郵船中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

張 艷，張 旭

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

豪華郵船被譽(yù)為世界造船皇冠上最璀璨的明珠，不僅是資本密集型產(chǎn)業(yè)，而且是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。目前，世界上能夠設(shè)計(jì)和建造豪華郵船的國(guó)家不多，主要分布在歐洲。近些年來(lái)，我國(guó)造船技術(shù)水平不斷上升，已成功設(shè)計(jì)和建造除豪華郵船外所有類型的船舶[1]，并已逐步開(kāi)始進(jìn)行郵船相關(guān)問(wèn)題的研究。研究多集中于豪華郵船的發(fā)展近況和趨勢(shì)等方面[2-5]，部分學(xué)者對(duì)郵船建造方面進(jìn)行研究[6-7]，但少見(jiàn)對(duì)豪華郵船特殊結(jié)構(gòu)如高大空間(影劇院、中庭)、扁平大空間(自助餐廳、舞廳)等區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的深入研究。

中庭結(jié)構(gòu)作為郵船高大空間的典型，其設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)郵船綜合體的空間效率和檔次。郵船中庭的布置和功能要求對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在盡可能減少占空、減少支柱的前提下滿足強(qiáng)度要求，其特殊的使用目的和苛刻的質(zhì)量要求決定其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大挑戰(zhàn)性。

1 郵船中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 布置特點(diǎn)

郵船中庭空間一般作為一個(gè)整體，布置在郵船船中區(qū)域，占用空間大，跨多層層高，以創(chuàng)造寬敞的空間。為保證中庭界面的完整性，經(jīng)常會(huì)采用旋轉(zhuǎn)樓梯對(duì)不同空間進(jìn)行連接，以營(yíng)造重疊、貫通等形式，并通過(guò)觀景平臺(tái)豐富中庭的視覺(jué)內(nèi)容，如盛世公主號(hào)的中庭廣場(chǎng)(見(jiàn)圖1)。

圖1 盛世公主號(hào)郵船的中庭

郵船中庭為實(shí)現(xiàn)中空設(shè)計(jì)，需要在多層甲板上設(shè)置大開(kāi)孔，出現(xiàn)大范圍長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)。為提升視覺(jué)效果，應(yīng)盡可能少地進(jìn)行艙室分隔，盡可能少地布置支柱。由于空間限制，構(gòu)件規(guī)格尺度受限。有時(shí)為設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)樓梯等造型，需要增加異形開(kāi)孔或錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)法連續(xù)而產(chǎn)生突變。中庭區(qū)域多為人員密集區(qū)域，設(shè)計(jì)載荷較常規(guī)區(qū)域更大。這些情況對(duì)郵船中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)苛的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于布置需求而多采用懸臂結(jié)構(gòu)且構(gòu)件尺度受限的郵船中庭結(jié)構(gòu)，本身承載能力較弱，且無(wú)法設(shè)計(jì)足夠多艙壁及支柱予以支撐，因此結(jié)構(gòu)跨距進(jìn)一步增大；旋轉(zhuǎn)樓梯等特殊造型設(shè)計(jì)打破原甲板縱橫構(gòu)件的連續(xù)性，使縱橫構(gòu)件通常需要在造型處間斷和彎折而產(chǎn)生突變，大幅削弱構(gòu)件的載荷吸收及傳遞能力。在相對(duì)其他區(qū)域的較大設(shè)計(jì)載荷要求下，郵船中庭結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大及應(yīng)力集中等問(wèn)題，因此需要在布置允許的資源范圍內(nèi)，充分利用布置特點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮上述各方面因素，確定合理的郵船中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

