上層建筑(甲板室)參與總縱強(qiáng)度程度分析

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(中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

對(duì)于具有多層上層建筑且上層建筑側(cè)壁大開(kāi)口的豪華游輪的上層建筑參與總縱彎曲的程度分析，目前一般的做法是計(jì)及強(qiáng)力甲板上最下一層上層建筑(或甲板室)，計(jì)算聯(lián)合剖面模數(shù)，即認(rèn)為除強(qiáng)力甲板上最下一層上層建筑(或甲板室)外，其余更高層的上層建筑(或甲板室)不參與總縱彎曲分析。這一假設(shè)是否科學(xué)實(shí)用，值得探討[1-3]。

1 計(jì)算模型概述

1.1 計(jì)算模型

主體尺度為L(zhǎng)=144 m，B=22.0 m，D=8.2 m，d=4.0 m，Cb=1.0，▽=12 672 t，干舷甲板距船底的距離H=5.8 m。主體上設(shè)5層上層建筑，寬度均為19.2 m，高度均為2.4 m，長(zhǎng)度從第1層至第5層分別為112、96、82、68、58 m。

主體結(jié)構(gòu)設(shè)置800 mm高的雙層底，實(shí)肋板間距2 m，設(shè)5道底縱桁(縱桁距中距離：0、3.5、7 m)，無(wú)實(shí)肋板處設(shè)置組合肋板。每間隔24 m設(shè)置橫艙壁，橫向強(qiáng)框架間距為2 m。船寬方向設(shè)置5道甲板縱桁，甲板縱桁下方每間隔4 m設(shè)置支柱。由于本文主要分析船體中剖面上層建筑總縱彎曲應(yīng)力變化規(guī)律，并不作為具體算例，主船艏艉部線型影響很小，不再考慮。

上層建筑結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)框架間距為4 m，甲板設(shè)5道甲板縱桁，甲板縱桁下方每間隔4 m設(shè)支柱。船體板、梁等主要構(gòu)件尺寸原則上均按規(guī)范臨界尺寸設(shè)計(jì)，不再一一列出,見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型縱、橫剖面示意

1.2 計(jì)算載荷

1)在內(nèi)底板上施加相當(dāng)水柱高度h=4 m的均布重力載荷。

2)在船底施加按下式計(jì)算所得的相當(dāng)水柱高度h的浮力載荷。

(1)

式中：L——船長(zhǎng)，m；

B——船寬，m；

d——吃水，m；

r0——按《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》計(jì)算得到的半波高，m，r0=1.787 m。

3)舷側(cè)施加按上式變化的線性側(cè)壓力載荷。

1.3 邊界條件

為消除剛體位移，選取船艏中縱剖面與船底交線上一點(diǎn)施加縱向、橫向、垂向線位移約束，選取船艉實(shí)肋板與船底交線一端施加垂向線位移約束，另一端施加橫向、垂向線位移約束。

2 上層建筑(甲板室)參與總縱彎曲程度分析

2.1 上層建筑層數(shù)對(duì)總縱彎曲影響分析

保持主體結(jié)構(gòu)不變，分別計(jì)算不同層數(shù)上層建筑時(shí)各層甲板的彎曲應(yīng)力。不同層數(shù)上層建筑時(shí)船體梁橫剖面彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

不同層數(shù)上層建筑時(shí)船體梁橫剖面彎曲應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖2。

表1 各層上層建筑甲板總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算值 MPa

圖2 不同層數(shù)上層建筑時(shí)船體梁橫剖面彎曲力應(yīng)力分布圖

由以上結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)上層建筑側(cè)壁無(wú)開(kāi)口時(shí)，并非只有強(qiáng)力甲板上第一層上層建筑具有參與總縱彎曲的能力。當(dāng)強(qiáng)力甲板上具有4層上層建筑時(shí)，有限元計(jì)算得到的結(jié)果與等值梁分析結(jié)果基本吻合，若將主船體與上層建筑一起看做船體梁，此時(shí)梁的長(zhǎng)深比l/d約為8;而當(dāng)上層建筑層數(shù)達(dá)到5層時(shí)，有限元結(jié)果與等值梁分析結(jié)果出現(xiàn)了較明顯的差異。另外從長(zhǎng)度上來(lái)看，第4層上層建筑長(zhǎng)度接近主船體長(zhǎng)度的一半，越往下上層建筑長(zhǎng)度越長(zhǎng)。所以綜合以上分析，當(dāng)上層建筑側(cè)壁無(wú)開(kāi)口、長(zhǎng)度約為主船體長(zhǎng)度的一半以上，且船體梁長(zhǎng)深比在8以上時(shí)，各層上層建筑甲板均可以較好地參與總縱彎曲，且彎曲應(yīng)力與等值梁結(jié)果較為接近。

2.2 側(cè)壁開(kāi)口對(duì)上層建筑參與總縱彎曲程度的影響分析

選取具有5層上層建筑的模型，并在各層上層建筑側(cè)壁作如下開(kāi)口變化，見(jiàn)表2。

表2 上層建筑側(cè)壁開(kāi)口變化

注：lk—側(cè)壁開(kāi)口總長(zhǎng)度;ls—側(cè)壁長(zhǎng)度;H—側(cè)壁高度。

各種開(kāi)口情況下各層甲板總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同側(cè)壁開(kāi)口尺寸下各層甲板總縱彎曲應(yīng)力 MPa

