一种大跨度柔性支撑舱壁结构及设计方法

技术领域

本发明涉及一种大跨度柔性支撑舱壁结构及设计方法，属于船舶设计制造技术领域。

背景技术

坞式舰船或滚装船的内部存在一个或多个大型装载舱，大型装载舱横向宽度可以达到20米以上、纵向长度可达百米以上，而且大型装载舱内部不能设支柱。部分船型需要在两层大型装载舱之间或者在大型装载舱上方和主甲板之间设置一层功能舱室甲板(双层甲板间高一般2.5-3米)，如图1和图2所示，从而导致两层甲板的上方或下方在很大跨度范围内均无有效支撑，而且双层甲板中的顶甲板往往是装载甲板或飞行甲板，需要承受重型装备的滚装、起降或露天水压等载荷(等效载荷可达2t/m

大跨度支撑舱壁作为高腹板梁弯曲、剪切应力较大，按照常规设计可以采用竖桁加水平骨架结构型式，这种骨架型式的竖桁腹板较高、尺寸较大、重量较重，其次施工工艺相对复杂。因此本技术领域亟需找到一种大跨度支撑舱壁的结构型式和设计方法，使得其在上方或下方无强支撑的情况下，具有足够的抗弯、抗剪能力，起到支撑其上、下甲板结构的作用，同时又有占空间小、重量轻、施工简单、便于舱室布置等优点。

发明内容

本发明的目的是为解决如何获得一种大跨度支撑舱壁的结构型式和设计方法，使得支撑舱壁在上方或下方无强支撑的情况下，具有足够的抗弯、抗剪能力，起到支撑其上、下甲板结构的作用，同时又具有占用空间小、重量轻、施工简单、便于舱室布置等优点的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种大跨度柔性支撑舱壁结构，包括采用不设竖桁的均匀垂向骨架结构型式；在高腹板梁弯曲引起的压缩应力大的区域，即中和轴以上、靠近顶甲板的区域内设置间断水平扶强材；在支撑舱壁端部剪切应力大的区域，避免设置门和窗，且增加端部舱壁板厚度；对门窗类大开口区域增加板厚；支撑舱壁垂向扶强材上下端与甲板结构进行有效连接，舱壁两侧支撑端设有过渡连接结构。

本发明提供一种大跨度柔性支撑舱壁结构的设计方法，包括构件尺寸按照高腹板梁进行初步设计；建立包括顶甲板和底甲板结构的有限元模型进行强度和稳定性校核；进行局部优化调整，从而获得最佳结构尺寸；设计流程和方法包括以下步骤：

步骤1：确定支撑舱壁系统和载荷工况；确定双层甲板的有效支撑舱壁系统；确定有效支撑舱壁的跨距和间距，跨距取舱壁端部支撑之间的距离，间距取前、后支撑舱壁之间距离的一半，确定顶甲板和底甲板的载荷和危险工况；

步骤2：初步确定支撑舱壁的板厚和构件尺寸；

步骤2.1：将支撑舱壁视作高腹板梁，支撑舱壁系统视作交叉梁系，计算危险工况下支撑舱壁结构的弯矩和剪力，支撑舱壁跨距按步骤1，施加顶甲板和底甲板载荷之和，承载宽度取支撑舱壁间距；按照规范许用弯曲应力和剪切应力，计算支撑舱壁作为高腹板梁的模数和剪切面积要求；

步骤2.2：支撑舱壁根据高腹板梁的模数要求初步确定跨中的舱壁板厚度，根据剪切面积要求初步确定端部的舱壁板厚度；高腹板梁的上、下翼板厚度取顶甲板和底甲板厚度；通过公式计算确定支撑舱壁高腹板梁的上、下翼板的宽度；

步骤2.3：根据步骤2.2确定的上、下翼板的宽度和厚度以及舱壁板的高度和厚度确定高腹板梁的中和轴高度、跨中弯曲应力和端部剪切应力分布；根据稳定性要求，确定水平筋间距和数量；

步骤2.4：支撑舱壁垂向扶强材尺寸可按照一般的支撑围壁进行设计，即按照承受顶甲板载荷下的支柱稳定性要求计算；其承载长度可取垂向扶强材间距、承载宽度取支撑舱壁间距；

步骤2.5：对于大跨度支撑舱壁，在满足稳定性要求前提下，垂向扶强材可根据规范或该船统一要求取最小尺寸；舱壁中和轴以上靠近上翼板部位的水平筋可取与垂向扶强材等厚等高的间断扁钢或型材；在满足弯曲强度要求下，舱壁板厚度也可取最小厚度；

