舱室登船装备与大型邮轮结构外形匹配技术研究.pdf

建筑施工第4 5 卷第8 期170314SCIENTIFRESEARCH究研学科舱室登船装备与大型邮轮结构外形匹配技术研究王保成1.上海建工集团股份有限公司上海200080；2.上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心上海2011摘要：舱室登船装备需要整体附着于大型邮轮船体结构上，而两者安装结合存在结构外形不匹配、变形控制、焊接点位控制等技术难点。针对以上难点进行技术攻关，通过登船装备与大型邮轮结构分析，研发设计了过渡平台架体系统，并通过计算分析和工程应用验证了设计方案的可行性和适用性，以期为未来类似工程提供技术支撑。关键词：舱室登船装备；大型邮轮；外形匹配；计算分析；工程应用中图分类号：TU758.11文献标志码：A文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 7 0 3-0 4DOl:10.14144/kijzsg.2023.08.058Research on Matching Technology Between Cabin Boarding Equipmentand LargeCruiseLinerStructureAppearanceWANG Baocheng1.Shanghai Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200080,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Mega Structure Construction Technology and Equipment,Shanghai 201114,ChinaAbstract:The cabin boarding equipment needs to be attached to the large cruise liner hull structure as a whole,andsuch combined installation between two of them has technical difficulties such as mismatched structural appearance,deformation control,and welding point position control.In response to the above dificulties,technical breakthroughshave been carried out.Through the analysis of boarding equipment and large cruise liner structure,a transition platformframe system is developed and designed.The feasibility and applicability of the design scheme are verified throughcalculation analysis and engineering applications,in order to provide technical support for similar projects in the future.Keywords:cabin boarding equipment;large cruise liner;appearance matching;calculation and analysis;engineering application舱室登船装备可整体附着于大型邮轮船体结构上，将预制舱室从地面运输至船体各甲板层。该装备及相关施工工艺借鉴于国外而实现了国产化，并在上海外高桥造船有限公司承建的国内大型邮轮建造过程中得到了应用。登船装备与船体结构安装附着存在以下难点：两者结构外形不匹配而无法直接安装；升降平台自重及载重大，而船体结构对变形控制的要求高；要尽量减少外部结构在船体结构上的焊接点位。为此，本文从舱室登船升降平台装备的系统构成、工作原理、结构形式及大型邮轮的结构形式等分析入手，开发设计满足结构外形匹配、功能需求、变形控制、焊接点位控制等要求的过渡平台架体系统，并通过计算分析验证设计方案的可行性，且通过实际工程说明方案应用情况。1工程概况2019年1 0 月1 8 日，国产大型邮轮在上海外高桥造船有作者简介：王保成（1 9 9 0 一），男，本科，工程师通信地址：上海市闵行区新骏环路7 0 0 号（2 0 1 1 1 4）电子邮箱：3 0 9 4 1 4 7 9 收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 3限公司点火开工。国产化大型邮轮总吨位约为1 3.5 万t，总长3 2 3.6 m，宽3 7.2 m，有2 1 2 5 个预制舱室。预制舱室在船外地面加工建造并通过舱室登船装备垂直运输至船体内部。登船装备位于船体结构外侧，船和船舰各一台，平面位置如图1 所示。因船位置处的登船装备整体情况相对船位置处的更为不利，故以其为代表进行研究说明。船体结构舱室登船装备图1舱室登船装备平面位置2结构设计2.1舱室登船装备分析舱室登船装备由载货平台系统、驱动爬升系统和支撑导向系统3 部分组成，如图2 所示，其中支撑导向系统为由若干个标准节组成的竖向导轨。登船装备基本工作原理为：支撑导向系统支撑附着于大型邮轮船体结构外侧，驱动爬升系统通过齿轮齿条啮合170420238BuildingConstruction王保成：舱室登船装备与大型邮轮结构外形匹配技术研究的方式与支撑导向系统配合并沿其上下运动，载货平台系统承载预制舱室在驱动爬升系统带动下沿支撑导向系统进行升降作业。针对大型邮轮建造研发的舱室登船装备具有承载力大、载货容量大、安全性能好等特点，其主要性能参数如表1 所示。