各開(kāi)口尺寸下甲板總縱彎曲應(yīng)力分布見(jiàn)圖3，圖中“0.2-0.6”表示側(cè)壁開(kāi)口總長(zhǎng)度為側(cè)壁長(zhǎng)度的0.2倍，開(kāi)口高度為側(cè)壁高度的0.6倍，以此類推。

圖3 各種開(kāi)口尺寸下甲板總縱彎曲應(yīng)力分布

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)上層建筑側(cè)壁帶有開(kāi)口時(shí)，有限元計(jì)算結(jié)果與等值梁結(jié)果差異很大，這說(shuō)明此時(shí)不能應(yīng)用等值梁理論計(jì)算船體總縱彎曲應(yīng)力。上層建筑側(cè)壁開(kāi)口(包括開(kāi)口長(zhǎng)度和高度)對(duì)其參與總縱彎曲影響很大，而尤以開(kāi)口長(zhǎng)度的影響更為顯著?？傮w來(lái)看，強(qiáng)力甲板以上各層甲板總縱彎曲應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)開(kāi)口長(zhǎng)度在0.4倍側(cè)壁長(zhǎng)度以內(nèi),開(kāi)口高度在0.6倍側(cè)壁高度以內(nèi)時(shí)，強(qiáng)力甲板以上最低一層上層建筑在很大程度上還是參與了總縱彎曲的;當(dāng)超過(guò)這一范圍時(shí)，各層上層建筑甲板總縱彎曲應(yīng)力迅速下降，可以認(rèn)為此時(shí)產(chǎn)生的總縱彎矩主要由主船體承受?？紤]到實(shí)際情況，目前豪華游輪上層建筑開(kāi)口尺寸普遍較大，因此其主船體將承受相對(duì)較大的總縱彎曲應(yīng)力，故在進(jìn)行總縱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)校核船底與甲板的應(yīng)力。

2.3 雙甲板船上甲板側(cè)壁距舷側(cè)距離變化對(duì)總縱彎曲的影響分析

選取無(wú)上層建筑的主體模型，干舷甲板以上的舷側(cè)結(jié)構(gòu)距船舷的距離Δb做如下變化：

Δb=0,Δb=0.02B、Δb=0.04B、Δb=0.05B

式中：B——船寬。

總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 雙甲板船上甲板側(cè)壁距舷側(cè)距離變化時(shí)橫剖面彎曲應(yīng)力

由表4可見(jiàn)，對(duì)于雙甲板客船，干舷甲板與上甲板之間的側(cè)壁不一定是舷側(cè)結(jié)構(gòu)的垂直延續(xù)，其距舷側(cè)的距離在船寬的0.05倍以內(nèi)時(shí)，對(duì)上甲板作為強(qiáng)力甲板參與總縱彎曲幾乎沒(méi)有影響。

3 結(jié)論

1)當(dāng)上層建筑(或甲板室)側(cè)壁無(wú)開(kāi)口，上層建筑長(zhǎng)度約為主船體長(zhǎng)度的0.5倍以上，且船體梁長(zhǎng)深比在8以上時(shí)，各層上層建筑甲板均可以較好地參與總縱彎曲，其應(yīng)力分布基本為線性，與等值梁結(jié)果較為吻合。上層建筑隨層數(shù)的增多及長(zhǎng)度的減小其參與總縱彎曲的程度逐步減弱。

2)上層建筑(或甲板室)側(cè)壁上的開(kāi)孔總長(zhǎng)度和開(kāi)孔高度，對(duì)其參與總縱彎曲的程度有顯著影響，其中開(kāi)孔總長(zhǎng)度的影響更為明顯。當(dāng)開(kāi)口長(zhǎng)度在0.4倍側(cè)壁長(zhǎng)度以內(nèi)，且開(kāi)口高度在0.6倍側(cè)壁高度以內(nèi)時(shí)，強(qiáng)力甲板以上最低一層上層建筑甲板總縱彎曲應(yīng)力水平與強(qiáng)力甲板相當(dāng)。結(jié)合實(shí)際情況，當(dāng)前豪華游輪上層建筑開(kāi)口較大，側(cè)壁開(kāi)口總長(zhǎng)度一般超過(guò)側(cè)壁長(zhǎng)度的0.6倍，開(kāi)口高度也在側(cè)壁高度的0.6倍以上，此時(shí)上層建筑甲板總縱彎曲應(yīng)力迅速下降，主要由主船體承受總縱彎曲。

3)對(duì)于雙甲板客船，干舷甲板與上甲板之間的側(cè)壁可以不是舷側(cè)結(jié)構(gòu)的垂直延續(xù)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)側(cè)壁距舷側(cè)板的距離小于船寬的0.05倍時(shí)，上甲板仍然可以完全有效地參與總縱彎曲，這說(shuō)明在一個(gè)小的范圍內(nèi)，側(cè)壁距舷側(cè)的距離變化對(duì)上甲板參與總縱彎曲沒(méi)有顯著影響。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009.

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