铝合金桁架登船栈桥结构设计

张炳发 胡贯勇 孔祥川

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

近年来，国家把发展海洋科技、经营海洋、建设海洋强国放在了国家战略的高度。材料是装备制造业发展的关键，铝合金具有密度小、耐腐蚀等优点，可根据需要挤压成各种复杂截面形状，是工业中应用最广泛的有色金属材料，也因其独特优势被广泛应用在海洋工程装备领域。随着人们对铝合金的研究越来越深入，铝合金在船舶和海洋工程领域中的应用日益增多，例如直升机平台、民用船舶、船用码头设备、铝合金钻杆等，也彰显了其作为结构材料的突出地位。因此，加强铝合金在海洋工程的应用研究，具有重要的现实意义[1-2]。

2 工程概况

基于半潜式支持平台的可伸缩式登船栈桥，是一种更安全、更便捷、更舒适的海上人员转移装置，在一定范围内可以自由回旋，通过油缸变幅、伸缩通道使其满足不同的高度、距离要求。可伸缩式登船栈桥主要由支撑筒体、回转结构、固定桁架、伸缩桁架、着陆锥、变幅机构、伸缩机构以及相关电气、液压控制系统等组成(见图1)。

1.筒体 2.回转结构 3.固定桁架 4.伸缩桁架 5.着陆锥 6.变幅机构 7.伸缩机构图1 可伸缩式登船栈桥

该栈桥为两节通道，均为由侧面安全护网、铝合金底板、铝合金盖板以及主桁架结构构成的箱形通道，通道的内框桁架与外框桁架之间由滚轮、导轨嵌套联结。位于回转结构内部的液压马达驱动回转机构，控制栈桥进行回转运动；伸缩桁架通过伸缩机构、滚轮、轨道等实现一定幅度的伸长和缩短。其中，侧向滚轮在伸缩过程中主要起导向作用，竖向滚轮负责传递内、外桁架所承受的全部载荷与弯矩。栈桥上部采用拉式油缸变幅形式，实现栈桥的俯仰运动。本项目设计技术参数见表1。

表1 项目设计参数

该栈桥固定桁架和伸缩桁架采用铝合金焊接结构，根据《DNVGL-ST-0358 Offshore gangways》规范对登船栈桥的相关设计要求[3]，结合铝合金桁架的结构特点，对可伸缩式登船栈桥的桁架结构进行设计与计算分析，设计方法得到挪威(DNV)船级社认可。

3 结构型式

该栈桥固定桁架和伸缩桁架均采用框形桁架型式，由4片桁架组成。固定桁架(外通道)高3.52 m，长27.1 m，俯视略有锥度(见图2)；伸缩桁架(内通道)高2.56 m，长26.95 m，其中有效通行宽度1.5 m(见图3)。桁架各处节点均采用焊接形式。

该栈桥采用牌号为6082-T6铝合金材料，桁架上下弦杆、腹杆以及连接构架均采用矩形截面，其材料力学性能指标见表2。

图2 固定桁架

图3 伸缩桁架

表2 铝合金材料的基本力学性能

4 稳定承载力计算

4.1 载荷分析

由于半潜支持平台将在各种海况条件下作业，可伸缩式登船栈桥相应的需要研究多种海况作用下的基本载荷和可能的载荷工况组合。

基本载荷主要包括：①自重载荷，栈桥自重以及所有安装其中的设备重量；②活动载荷，人员通过栈桥产生的载荷；③环境载荷，除非有特殊要求，主要考虑风载；④运动载荷，由于栈桥安装在平台或船上，平台或船的运动会产生相应的横倾、纵倾、垂荡等运动及其叠加，以及栈桥操作过程中的惯性力等，这些载荷都会对栈桥的结构和机构产生影响。

基于对载荷分析和栈桥的操作工况，确认栈桥计算时的工况组合为：①人员正常输送工况；②栈桥部署调度工况，包括伸缩和回收；③紧急撤离工况；④非工作工况(包括放置搁架上、运输)；⑤吊装工况等。

在进行栈桥结构计算时，需要对每种工况进行载荷分析，加载对应的基本载荷与载荷系数的乘积，对结构进行承载力计算。其中，载荷组合系数在规范《DNVGL-ST-0358 Offshore gangways》中已给出(见表3)。