郵船中庭結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)確保中庭空間邊界處設(shè)置足夠的艙壁或支柱支撐，盡可能減小懸臂范圍；進(jìn)一步應(yīng)確保中庭中部大開(kāi)孔邊界盡可能光順，根據(jù)大開(kāi)孔尺寸及布置需求在開(kāi)孔周圍選取一定的加強(qiáng)范圍，對(duì)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)加密，降低該區(qū)域的應(yīng)力，結(jié)合開(kāi)孔形式及布置特點(diǎn)對(duì)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，一般宜在靠近開(kāi)孔邊緣處設(shè)置強(qiáng)構(gòu)件框架，盡可能與原船體構(gòu)件有效連接，增加長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)端部的強(qiáng)度及剛度，并在強(qiáng)構(gòu)件框架下端盡可能均勻設(shè)置支柱，減小被支撐構(gòu)件跨距；再進(jìn)一步應(yīng)考慮在加強(qiáng)范圍外邊界處設(shè)置1檔強(qiáng)構(gòu)件框架，便于內(nèi)部加強(qiáng)構(gòu)件終止及與原甲板構(gòu)件連接過(guò)渡，在加強(qiáng)范圍內(nèi)外邊界加強(qiáng)框架之間宜均勻設(shè)置輻射狀扶強(qiáng)材，根據(jù)需求間隔數(shù)檔予以加強(qiáng)，以便均勻有效地向外傳遞甲板載荷；為保持原甲板縱橫構(gòu)件的連續(xù)性，在加強(qiáng)范圍外邊界的加強(qiáng)框架處，輻射狀加強(qiáng)構(gòu)件應(yīng)盡可能與原甲板構(gòu)件對(duì)齊連接，以便載荷有效傳遞，避免應(yīng)力集中。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合某50 000 t郵船中庭布置方案開(kāi)展中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該船中庭(見(jiàn)圖2)布置在FR143～FR162區(qū)域，長(zhǎng)為30.5 m，將5、6、7等3層甲板貫通。中庭中心區(qū)域設(shè)置旋轉(zhuǎn)樓梯，旋轉(zhuǎn)樓梯內(nèi)側(cè)中空，直徑為8.5 m，僅在樓梯內(nèi)側(cè)設(shè)置少量支柱予以支撐，旋轉(zhuǎn)樓梯周圍通過(guò)少量分割艙壁，分區(qū)域布置餐廳、咖啡廳、商店等活動(dòng)空間。整體為通過(guò)少量支柱及艙壁支撐的2層懸臂平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

圖2 某50 000 t郵船中庭

該船中庭邊界較為規(guī)范，可在左右舷各設(shè)置1列沿船長(zhǎng)方向布置的支柱對(duì)中庭結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。

該船中庭中心大開(kāi)孔可簡(jiǎn)化為1個(gè)圓形、1個(gè)三角形和1個(gè)四邊形拼接而成的異型開(kāi)孔。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)三角形角隅區(qū)域及其他交接區(qū)域進(jìn)行圓角及光順，避免存在尖角而產(chǎn)生應(yīng)力集中。選取2倍圓形旋轉(zhuǎn)樓梯中部開(kāi)孔直徑區(qū)域作為加強(qiáng)范圍，在圓形旋轉(zhuǎn)樓梯中部大開(kāi)孔邊界處設(shè)計(jì)1圈圓形加強(qiáng)框架，并沿三角形邊界向舷側(cè)延伸，與原甲板縱桁有效連接；在圓形加強(qiáng)框架下盡可能均勻設(shè)置5根支柱，對(duì)甲板結(jié)構(gòu)予以支撐；在加強(qiáng)范圍外邊界設(shè)置1圈圓形加強(qiáng)框架，內(nèi)外圈加強(qiáng)框架之間均勻設(shè)置輻射狀扶強(qiáng)材，在支柱對(duì)應(yīng)部位設(shè)置為強(qiáng)檔，其余部位每3～5檔設(shè)置1根強(qiáng)構(gòu)件，且強(qiáng)構(gòu)件在外圈強(qiáng)框架處應(yīng)盡可能與原船體強(qiáng)橫梁、縱桁等強(qiáng)構(gòu)件對(duì)齊連接。為盡可能保證構(gòu)件連續(xù)性，將加強(qiáng)范圍以外的部分甲板縱骨適當(dāng)彎折，在外圈圓形加強(qiáng)框架處與輻射加強(qiáng)材對(duì)齊連接。具體實(shí)施如圖3所示。

圖3 郵船中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 郵船中庭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

2.1 有限元模型

為避免邊界效應(yīng)，更真實(shí)地模擬中庭結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建模范圍覆蓋整個(gè)中庭區(qū)域，并向艏艉延伸至相鄰的主橫艙壁，高度范圍選取從5層甲板至7層甲板的所有結(jié)構(gòu)。

