大型郵輪自立式登船梯塔設(shè)計(jì)

吳鐵成,蔡喆,陸政軍,葉峰,鐘傳明,胡康毅,孫川,傅文局

(1.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2.上海外高橋造船海洋工程有限公司,上海 201306;3.上海住陸建設(shè)集團(tuán)有限公司,上海 201204)

大型郵輪多功能的背后,是由6萬張圖紙,2 500萬個(gè)零部件,4 300 km電纜,1 000萬建造工時(shí)支撐的巨大的系統(tǒng)工程項(xiàng)目。一艘郵輪建造過程中1 000萬投入工時(shí),必將有大量的工人參與項(xiàng)目建造,為解決建造人員上下船舶有序通行問題,郵輪建造過程中一般要設(shè)置多條通行通道。另外,大型郵輪一般有15層以上甲板,高度超過50 m。如美國皇家加勒比郵船公司在芬蘭阿克爾造船廠訂造的“海洋解放號(hào)”郵輪長(zhǎng)度339 m,寬度56 m,15層甲板,高度72 m,吃水8.5 m,水面高度63.7 m。為滿足高處人員通行,方便建造工人上下通行,需要設(shè)置郵輪建造用登船塔。

1 登船梯塔總體需求

大型郵輪登船塔是為滿足郵輪建造人員上下船舶需要而設(shè),同時(shí)該登船塔兼顧動(dòng)能源(壓縮空氣、二氧化碳、氧氣、天燃?xì)?、水供應(yīng)。登船塔由結(jié)構(gòu)本體、電梯、登塔通道和登船通道組成道。人員上船通過船塢邊上的登塔通道進(jìn)入登船塔、在登船塔內(nèi)通過電梯(樓梯)垂直升降、然后再通過登船通道進(jìn)入船內(nèi)。人員下船與上述流程相反。

2 工作環(huán)境條件

環(huán)境溫度一般為-15～+45 ℃,有鹽霧和海洋氣候的侵蝕,最大相對(duì)濕度:100%,海拔高度≤1 000 m。登船塔電梯允許工作的最大風(fēng)速為20 m/s(8級(jí)),非工作最大風(fēng)速為55 m/s(12級(jí))。動(dòng)力電源:AC 380V、3 Ph 、50 Hz。

3 登船塔要求

3.1 登船塔結(jié)構(gòu)本體要求

登船塔的高度50 m,組合式可拆裝;滿足塢內(nèi)距離塢底不同高度位置人員通行;登船塔上配備電梯供人員上下,每只登船塔兩側(cè)布置兩臺(tái)室外升降電梯。登船塔底部支撐在船塢底板上,船塢砼底板荷載滿足登船塔承載力要求。登船塔本體與船塢底板連接方式,采用自立式登船塔與船塢底板連接方式,不做剛性連接。

3.2 登船塔電梯配置要求

電梯效率為每半小時(shí)600人,其額定載荷≥2 000 kg;運(yùn)行速度為0～42 m/s。

升降機(jī)運(yùn)行距離約48 m,轎廂長(zhǎng)、寬、高為3 000 mm×1 500 mm×2 250 mm。

4 計(jì)算模型建立

登船塔布置形式見圖1。

圖1 登船塔布置形式示意

對(duì)登船塔本體和底座強(qiáng)度和剛度用有限元分析方法,采用靜載線性法分析計(jì)算,使其能夠滿足強(qiáng)度、剛度的要求。

4.1 金屬結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

主體材料:Q355B。材料標(biāo)準(zhǔn):GB/T 1591-2018。室內(nèi)常溫下試驗(yàn)得到的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

4.2 建立坐標(biāo)系

1)登船塔坐標(biāo)系。

X水平橫向,平行于登船塔長(zhǎng)度方向;

Y水平縱向,平行于登船塔厚度方向;

Z垂直方向,重力加速度負(fù)方向?yàn)檎?/p>

2)底座坐標(biāo)系。

X水平橫向,平行于底座厚度方向;

Y水平縱向,平行于底座長(zhǎng)度方向;