表3 载荷组合系数

表中，G为永久载荷(结构自重、设备自重、操作运动引起的垂向和水平载荷)；Q为可变功能载荷(活载、缓冲载荷)；E为环境载荷(气候效应引起的载荷、船舶运动引起的载荷)；DFLL为活载设计系数，根据栈桥类型而定，DFLL=1(1类栈桥)，DFLL=2(2、3、4类栈桥)；D为变形载荷。

4.2 承载力分析

欧洲铝合金规范中，压弯构件承载力的计算，对于不同截面类型的构件采用不同的公式，本栈桥项目为空心截面构件，其验算弯曲失稳承载力公式为[4]：

(1)

式中，NEd为轴向压力载荷设计值；My,Ed为构件绕强轴方向的弯矩设计值；Mz,Ed为构件绕弱轴方向的弯矩设计值；NRd为构件轴向受压承载力设计值；My,Rd为受弯构件强轴方向承载力设计值；Mz,Rd为受弯构件弱轴方向承载力设计值；ψc=0.8，为公式指数。

因为铝合金材料的弹性模量只有钢材的1/3，而且为求经济节约，铝合金型材截面往往设计较薄，变形和屈曲问题比较突出，因此需要考虑利用材料的屈曲后强度。同时，铝合金材料的强度在温度较高时大幅降低，故在焊接热影响区范围内，也需要通过对截面厚度的折减来考虑材料强度降低的影响。

欧洲规范将构件依据其局部屈曲而产生对其承载力和转动能力的影响，将构件截面划分为4个类别：1类截面，2类截面，3类截面，4类截面。如果是4类截面，则采用有效截面法对板件厚度进行折减。欧洲规范采用局部屈曲系数βc对板件厚度进行折减：

(2)

焊接热影响区简称HAZ(Heat Affected Zone)，是指在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域。焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区3个部分组成时，要保证焊接接头的质量，就必须使焊缝和热影响区的组织与性能同时都达到要求。故对于焊接部位需要使用折减热影响区截面之后的有效截面进行更加准确的强度及稳定性校核。

热影响区范围内强度的折减系数计算如下：

ρu,haz=fu,haz/fu

(3)

ρo,haz=fo,haz/fo

(4)

式中，fu,haz为热影响区极限抗拉强度；fu为母材极限抗拉强度；ρu,haz为折减系数(或比例系数)；fo,haz为热影响区0.2%弹性强度值；fo为母材0.2%弹性强度值；ρo,haz为折减系数(或比例系数)。

焊接构件HAZ软化作用的影响可表现为折减后的抗拉强度fu,haz和屈服强度fo,haz；或者也可以采用将横截面面积进行折减的方式考虑热影响对强度的影响，对于抗拉强度有：Afu,haz=(ρu,hazA)fu；对于屈服强度有：Afo,haz=(ρo,hazA)fo。

本项目栈桥结构所选截面不属于第4类截面，不考虑因局部屈曲对截面板件厚度的折减，但由于结构为铝合金全焊接结构，在进行承载力计算时必须考虑焊接热影响区强度折减或热影响区截面面积折减。

5 疲劳强度分析

该可伸缩式登船栈桥按照使用寿命20 a，按每天伸缩使用6次计算，循环次数为43 800。根据欧洲规范要求[5]，循环次数在103～105之间，疲劳寿命验算公式为：

(5)

式中，Ni为应力幅Δσi下的应力循环次数；ΔσC为应力循环次数在2×106下的应力幅值；Δσi为计算应力幅值；m0为循环次数在103～105时对应Δσ-N曲线斜率；m1为根据构造分类确定的Δσ-N曲线斜率；γFf为分项系数，取γFf=1；γMf为分项系数，取γMf=1。

根据上式求得许用应力幅值Δσi，与各项工况下应力幅作比较，验算其疲劳强度。

6 结语

可伸缩式登船栈桥作为半潜支持平台的核心配套件，一直以来都依靠进口，国内缺少相关设计经验和成熟的产品。通过具体工程实例，介绍了上海振华重工某海上登船栈桥的设计计算方法。该计算方法和结论均已获得DNV船级社认可，可为今后海工桁架式铝合金结构设计计算提供参考，有利于促进该类产品的快速发展。