有限元模型采用右手坐標(biāo)系：原點(diǎn)設(shè)于FR123與5層甲板中線相交處；x軸為沿船長(zhǎng)方向，指向艏部方向?yàn)檎粂軸為沿水平方向，指向左舷為正；z軸為垂直方向，由原點(diǎn)向上為正。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，對(duì)中庭艙段各類結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行模擬。采用板單元(主要為四邊形，局部采用三角形)模擬的構(gòu)件包括：甲板，外板，橫縱艙壁，強(qiáng)肋骨、縱桁及強(qiáng)橫梁腹板；采用梁?jiǎn)卧M的構(gòu)件包括：板材上的縱橫骨材，強(qiáng)肋骨、縱桁及強(qiáng)橫梁上的面板，橫縱艙壁上的扶強(qiáng)材，支柱。模型網(wǎng)格尺寸最大為630 mm，共包含6 518個(gè)板單元，5 880個(gè)梁?jiǎn)卧Ｋx材料DH36鋼的屈服極限為355.0 MPa，材料參數(shù)為彈性模量E=2.01×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。郵船中庭艙段有限元模型如圖4所示。

圖4 中庭艙段有限元模型

2.2 計(jì)算載荷及邊界條件

中庭結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷及邊界條件如圖5所示。

圖5 中庭結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷及邊界條件

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范[8]，中庭結(jié)構(gòu)校核計(jì)算的甲板載荷應(yīng)包括結(jié)構(gòu)自重及設(shè)計(jì)載荷，設(shè)計(jì)載荷參考規(guī)范中的居住和公共處所甲板計(jì)算壓頭，取h=0.9 m。在模型中采用重力加速度模擬結(jié)構(gòu)自重，采用壓力模擬甲板計(jì)算壓頭。

為避免邊界效應(yīng)，在中庭艙段艏端主橫艙壁處施加約束，將艏端主橫艙壁與5層甲板連接處進(jìn)行簡(jiǎn)支處理，約束x、y、z等3個(gè)自由度的位移，同時(shí)將中庭區(qū)域各支柱與5層甲板連接處進(jìn)行簡(jiǎn)支處理，約束x、y、z等3個(gè)自由度的位移。

2.3 校核結(jié)果

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范，中庭結(jié)構(gòu)校核計(jì)算衡準(zhǔn)參考表1選取，其中：K為材料因數(shù)。DH36高強(qiáng)度鋼的材料因數(shù)K為0.72。

表1 許用應(yīng)力 MPa

通過(guò)有限元仿真計(jì)算，郵船中庭艙段結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力、剪切應(yīng)力、梁?jiǎn)卧獞?yīng)力分布情況如圖6所示。由圖6可知：郵船中庭艙段結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力為188.0 MPa，位于舷側(cè)附近甲板強(qiáng)橫梁與舷側(cè)強(qiáng)肋骨相交處，艏部區(qū)域與外圈圓形加強(qiáng)框架直接相連的縱桁的應(yīng)力為165.0 MPa；最大剪切應(yīng)力為108.0 MPa，出現(xiàn)部位與合成應(yīng)力相同；最大梁?jiǎn)卧獞?yīng)力為147.0 MPa，出現(xiàn)在與外圈圓形加強(qiáng)框架直接相連的縱桁面板上。

圖6 郵船中庭艙段應(yīng)力云圖

結(jié)合中庭布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析，中空區(qū)域的大開(kāi)孔破壞結(jié)構(gòu)連續(xù)性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突變，受力主要沿與外圈圓形加強(qiáng)框架直接相連的縱桁經(jīng)由強(qiáng)橫梁向舷側(cè)傳遞，因此在甲板與舷側(cè)構(gòu)件連接處產(chǎn)生最大合成應(yīng)力及剪切應(yīng)力；由于桁材面板主要傳遞軸向力，因此梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力出現(xiàn)在艏部與外圈圓形加強(qiáng)框架直接相連的縱桁面板上。

通過(guò)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果云圖的分析可知：最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在中庭艏部區(qū)域。該區(qū)域作為中庭結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍的邊緣，重點(diǎn)承受中庭懸臂結(jié)構(gòu)傳遞的載荷；該區(qū)域艙壁較少，構(gòu)件跨距較大，構(gòu)件規(guī)格尺寸受限，整體應(yīng)力水平較高，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，合成應(yīng)力、剪切應(yīng)力均無(wú)法滿足強(qiáng)度需求。基于上述情況，需要對(duì)中庭結(jié)構(gòu)尤其是艏部區(qū)域進(jìn)一步開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 郵船中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