步骤2.6：根据不同位置的舱壁上方和下方甲板结构设计舱壁和顶甲板、底甲板结构的连接结构和节点型式；

步骤3：设计验证和优化调整；

步骤3.1：选取合适范围，建立有限元模型；

步骤3.2：设置合适边界条件，施加载荷进行危险工况计算；计算结构应力和位移；

步骤3.3：根据计算结果进行校核，视情优化调整构件尺寸；根据校核结果，如不满足设计要求，可调整支撑舱壁板厚和扶强材尺寸，也可进一步调整顶甲板和底甲板结构尺寸，直至满足设计要求；

步骤3.4：对比分析步骤3.3和步骤2.3中计算结果的异同，验证分析步骤2中的简化设计方法各要素，根据有限元分析结果调整上述参数；进一步分析支撑舱壁的应力分布是否满足两端简支或两端刚性固定，根据有限元分析情况可调整舱壁两端柔度系数；进一步总结规律，可提高步骤2的设计准确性。

优选地，上述步骤2.2中确定支撑舱壁高腹板梁的上、下翼板的宽度按下式确定：

式中b

优选地，上述步骤2.3中在跨中部位中和轴上方靠近上翼板一定范围内根据稳定性要求，确定水平筋间距和数量。

优选地，上述步骤2.5中垂向扶强材不小于HP80x6；舱壁板厚度不小于5mm。

优选地，上述步骤2.6中连接结构和节点型式中垂向扶强材上端、下端不削斜；上端加肘板或不加肘板与纵骨连接、或上端直接加肘板至相邻构件；下端与甲板连接，连接方式为下方与纵骨对齐或增设扶强材。

优选地，上述步骤3.1中选取合适范围是选取含大跨度支撑舱壁、顶甲板和底甲板的双层甲板结构；横向边界至少到强支撑结构或继续向外到舷侧，纵向至少应包含关注区域，并适当延伸一定范围，至少至下一个横向支撑舱壁；为精细化分析支撑舱壁结构，有限元网格可取50x50，扶强材腹板可采用3个网格，扶强材端部节点处可采用更细化的网格。

优选地，上述步骤3.2中设置合适边界条件包括在下方有强支撑处用简支边界条件；前后端如下方有强支撑处可用简支边界条件，如前后端无强支撑，可采用自由变形的平断面或对称边界条件；所述危险工况包括顶甲板、底甲板均承受最大载荷；顶甲板承受最大载荷，底甲板不承受载荷或顶甲板不承受载荷，底甲板承受最大载荷。

优选地，上述步骤3.3中校核内容包括双层甲板的最大垂向变形是否满足设计要求；双层甲板的最大应力是否满足许用应力要求；支撑舱壁的板和扶强材稳定性是否满足设计要求，尤其是支撑舱壁中和轴以上部分压缩应力大的区域、支撑舱壁两端剪切应力大的区域，垂向扶强材截面的平均压缩应力；舱壁开门附近应力集中区域是否满足设计要求。

优选地，上述步骤3.4中验证分析步骤2中的简化设计方法各要素包括支撑舱壁的上、下翼板宽度和承载宽度。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明与常规竖桁加水平筋结构型式相比优点如下：

(1)没有大尺寸竖桁，因此占舱室空间小。

(2)扶强材均为垂向，靠近顶甲板水平筋为间断结构，均不需要穿越桁材，没有切口和补板，施工简单。

(3)与常规水平骨架强力结构型式相比，支撑舱壁本身结构重量较轻，且能有效支撑顶甲板和底甲板结构，缩短顶甲板和底甲板结构跨距，大幅减小顶甲板和底甲板桁材尺寸。

(4)除端部一定范围内不宜布置门窗外，不需要考虑竖桁的布置，以及竖桁与顶甲板、底甲板的强力构件位置关系，舱室布置灵活。

(5)由于舱壁结构采用均匀小扶强材结构型式，无大尺寸竖桁，受力更为均匀。

附图说明

图1为现有技术中大跨度双层甲板布局示意图一。

图2为现有技术中大跨度双层甲板布局示意图二。

图3为常规水平骨架舱壁结构示意图。

图4为本发明柔性支撑舱壁结构示意图。

图5为大跨度柔性支撑舱壁实施例1布置示意图。

图6为实施例2某大跨度双层甲板之间的餐厅区域布置图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图1-6作详细说明如下：

