DOI:10.3969/j.issn.1009-671X.201411012
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2. Yantai CIMC Raffles Offshore Co., Ltd., Yantai 264000, China
船舶上面的桅杆设计计算主要是根据《船舶设计手册》－－舾装分册[1]上的非起重桅的方法来设计，而对于半潜式平台来说，上述方法的应用受到了限制，主要是因为半潜式平台受环境载荷作用后产生的运动响应要比船舶的复杂得多，需要计算诸如风、浪、流等诸多载荷作用下的运动响应。对于船舶而言，在风、浪、流的作用下，会有比较大的横摇、纵摇和升沉运动，其中的横摇对桅杆的强度影响最大，而空间3个方向上的运动速度比较小，通常不预考虑。而半潜平台由于是小水线面，波浪响应较小，它还有空间的运动加速度，并且各个因素对桅杆的影响都在同一数量级。文中以中集来福士海洋工程有限公司自行设计的半潜平台上的桅杆的设计为例，介绍一种半潜式平台上桅杆的计算方法。
1 平台参数及设计背景介绍该半潜式平台的主要技术参数如表 1。
| m | |||
| 名称 | 长度 | 宽度 | 高度 |
| 平台总体 | 118 | 70 | 38 |
| 浮筒 | 118 | 15 | 8 |
| 尾部立柱 | 17.5 | 15 | 25 |
| 中间立柱 | 7.5 | 7.5 | 25 |
| 首立柱 | 15 | 15 | 25 |
所设计的桅杆位置在主甲板以上尾部正中位置，距基线38 m,水面18 m,如图 1所示。
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| 图 1 桅杆布置 |
根据桅杆的布置对桅杆进行如下简化：桅杆分成3个部分：主体、信号灯、信号灯座。重量、重心分别计算，重量和重心如表 2所示。
| 部件名称 | 重量/kg | Gz /m |
| 顶部信号灯 | 6 | 6.85 |
| 下部信号灯 | 6 | 4.85 |
| 顶部信号灯座 | 5 | 6.5 |
| 下部信号灯座 | 5 | 4.5 |
| 桅杆上部 | 53 | 4.25 |
| 桅杆下部 | 31 | 1.0 |
| 合计 | 106 | 3.6 |
将主体支柱结构简化为杆单元，将上部平台位置的灯简化为质量点。采用符号表示如下：
由于该桅杆的位置处于平台较高的位置，还需考虑环境载荷及平台运动加速度的影响。简化后的力学模型如图 2所示。
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| 图 2 简化力学模型 |
该平台为对称结构，坐标系采用右手直角坐标系，原点位于平台艏部。环境载荷方向，沿逆时针方向为正，0°方向由船艏指向船尾，90°方向由左舷指向右舷[2]，如图 3所示。下面将介绍风载荷、流载荷及其作用下的平台运动响应的计算，以此作为桅杆设计的输入。
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| 图 3 坐标系 |
该半潜式起重平台工作海域设计流速为0.91 m/s。风载荷系数和流载荷均通过模型实验获得[3, 4, 5]，各方向的风载荷系数和流载荷分别如图 4、5所示。
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| 图 4 风载荷系数 |
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| 图 5 流载荷 |
风载计算参考ABS Mobile Offshore Drilling Unit.
平均波漂力由水动力软件HARP计算得到各频率下二阶力载荷RAO后与波浪谱结合得到。公式为
在计算过程中风、浪和流保持同向，风载荷、流载荷和波浪载荷三者线性叠加[7, 8]。 计算出的运动响应曲线如图 6所示。
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| 图 6 运动响应曲线 |
得到的最大加速度如表 3所示。
平台横摇时，桅杆与铅垂面之间夹角为θ，从图 6上可以查到θ=7.4°。桅杆各部分对根部的作用力为f1，f1=mgsin θ；力的作用点到桅杆根部的距离为L1。
船舶横摇时的惯性力为f2，f2=ma，其中a为X和Y方向的合成加速度，从表 3可以得到a=4.278 m/s2；惯性力的作用点到桅杆根部的距离为L2。
船舶升沉运动时，桅杆各部分正交于桅杆的作用力为f3。f3=mavsin θ，从表 3可以得到av=2.566 m/s2；作用点到桅杆根部的距离为L3。
风压力为f4，f4=PA；风压作用点到桅杆根部的距离为L4。
以上各个作用力对根部的弯矩M=f1·L1+f2·L2+f3·L3+f4·L4。采用ASTM A106B的普通碳钢管作为桅杆的主体，屈服强度σs =240 MPa，许用弯曲应力取它的70%，则许用应力[σ]=168 MPa，许用剪应力为许用弯曲应力除以1.5，许用剪应力[τ]=112 MPa。受力分析模型见图 7。
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| 图 7 受力分析模型(P=f1+f2+f3+f4) |
各部分作用力及弯矩见表 4。
| 部件名称 | W/kg | Gz/m | f1/N | f2/N | f3/N | f4/N | A/m2 | M/N·m |
| 顶部信号灯 | 6 | 6.85 | 7.58 | 25.67 | 1.98 | 142.6 | 0.16 | 121 8 |
| 下部信号灯 | 6 | 4.85 | 7.58 | 25.67 | 1.98 | 142.6 | 0.16 | 862 |
| 顶部信号灯座 | 5 | 6.5 | 6.32 | 21.39 | 1.65 | 35.64 | 0.04 | 422 |
| 下部信号灯座 | 5 | 4.5 | 3.32 | 21.39 | 1.65 | 35.64 | 0.04 | 292 |
| 桅杆上部 | 53 | 1.25 | 66.97 | 226.7 | 17.5 | 302.9 | 0.34 | 2610 |
| 桅杆下部 | 31 | 1 | 39.17 | 132.6 | 10.3 | 160.4 | 0.18 | 342 |
| 合计 | 106 | 3.6 | 5 746 |
根据表 4，需要的下部分桅杆的抗弯载面系数[9]为Z=5 746÷168=34.2 cm3。选用直径88.9，壁厚7.62的管做为桅杆的主体，抗弯载面系数为36.5 cm3。小于管子实际抗弯截面系数。其剪切面积为19.46 cm2。
从图 7可以看出，最大剪力为1 441.17 N，所需要的受剪面积为1 441.17÷112÷100=0.13 cm2。远小于桅杆的实际载面积。
屈曲强度校核如下，各部分自重及垂各加速度产生的压力
根据规范[10]验证，杆能承受的压力为
计算结果表明，使用上述尺寸的结构，桅杆结构强度满足设计要求。
5 结束语从以上实例计算来看，对于半潜式平台的桅杆结构强度设计，比船形的计算要复杂得多，通常需要进行有限元的强度校核。通过与船舶桅杆的设计进行比较，结合半潜式平台的运动特性，文中总结了一套适用于半潜式平台桅杆的设计方法。经过实际平台的验证，完全可以代替有限元分析，大大节约设计时间，同时该方法容易为结构工程师所掌握，有比较大的工程应用价值。
| [1] | 陈可越. 船舶设计手册—舾装分册[M]. 北京:中国交通科技出版社, 2007:324-327. |
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| [6] | 张天宇, 王金光, 李磊, 等. 半潜式起重平台动力定位能力分析[J].中国海洋平台, 2011(3):53-56. |
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