高應(yīng)力區(qū)主要分布在中庭結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)樓梯艏部區(qū)域，該區(qū)域受力較大，艙壁較少，構(gòu)件跨距較大，且甲板構(gòu)件間斷、彎折，結(jié)構(gòu)受力傳遞渠道受限，因此造成該區(qū)域應(yīng)力較大且應(yīng)力集中嚴(yán)重。為降低應(yīng)力水平，考慮增加甲板縱桁，減小強(qiáng)橫梁跨距；為改善旋轉(zhuǎn)樓梯加強(qiáng)范圍與原甲板構(gòu)件連接處的間斷、彎折等結(jié)構(gòu)突變情況，考慮在加強(qiáng)區(qū)外圈采用2檔圓形強(qiáng)構(gòu)件框架，將輻射型加強(qiáng)筋終止于靠?jī)?nèi)的一圈強(qiáng)構(gòu)件框架上，避免輻射型加強(qiáng)筋與原甲板構(gòu)件錯(cuò)位對(duì)接，進(jìn)而改善受力情況。

3.2 優(yōu)化效益

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，郵船中庭艙段結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力、剪切應(yīng)力、梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖如圖7所示。

由圖7可知：在采用優(yōu)化方案后，郵船中庭艙段最大合成應(yīng)力降至160.0 MPa，位于艉部甲板強(qiáng)橫梁與艙壁連接處，原方案最大應(yīng)力即甲板與舷側(cè)連接處應(yīng)力大幅降至144.0 MPa，艏部區(qū)域與圓形加強(qiáng)框架直接相連的縱桁的應(yīng)力大幅降至145.0 MPa；最大剪切應(yīng)力降至85.3 MPa，出現(xiàn)部位與合成應(yīng)力相同；最大梁?jiǎn)卧獞?yīng)力為153.0 MPa，出現(xiàn)在與圓形加強(qiáng)框架直接相連的縱桁面板上。

圖7 優(yōu)化后的中庭艙段應(yīng)力云圖

在采用優(yōu)化方案后，郵船中庭艙段結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力及剪切應(yīng)力最多降低23%，各部位合成應(yīng)力和剪切應(yīng)力的降幅如表2和表3所示，優(yōu)化效益顯著。

表2 合成應(yīng)力優(yōu)化效益

表3 剪切應(yīng)力優(yōu)化效益

4 結(jié) 論

通過(guò)分析研究及仿真計(jì)算校核可知：郵船中庭布置與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的設(shè)計(jì)矛盾較大。主要體現(xiàn)于中空大開(kāi)孔帶來(lái)的結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)形式問(wèn)題，以及布置需求與構(gòu)件分布、構(gòu)件尺寸之間的矛盾。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮布置細(xì)節(jié)，利用布置特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)分布，選取構(gòu)件規(guī)格尺寸。經(jīng)分析可總結(jié)如下設(shè)計(jì)原則：(1)中庭大開(kāi)孔造型應(yīng)盡可能光順，減少結(jié)構(gòu)突變；(2)結(jié)合中庭大開(kāi)孔尺寸及布置特點(diǎn)，合理選取加強(qiáng)范圍，不僅應(yīng)覆蓋高應(yīng)力區(qū)，而且應(yīng)避免加強(qiáng)范圍過(guò)大造成結(jié)構(gòu)冗余；(3)開(kāi)孔邊緣宜設(shè)置強(qiáng)構(gòu)件框架加強(qiáng)，加強(qiáng)構(gòu)件盡可能延伸與原船體構(gòu)件牢固連接；(4)開(kāi)孔邊緣宜采用支柱支撐，分布應(yīng)盡可能均勻，減少被支撐構(gòu)件跨距；(5)加強(qiáng)區(qū)邊界處宜設(shè)置強(qiáng)構(gòu)件框架，便于加強(qiáng)區(qū)構(gòu)件終止及與原船體構(gòu)件有效連接；(6)加強(qiáng)范圍內(nèi)的構(gòu)件可適當(dāng)加大加密，盡可能輻射型布置，以便載荷均勻有效地向四周傳遞；(7)輻射構(gòu)件在端部應(yīng)盡可能與原船體構(gòu)件對(duì)齊，確保載荷傳遞途徑順暢；(8)輻射構(gòu)件在端部與原船體構(gòu)件存在大量錯(cuò)位連接時(shí)，可考慮增加其他加強(qiáng)構(gòu)件使其間斷，避免出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)突變。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算及優(yōu)化前后對(duì)比分析，依據(jù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則設(shè)計(jì)及優(yōu)化的中庭結(jié)構(gòu)可有效向各方向傳遞載荷，多檔框架加強(qiáng)構(gòu)件有效緩解結(jié)構(gòu)突變，進(jìn)而有效減小應(yīng)力集中，使整個(gè)中庭區(qū)域應(yīng)力分布較均勻，并得以滿足規(guī)范要求。上述設(shè)計(jì)原則可有效指導(dǎo)同類船舶中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。