上方或下方均无支撑的大跨度支撑舱壁与常规支撑舱壁不同。常规的支撑舱壁结构一般跨度较小，且其上方或下方有刚性较大的舱壁、支柱或强梁结构支撑，因此常规支撑舱壁只要按照规范设置垂向扶强材，垂向扶强材满足支柱设计要求，即可起到支撑舱壁作用。但是某些情况下，如大跨度双层甲板之间的支撑舱壁，其上方或下方均无支撑且跨度大，在甲板载荷作用下，还会产生很大的弯曲应力和剪切应力，因此大跨度支撑舱壁除满足垂向支撑要求外，还需要具有足够的抗弯、抗剪能力，为此现有技术通常采用竖桁加水平筋的水平骨架式结构；如图3所示，一方面，采用水平骨架可提高弯曲刚度和压缩应力作用下的结构稳定性，从而提高抗弯、抗剪能力，另一方面，水平骨架型式结构垂向刚度较弱，需隔一定距离设置竖桁以支撑水平骨架，并起到垂向支撑作用。水平骨架型式的舱壁通常用于参与总纵强度的外板、甲板和主纵舱壁等强力结构，当用于大跨度双层甲板之间的支撑舱壁时，有以下缺点：一是竖桁尺寸较大，会极大降低双层甲板之间的舱室面积利用率，二是竖桁结构重量较重，舱壁结构整体较重，三是水平骨架穿过竖桁，需要开众多穿越孔或加补板等，施工工艺相对复杂，四是竖桁需要对齐顶甲板和底甲板强构件，相应位置不宜开门，对支撑舱壁上的门、窗布置有较多的限制，不利于舱室布置。

为解决上述技术问题，针对大跨度支撑舱壁的结构受力特点，本发明技术方案如图4所示。包括：

(1)采用不设竖桁的均匀垂向骨架结构型式。

(2)在高腹板梁弯曲引起的压缩应力较大区域，即中和轴以上、靠近顶甲板一定范围内设置间断水平扶强材(扁钢或型材)，以满足结构稳定性要求。

(3)在支撑舱壁端部剪切应力较大区域，避免设置较大的门和窗等，并适当增加端部舱壁板厚度，以提高其剪切稳定性。

(4)对门窗等大开口区域可视情适当增加板厚，提高结构连续性，改善应力集中。

(5)支撑舱壁垂向扶强材上下端与甲板结构有效连接，舱壁两侧支撑端设计必要的过渡连接结构，提高结构连续性和支撑作用。

采用上述柔性支撑舱壁结构设计方案，其构件尺寸可按照高腹板梁进行初步设计，然后建立包含顶甲板和底甲板等结构的有限元模型进行强度和稳定性校核，并进行局部优化调整，从而获得最佳结构尺寸。

其基本设计流程和方法如下：

步骤1：确定支撑舱壁系统和载荷工况：

(1)确定双层甲板的有效支撑舱壁系统。凡是下方有强支撑的舱壁(如与下方装载舱纵壁对齐的纵壁)可作为其他舱壁的端部支撑，凡是端部具有支撑的舱壁可作为有效支撑舱壁，同时可作为其他舱壁的端部支撑，依次类推，可以确定双层甲板的有效支撑舱壁系统。

(2)确定上述有效支撑舱壁的跨距和间距，跨距取舱壁端部支撑之间的距离，间距取前、后支撑舱壁之间距离的一半，确定顶甲板和底甲板的载荷和危险工况。

步骤2：初步确定支撑舱壁的板厚和构件尺寸：

步骤2.1：将支撑舱壁视作高腹板梁，支撑舱壁系统视作交叉梁系，计算危险工况下支撑舱壁结构的弯矩和剪力，支撑舱壁跨距按步骤1，施加顶甲板和底甲板载荷之和，承载宽度取支撑舱壁间距。按照规范许用弯曲应力和剪切应力，计算支撑舱壁作为高腹板梁的模数和剪切面积要求。

步骤2.2：支撑舱壁采用如图4所示技术方案，根据高腹板梁的模数要求初步确定跨中的舱壁板厚度，根据剪切面积要求初步确定端部的舱壁板厚度。高腹板梁的上、下翼板厚度取顶甲板和底甲板厚度，宽度按照下式初步确定：

