭

試驗(yàn)期間機(jī)艙頂甲板距水面高度為37.6 m，無上浪可能性，且試驗(yàn)狀態(tài)下甲板面無人員通行（僅在底座吊裝時(shí)有少量人員施工），故其甲板均布荷載取2kN/m2。

3.2.2 棧橋重力

棧橋外伸部分主要由固定大框架及可伸縮小框架兩部分組成，其中可伸縮小框架略靠棧橋外伸方向的前方;按設(shè)備廠商提供的棧橋重量資料，棧橋外伸部分重量共30t;設(shè)棧橋重心位于長度中心，根據(jù)垂向受力平衡及力矩平衡可知，棧橋在塔身和外伸端的壓力各為15t，即147.15 kN;

棧橋在試驗(yàn)操作完成后會(huì)緩慢變幅降落至休息臂上，但仍不可避免存在一定的速度，故該荷載應(yīng)同時(shí)考慮動(dòng)載系數(shù)。因ccs無現(xiàn)行棧橋規(guī)范，且本棧橋按美國船級社規(guī)范制造及取證，故動(dòng)載系數(shù)按照該規(guī)范取1.25，則實(shí)際外伸端壓力荷載為184 kN。

3.2.3 工裝荷載

工裝重5t，即49.1 kN。

3.2.4強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

參照《移規(guī)》，許用應(yīng)力為：

[σ]=σs/S= 141 MPa

（3）式中：σs一材料屈服極限，σs=235 MPa;

S——安全系數(shù)，取S=1.67。

承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構(gòu)件，參照《移規(guī)》進(jìn)行校核（見后面）。

3.2.5 計(jì)算模型

（1）強(qiáng)橫梁

采用中部受集中力、兩端為簡支梁進(jìn)行模擬，如圖8所示。

棧橋壓力由休息臂平臺(tái)的四角傳遞至下方結(jié)構(gòu)，限著陸錐降落在平臺(tái)上表面中心，縱艙壁間FR8強(qiáng)橫梁受0.25倍棧橋動(dòng)載及0.25倍工裝靜載，分別為F1=46 kN，F(xiàn)2=12.3 kN;同時(shí)承受2 kN/m2甲板均布荷載，范圍見圖9斜線框，保守計(jì)為集中力F3=15.6 kN。

因此，F(xiàn)= Fi+F2+F3=73.9 kN

M= F//4=46.6 kN.m

實(shí)船強(qiáng)橫梁為L300×13×90×17，帶板取6mm×625 mm，W=654 cm3。

因此，正應(yīng)力為σ=71.3 MPalt;141 MPa。

故強(qiáng)橫梁構(gòu)件安全。

（2）艙壁垂直桁

艙壁垂直桁同時(shí)承受上方的壓力及彎矩，按《移規(guī)》校核如下：

①外作用力

軸向壓力：

單根強(qiáng)橫梁兩端各有1根艙壁垂直桁，設(shè)強(qiáng)橫梁垂向荷載F=73.9 kN全部傳遞至其中1根艙壁構(gòu)件。

桿件彎矩：

桿件端部彎矩源白上方強(qiáng)橫梁，假設(shè)強(qiáng)橫梁兩端剛性固定，兩端彎矩M=23.3 kN.m各傳遞至下方的艙壁垂直桁。

構(gòu)件截面尺寸：

單根艙壁垂直桁簡化為帶板的扶強(qiáng)材（見圖10），承受外力及彎矩，帶板寬度按《移規(guī)》取be=CxS=305 mmn

②軸向壓縮和彎曲組合校核

4 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)實(shí)際休息臂布置，如圖11所示。經(jīng)實(shí)測，機(jī)艙頂甲板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，棧橋抬升后甲板面無永久變形存在，達(dá)到了簡便易行、安全可靠、節(jié)約成本的目的。

5 結(jié)語

實(shí)船試驗(yàn)的設(shè)備多而復(fù)雜，必須賴以扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識，輔以規(guī)范法規(guī)公約等資料進(jìn)行判斷，從而設(shè)計(jì)出合理的試驗(yàn)方案。

如何利用原有的基礎(chǔ)進(jìn)行棧橋設(shè)備的簡易休息臂設(shè)置，本文提供了一種布置方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證思路。該方案從整體的經(jīng)濟(jì)性、簡易性出發(fā)，通過總體布局、強(qiáng)度評估兩大步驟，明確了休息臂布設(shè)的方案，為試驗(yàn)節(jié)約了大量的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，并通過了實(shí)踐的驗(yàn)證。

本方案可作為其他國產(chǎn)化大型棧橋/吊機(jī)在本試驗(yàn)場的休息臂方案設(shè)置指導(dǎo)，亦可作為其他試驗(yàn)場承接棧橋/吊機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的休息臂方案參考。

參考文獻(xiàn)

[1] Offshore Arress Cangways[S].Ameriran Bureau of Shipping.2016.

[2]海上移動(dòng)平臺(tái)人級規(guī)范[s].中國船級社.2020.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第5版）第1卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.