Z垂直方向,重力加速度負(fù)方向?yàn)檎?/p>

4.3 登船塔組成

登船塔由1條上船通道、1個(gè)登船塔結(jié)構(gòu)本體、2部戶外型升降電梯、4條登船通道組成,見圖2。

圖2 登船塔基本組成

圖3 登船塔有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

圖4 底座有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

5 設(shè)備計(jì)算工況分析

5.1 設(shè)備使用條件

郵輪登船塔(含電梯、動(dòng)力)是滿足郵輪在船塢內(nèi)建造時(shí),人員上下船舶需要,同時(shí)兼顧動(dòng)力能源(壓縮空氣、二氧化碳、氧氣、天燃?xì)?、水供應(yīng)的一種非標(biāo)專用設(shè)備。設(shè)計(jì)工況:12級(jí)風(fēng)。

環(huán)境條件:-15～+45 ℃;有鹽霧和海洋氣候的侵蝕。

5.2 計(jì)算工況設(shè)置

工況1(登船塔):12級(jí)風(fēng)、升降機(jī)停放于一層、自重。

超過12級(jí)風(fēng),登船塔降低高度并拉防風(fēng)纜繩。

工況2(底座):12級(jí)風(fēng)、壓載塊、自重。

工況3(底座):自重、起吊的情況。

工況4(登船塔):8級(jí)風(fēng)、升降機(jī)停放于頂層、自重、滿載。

6 結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力及位移

主體材料:Q355B。材料標(biāo)準(zhǔn):GB/T 1591。表2中的數(shù)據(jù)在室內(nèi)常溫下試驗(yàn)所得。

表2 Q355B強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 MPa

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017-2017的應(yīng)力準(zhǔn)則為:σ≤[σ]。在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下多層鋼結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角容許值不宜超過1/250。

7 有限元計(jì)算模型

1)結(jié)構(gòu)。登船塔本體由四部分塔體拼接組裝,本體底部通過螺栓連接在底座上,在本體長(zhǎng)度方向兩側(cè)各加一組斜撐加固。底座由若干組面板垂直拼接組成。

2)單元模型。鋼結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧约鞍鍐卧M。

3)邊界條件。登船塔本體通過螺栓固定在底座,登船塔結(jié)構(gòu)有限元模型約束設(shè)定如下。

計(jì)算工況1:登船塔本體底部10個(gè)連接點(diǎn),約束所有自由度。

底座通過登船塔的重力、自重以及壓載(鑄鐵壓載塊)放置在地面上,底座結(jié)構(gòu)有限元模型約束設(shè)定如下。

計(jì)算工況2:地面約束所有自由度;底座底面和地面為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.33(鋼與水泥摩擦系數(shù))。

底座由鋼絲繩通過吊耳起吊,只受自重,底座結(jié)構(gòu)有限元模型約束設(shè)定如下。

計(jì)算工況3:底座地面四條邊,約束所有自由度。

登船塔本體通過螺栓固定在底座,登船塔結(jié)構(gòu)有限元模型約束設(shè)定如下。

計(jì)算工況4:登船塔本體底部10個(gè)連接點(diǎn), 約束所有自由度。

4)計(jì)算載荷。

計(jì)算工況1:自身結(jié)構(gòu)的重量200 t,作為體積力和質(zhì)量點(diǎn)加載;12級(jí)風(fēng),按線力施加。

計(jì)算工況2:底座自重110 t,作為體積力和質(zhì)量點(diǎn)加載;12級(jí)風(fēng),按遠(yuǎn)程力施加;壓載塊重力160 t,按面力施加在底座面板。

計(jì)算工況3:底座自重110 t,作為體積力和質(zhì)量點(diǎn)加載;單個(gè)吊點(diǎn)34 t(共4個(gè)吊點(diǎn)),通過面力施加。

計(jì)算工況4:自身結(jié)構(gòu)的重量200 t,作為體積力和質(zhì)量點(diǎn)加載;8級(jí)風(fēng),按線力施加;升降機(jī)自重和滿載負(fù)載,以及風(fēng)荷載,按遠(yuǎn)端力加載。