式中b

步骤2.3：根据步骤2.2确定的上、下翼板的宽度和厚度以及舱壁板的高度和厚度确定高腹板梁的中和轴高度、跨中弯曲应力和端部剪切应力分布。在跨中部位中和轴上方靠近上翼板一定范围内存在弯曲引起的较大压缩应力，根据稳定性要求，确定水平筋间距和数量。

步骤2.4：支撑舱壁垂向扶强材尺寸可按照一般的支撑围壁进行设计，即按照承受顶甲板载荷下的支柱稳定性要求计算。其承载长度可取垂向扶强材间距、承载宽度取支撑舱壁间距。

步骤2.5：对于大跨度支撑舱壁而言，一般垂向扶强材稳定性比较容易满足，因此在满足稳定性要求前提下，垂向扶强材可根据规范或该船统一要求取最小尺寸，一般不小于HP80x6，舱壁中和轴以上靠近上翼板部位的水平筋可取与垂向扶强材等厚等高的间断扁钢或型材。在满足弯曲强度要求下，舱壁板厚度也可取最小厚度，一般不小于5mm。

步骤2.6：根据不同位置的舱壁上方和下方甲板结构设计舱壁和顶甲板、底甲板结构的连接结构和节点型式。一般垂向扶强材上端、下端不削斜，上端与纵骨连接(加肘板或不加肘板)或直接加肘板至相邻构件，下端与甲板连接(下方与纵骨对齐或增设扶强材)。

步骤3：设计验证和优化调整：

步骤3.1：选取合适范围，建立有限元模型。选取含大跨度支撑舱壁、顶甲板和底甲板的双层甲板结构，横向边界至少到强支撑结构(如装载舱纵壁)或继续向外到舷侧，纵向至少应包含关注区域，并适当延伸一定范围，至少至下一个横向支撑舱壁。为精细化分析支撑舱壁结构，有限元网格可取50x50，扶强材腹板可采用3个网格，扶强材端部等节点处可采用更细化的网格。

步骤3.2：设置合适边界条件，施加载荷进行危险工况计算。在下方有强支撑处(如装载舱纵壁或舷侧外板处)用简支边界条件，前后端如下方有强支撑处(如装载舱前端壁处)可用简支边界条件，如前后端无强支撑，可采用自由变形的平断面或对称边界条件。危险工况一般选三种，一是顶甲板、底甲板均承受最大载荷；二是顶甲板承受最大载荷，底甲板不承受载荷；三是顶甲板不承受载荷，底甲板承受最大载荷。计算结构应力和位移。

步骤3.3：根据计算结果进行校核，视情优化调整构件尺寸。主要校核以下内容：一是双层甲板的最大垂向变形满足设计要求；二是双层甲板的最大应力满足许用应力要求；三是支撑舱壁的板和扶强材稳定性满足设计要求，尤其是支撑舱壁中和轴以上部分压缩应力较大区域、支撑舱壁两端剪切应力较大区域，垂向扶强材截面的平均压缩应力；四是舱壁开门附近应力集中区域。根据上述校核结果，如不满足设计要求，可调整支撑舱壁板厚和扶强材尺寸，也可进一步调整顶甲板和底甲板结构尺寸，直至满足设计要求。

步骤3.4对比分析步骤3.3和步骤2.3中计算结果的异同，验证分析步骤2中的简化设计方法各要素，如支撑舱壁的上、下翼板宽度和承载宽度，根据有限元分析结果调整上述参数；其次可进一步分析支撑舱壁的应力分布是否满足两端简支或两端刚性固定，根据有限元分析情况可调整舱壁两端柔度系数。从而进一步总结规律，可提高步骤2的设计准确性。

上述设计流程中步骤1是准备流程，步骤2是核心流程，步骤3是步骤2的验证和善后步骤。步骤1是根据双层甲板布置情况，进行支撑舱壁系统的受力特点分析，从而确定支撑舱壁系统和危险工况。步骤2按照交叉梁系，将支撑舱壁视作单跨梁进行初步设计，确定舱壁板和扶强材的尺寸，步骤3进行方案的最后验证、优化和校核，同时可对步骤2的简化方法进行改进完善。由于支撑舱壁采用小扶强材柔性结构设计方案，支撑舱壁对甲板的支撑作用不能视作绝对刚性的支撑，因此支撑舱壁和顶甲板、底甲板的实际受力状态和应力分布可能与前期假定有一定差异，因此需要结合步骤3的有限元计算进行验证和优化调整，从而最终满足设计要求，使结构最优。其次，支撑舱壁作为大跨度、高腹板梁，其上、下翼板宽度和承载宽度以及端部柔度系数等参数与舱室布置、顶甲板和底甲板结构刚度、支撑舱壁端部结构过渡型式等存在复杂的关联关系，一般而言，当支撑舱壁跨度和间距较小时，可以认为支撑舱壁起到对甲板的完全支撑作用，当支撑舱壁跨度和间距较大时，支撑舱壁仅起到对甲板的柔性支撑作用，其上、下翼板宽度和承载宽度会小于支撑舱壁间距值，因此可以进行有限元计算确定上述参数，完善步骤2，提高其准确性。