表1 舱室登船装备主要性能参数名称主要参数最大载重量/人数7000kg/不允许载人载货最大尺寸8m4mx2.75m最大运输高度32m覆盖甲板层范围1一1 0 层额定提升速度12m/min电动机主要参数30kW4制动器制动力矩400 Nm减速器速比73.9动力电源3P、3 8 0 V、5 0 H z根据设计要求，舱室登船装备需通过支撑导向系统与船体结构侧面连接进行附着，且整体脱离地面，如图3 所示。因载货平台系统悬挑较多、驱动爬升系统偏心设计，船体除承受登船装备的自重外，还要承受其偏心产生的水平力。船体典型剖面船体悬挑梁驱动爬升系统船体凸出甲板舱室登船装备临时钢平台支撑导向系统船坞载货平台系统图2舱室登船装备系统组成图3舱室登船施工布置2.2大型邮轮结构分析大型邮轮船体第1 一3 层为曲面船壳结构，第5 层有凸出的甲板，凸出甲板在垂直纸面方向连续分布，第6 一1 2 层有悬挑梁，悬挑梁水平间距为2.9 m，其位置对应船体竖向加劲肋的水平位置。船体结构呈现出侧面不平整的特点，如图3 所示。而预制舱室分布在第1 一1 0 层（除第4、5 层外），所以舱室登船装备的升降范围应覆盖此范围，从而将预制舱室运输至其分布层。船体结构采用AH36钢材2 ，其凸出甲板层及悬挑梁具备搁置或螺栓连接舱室登船装备的条件且能承受较大的荷载，而船壳为厚6 mm板且只能采用焊接方式与登船装备连接。考虑船体结构和舱室登船装备结构形式特点及舱室登船施工布置情况，两者结合存在结构外形不匹配、附着要求高等难题。2.3匹配性结构设计为解决舱室登船装备和船体结构外形不匹配的问题及满足登船装备运输舱室的功能需求，设计过渡平台架体系统，实现舱室登船装备在船体结构上的匹配性支撑附着及其舱室运输功能。考虑船体结构变形控制、焊缝点位控制要求，优化设计过渡平台架体系统的附着形式及其自身结构形式。如图4 所示，为减少材料使用量并增加结构稳定性，将舱室登船装备的支撑导向系统（即由若干标准节组成的导轨）与过渡平台做成一体，组成过渡平台架体系统（图中红色部分）。过渡平台架体146825支撑导向系统44C25悬挑梁支座搁置支座临时钢平台焊接支座预制舱室舱室登船装备船体结构船坞2206L图4过渡平台架体平面过渡平台架体系统设置3 种支座形式实现其在船体结构上的临时支撑附着，包括与船体第1 一3 层及第1 0 一1 2 层连接的焊接支座，与船体第5 层凸出甲板连接的搁置支座，与船体第6 一9 层连接的悬挑梁支座。其主要工作及受力原理为：设置过渡平台填补舱室登船装备到船体的空隙以实现待运输的舱室到达一定高度后的水平运输及登船装备和船体的匹配性安装；登船装备自重及其施工作业产生的竖向力主要由船体第5 层凸出甲板承受（此处搁置支座水平方向不约束），因装备偏心等原因产生的水平力由焊接支座和悬挑梁支座承受；为使登船装备及过渡平台架体系统产生的荷载合理分配给各支座及增加其自身稳定性，在适当位置设置斜撑该结构设计方案特点包括：充分利用了船体结构第5 层凸出甲板层承载力大的特点，将升降平台大部分自重传递到此处；通过设置层间斜撑增加了过渡平台架体系统的刚度，从而使架体系统和船体结构的连接点在升降平台垂直运动过程中承受较为均匀的荷载；架体和船体的连接均采用铰接的形式，避免或减少弯矩作用于船体结构；通过设计过渡平台架体系统，不仅满足了登船装备和船体结构的外形匹配要求，还实现了登船装备在船体结构上的整体附着，而不支撑于地面，从而可以避免因船坞注水而对登船装备进行拆除，有效缩短了施工工期。建筑施工第4 5 卷第8 期1705王保成：舱室登船装备各与大型邮轮结构外形匹配技术研究3计算分析过渡平台架体系统在实现舱室登船装备与大型邮轮船体结构匹配性连接的基础上，既要保证登船装备升降功能正常，又要减少登船装备及其自身对船体结构的变形影响。针对上述要求，通过计算分析验证其适用性，主要分析指标包括支撑导向系统的变形、过渡平台架体系统支座反力、船体结构变形等。3.1过渡平台架体系统受力分析建立过渡平台架体系统MidasGen计算模型（包含舱室登船装备）并根据支座类型设置边界条件，如图5 所示。模型中的支座均为铰接支座，而第5 层凸出甲板层处的支座只有竖向约束，从而模拟搁置支座的效果。过渡平台架体系统的主要受力构件均采用Q355钢材，加劲板等非主要受力构件采用Q235钢材。根据相关规范3 ，施加自重、风荷载、活荷载，计算过渡平台架体系统在作业、停工和舱室水平运输3 种状态下的支撑导向系统（即导轨）变形、支座反力。其中自重包括模型中所建全部构件自重及未建模构件的等效自重；作业状态和舱室水平运输状态按8 级风的上限（2 0.7 m/s）进行抗风设计，停工状态不加固情况下按1 4 级风的上限（4 6.1 m/s）进行抗风设计，风荷载施加方向分为2 种，包括垂直于船体结构长度方向的正向风和平行于船体结构长度方向的侧向风；活荷载施加在可升降运动部分，考虑动力效应影响，动力系数取1.2，作业状态下活荷载全部施加在升降平台上，舱室水平运输状态下活荷载在升降平台和过渡平台施加各半。此外，作业状态下，可升降运动部分每停层0.5 层计算1 次，舱室水平运输状态每停层1 层计算1次，从而模拟登船装备升降不同高度时过渡平台架体系统的受力情况。结构及构件按“承载能力极限状态设计”进行设计计算，承载力设计表达式为：YoSR(1)式中：0结构重要性系数，本工程为造船阶段使用且使用年限小于2 年，按临时结构考虑，取0.9;S.荷载组合的效应设计值；R.一结构或结构构件的抗力设计值。由可变荷载控制的效应组合公式如下：工作状态：Sa=YSGk+yoSok+VowVowSwk(2)停工状态：Sa=YSGk+YowVowSwk(3）上述公式中：为永久荷载分项系数为可变荷载分项系数；Yow为风荷载标准值的分项系数；ow为风荷载标准值的组合值系数；S.为作用组合的效应设计值；SGk为永久荷载标准值的效应；Sok为活荷载标准值的效应；Swk为风荷载标准值的效应。永久荷载的分项系数（%）采用1.3，当对结构进行倾覆稳定性计算而对结构有利时，分项系数采用0.9；可变荷载的分项系数（o）采用1.5；风荷载的分