由于人體重在計(jì)算中所占比例較小,故暫不考慮人員荷載的安全系數(shù)。

8 有限元計(jì)算和分析結(jié)果

8.1 有限元計(jì)算

計(jì)算工況1～4的計(jì)算結(jié)果見圖5～6。

圖5 計(jì)算工況1:Y方向變形云圖

圖6 計(jì)算工況1:正應(yīng)力云圖01

圖7 計(jì)算工況1:最大組合應(yīng)力云圖

圖8 計(jì)算工況1:最小組合應(yīng)力云圖

圖9 計(jì)算工況2:變形云圖

圖10 計(jì)算工況2:組合應(yīng)力云圖

圖11 計(jì)算工況3:變形云圖

圖12 計(jì)算工況3:組合應(yīng)力云圖

圖13 計(jì)算工況4:Y方向變形云圖

圖14 計(jì)算工況4:正應(yīng)力云圖01

圖15 計(jì)算工況4:最小組合應(yīng)力云圖

圖16 計(jì)算工況4:最大組合應(yīng)力云圖

8.2 計(jì)算結(jié)果匯總

最大應(yīng)力結(jié)果匯總見表3,Y方向最大變形量見表4。

表3 最大組合應(yīng)力值 MPa

表4 各工況最大變形量匯總

在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,登船塔結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角不宜小于1/ 250,滿足規(guī)范要求。

8.3 計(jì)算結(jié)果的評(píng)定:結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形

計(jì)算結(jié)果評(píng)定見表5。

表5 計(jì)算結(jié)果評(píng)定

9 電梯設(shè)計(jì)及選型

每只登船塔配備2 部升降梯,應(yīng)滿足戶外型電梯的要求,每臺(tái)電梯效率300人/30 min(一站直達(dá)最高層),轎廂滿足單次最多乘坐 25 人。

9.1 電梯運(yùn)輸效率復(fù)核

根據(jù)初步估算,擬定電梯承載能力2 000 kg,運(yùn)行速度0～42 m/min,0.6～0.7 m/s按照國內(nèi)規(guī)范80 kg/人,2000÷80=25人。

電梯從最高點(diǎn)48m到14 m,運(yùn)行高差34 m,來回運(yùn)行時(shí)間:34 m÷0.65 m/s=52.3 s,52.3s×2=105 s,電梯人員出入時(shí)間10 s×2次=20 s。合計(jì)105+20=125 s

30 min×60 s/min÷125 s=14.4次。

14.4次×25人/次=360人,按照85%實(shí)際利用率估算 306人。

即每半小時(shí)運(yùn)輸人數(shù)300人。

9.2 電梯主要技術(shù)參數(shù)

電梯主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 電梯主要技術(shù)參數(shù)

9.3 電梯選型對(duì)比

常規(guī)電梯升降機(jī)主要有兩種傳動(dòng)方式:鋼絲繩式和齒輪齒條。兩種傳動(dòng)方式的電梯升降機(jī)比對(duì)見表7。

表7 兩種傳動(dòng)方式的電梯對(duì)比

9.4 電梯安全性

1)不會(huì)沖頂。導(dǎo)軌架最上面的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)沒有齒條。如果電梯上行時(shí)失控,運(yùn)行到頂端時(shí),齒輪只能空轉(zhuǎn),無法繼續(xù)上行,防止電梯沖頂。

2)不會(huì)沖底。轎廂裝有防墜安全器,安全器齒輪與齒條嚙合,正常速度運(yùn)行時(shí),安全器時(shí)空轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果電梯發(fā)生墜梯,當(dāng)速度超過正常速度1.4倍時(shí),安全器內(nèi)離心塊被甩開,觸發(fā)剎車片抱住輸出軸,輸出軸的齒輪卡在齒條上,使電梯停止運(yùn)行。

電梯減速機(jī)設(shè)有限速器,發(fā)生墜梯時(shí),如果安全器也失靈,可以拉動(dòng)轎廂內(nèi)的限速器手柄,限速器開始動(dòng)作,可以控制電梯以緩慢速度滑行到地面,保障人員安全。

目前該自立式登船塔經(jīng)過安裝后自測(cè),邀請(qǐng)第三方特種設(shè)備監(jiān)督機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn),均符合研發(fā)設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了研發(fā)目標(biāo)。所研發(fā)的登船塔經(jīng)過一年多使用,其承載能力、郵輪層高、船體外形、懸挑陽臺(tái)、運(yùn)輸效率等參數(shù)與需求相適應(yīng),其研發(fā)過程及方法可以為不同郵輪登船塔的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。