实施例1：

如图5为某大跨度双层甲板之间的居住舱室布置，舱室两侧纵壁(01-08)与下方主纵舱壁对齐，主纵舱壁之间的双层甲板上方和下方为大舱，无有效支撑。则采用本发明技术方案可将主纵壁内的横舱壁(10-19)和纵舱壁(20-23)设计为柔性支撑舱壁，支撑上、下层甲板强横梁和纵桁等结构，缩短其跨距。横舱壁按照支撑在主纵舱壁之间的高腹板梁进行设计；纵舱壁按照支撑在横舱壁之间的高腹板梁进行设计；纵、横舱壁可采用薄板5mm、均匀垂向扶强材HP100x6结构，舱壁两端支撑点附近板厚应加厚至满足剪切应力下稳定性要求，舱壁上方增加水平筋使舱壁板满足弯曲压应力下稳定性要求，门等开口周围适当加厚。

柔性支撑横舱壁(10-19)、纵舱壁(20-23)结构型式参见图4，上述方案和尺寸可通过有限元计算进一步优化，最终得到合理方案。

实施例2

如图6为某大跨度双层甲板之间的餐厅区域布置图，由于就餐人员较多，餐厅面积较大，两侧纵壁(601-602)与下方主纵舱壁对齐，主纵舱壁之间的双层甲板上方和下方为大舱，无有效支撑。则采用本发明技术方案可将主纵壁之间的横舱壁(610-613)和内部长纵壁(620)设计为柔性支撑舱壁，支撑上、下层甲板强横梁和纵桁等结构，缩短其跨距。横舱壁按照支撑在主纵舱壁之间的高腹板梁进行设计；长纵舱壁按照支撑在横舱壁之间的高腹板梁进行设计；纵、横舱壁可采用薄板6mm、均匀垂向扶强材HP120x6结构，舱壁两端支撑点附近板厚应加厚至满足剪切应力下稳定性要求，纵、横舱壁上方增加水平筋使舱壁板满足弯曲压应力下稳定性要求，门等开口周围适当加厚。

柔性支撑横舱壁(610-613)和纵舱壁(620)结构型式参见图4，上述方案和尺寸可通过有限元计算进一步优化，最终得到合理方案。

本发明技术方案不采用常规竖桁加水平筋结构型式，而是设置均匀垂向扶强材，其核心思想是采用薄板、小筋轻量化支撑舱壁结构型式，满足抗弯和抗剪强度、刚度和稳定性要求。由于支撑舱壁腹板较高，弯曲刚度主要靠上翼板(顶甲板)、下翼板(底甲板)提供，因此舱壁板较薄。针对薄板、垂向扶强材结构纵向受压稳定性较低的特点，对上翼板附近弯曲引起的压缩应力较大区域增加水平筋，提高其纵向受压稳定性，对支撑舱壁端部剪切应力较大区域，适当增加板厚提高其剪切稳定性，从而使得由薄板和小筋组成的柔性舱壁结构达到有效支撑顶甲板和底甲板结构的效果。支撑舱壁端部应避免开门，这点对常规舱壁也是一样的，因为舱室围壁有一定长度，布置上通常很少要求在舱室两壁相交处附近即舱室端部支撑点处开门，这点很容易做到，但是常规舱壁开门还需要避开竖桁位置，因此本发明采用的柔性支撑舱壁更有利于舱室布置。

经过实船应用验证，采取上述柔性支撑舱壁结构型式，可以大幅减小舱室围壁的构件尺寸，同时起到缩短顶甲板和底甲板跨度的作用，使得双层甲板和舱壁结构尺寸均大幅降低，提高有效层高和有效舱室面积，大幅减轻结构重量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。