CN106926972B - 一种无支柱甲板板架的设计方法 - Google Patents
一种无支柱甲板板架的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无支柱甲板板架的设计方法，具体步骤如下：判断待设计的板架是否满足本设计方法的条件；确定板架主向梁间距s和交叉梁间距S；求解计及两向梁相互支持影响的最大交叉梁长度Lm；采用板架载荷分配原则计算主向梁剖面模数W0；按照主向梁承受全部载荷计算主向梁剖面模数W1；比较板架交叉梁长度L与Lm的大小，确定设计方法。本发明提供了一种通用的设计方法，能够方便快捷的指导两舷无钢制围壁的大型无支柱甲板板架的设计工作；设计方法简单明了，对设计者的理论水平以及设计经验要求很低；设计效率高，大大降低设计成本，缩短设计时间；经大量实例验证，按此方法设计的结构其强度均能满足规范要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种设计方法，具体是一种无支柱甲板板架的设计方法。
背景技术
随着国家经济的不断发展，内河旅游业也愈加繁荣。为了抢占市场并提高旗下旅游船的竞争力，各大客轮公司新建的旅游船上都出现了大量的无支柱甲板板架。特别是，为了满足室内观景的需求，各大型多功能观景厅的左右两舷采用支柱加玻璃幕墙结构。整个甲板板架仅靠舱室前后端壁以及两舷的支柱支撑。
通常情况下，内河船舶无支柱板架的设计是按照《内河钢制船舶建造规范》第1篇第2章第10节的要求进行设计的。但是规范要求每根强横梁和纵桁的两端都必须设计支柱，并对支柱的剖面模数提出了要求。实际情况下，为了增大观景的舒适性，大型多功能观景厅的两舷支柱都是间隔一个或者几个强横梁设置一根支柱。难以保证按照规范设计的支柱的强度。由于两舷只有支柱，没有钢制围壁，板架两舷支座应为自由支持。对于此类板架是否还能按照《内河钢制船舶建造规范》进行设计，其没有给出明确说明。
同时，经过对几个大型无支柱甲板板板架的计算分析发现，按照《内河钢制船舶建造规范》设计的甲板板架，特别是上层建筑甲板板架，其刚度远远不能满足结构设计的要求。
当前，对于规范不适用的结构，其设计步骤一般分为两步：1，通过近似计算方法或者规范估算选取构件规格；2，采用有限元分析法对结构进行强度校核。但是，构件规格的初步选取是比较随意的且与设计者的经验以及理论水平有关。所选取的构件规格往往离理想的结果相差甚远，需经过多次修改才能得到满意的结果。
对于两舷无钢制围壁的大型无支柱甲板板架的设计，《内河钢制船舶建造规范》已经不适用。如果能够找到一种合适的初选规格方法或者通用的设计方法，将会大大提高此类甲板板架的设计效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大大降低设计成本、缩短设计时间的无支柱甲板板架的设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无支柱甲板板架的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)判断待设计的板架是否满足本设计方法的条件；
(2)确定板架主向梁间距s和交叉梁间距S；所述主向梁间距s和交叉梁间距S均为1.8-2.5m；
(3)求解计及两向梁相互支持影响的最大交叉梁长度Lm；
Lm≤(50sl3)0.25 (式1)
其中s-主向梁间距，m；l-主向梁长度，m；
(4)采用板架载荷分配原则计算主向梁剖面模数W0；按照板架载荷分配假设：
其中a为板格短边长度，b为板格长边长度，Qa为板格短边边界上的载荷，Qb为板格长边边界上的载荷；
式中：Q0为载荷分配后的总载荷，M0为最大弯矩；
(5)按照主向梁承受全部载荷计算主向梁剖面模数W1；
式中：Q1为主向梁承受总载荷，M1为最大弯矩；
(6)比较板架交叉梁长度L与最大交叉梁长度Lm的大小，确定设计方法；
当L≤Lm时，主向梁剖面模数按线型差值法求得；当L＝l，W＝W0；当L＝Lm，W＝W1；交叉梁按主向梁规格选取；
当L>Lm时，取主向梁剖面模数W>W1；求解箱型主向梁剖面模数Wx及数量n；
剖面模数Wx＝α0.5W1 (式10)；
n往大取整；选取交叉梁中点处强横梁作为箱型主向梁；交叉梁端部0.2L区域规格等同箱型主向梁规格，实际长度延伸至最近的一根主向梁位置；
(7)支柱规格选取：计算主支柱支撑宽度内的总压力Q：
Q＝9.81hla (式11)；
式中h为甲板计算压头高度，m；l为主向梁长度，m；a-主支柱间距，m；
按两端刚性固定单跨梁计算主支柱支撑梁的总剖面模数W2：
计算主支柱剖面模数W3：
W3＝0.6W2 (式14)；
计算短支柱剖面模数W4：
式中l0为短支柱长度，m；
(8)其它构件按《钢制内河船舶建造规范》计算选取。
作为本发明进一步的方案：所述步骤(1)中本设计方法的适用条件包括：所述板架为内河船上层建筑甲板板架；板架交叉梁长度L与主向梁长度l的关系为：l≤L≤2.5l；板架交叉梁两端至少向两相邻舱室延伸一个强框架，达到刚性固定要求；主向梁两端无相邻舱室，即主向梁两端为自由支持。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤(8)的构件在取值时，其腹板高度大于腹板厚度的32倍，并满足《钢制内河船舶建造规范》的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种通用的设计方法，能够方便快捷的指导两舷无钢制围壁的大型无支柱甲板板架的设计工作；设计方法简单明了，对设计者的理论水平以及设计经验要求很低；设计效率高，大大降低设计成本，缩短设计时间；经大量实例验证，按此方法设计的结构可靠性高。
附图说明
图1为本发明中板格载荷分配假设示意图。
图2为本发明实施例1中主向梁压力力学模型示意图。
图3为本发明实施例1中甲板平面示意图。
图4为图3的A-A剖面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-3，一种无支柱甲板板架的设计方法，具体步骤如下：
(1)判断待设计的板架是否满足本设计方法的条件；
(2)确定板架主向梁间距s和交叉梁间距S；所述主向梁间距s和交叉梁间距S均为1.8-2.5m；
《钢制内河船舶建造规范》(2016)要求，甲板纵桁间距一般应不大于2.5m，甲板强横梁间距应不大于2.5m；无支柱板架的主向梁和交叉梁间距尽量相等；建议强横梁间距s≈2.0m，甲板纵桁间距S≈2.0m。
(3)求解计及两向梁相互支持影响的最大交叉梁长度Lm；
Lm≤(50sl3)0.25 (式1)
其中s-主向梁间距，m；l-主向梁长度，m；
(4)采用板架载荷分配原则(不考虑支反力)计算主向梁剖面模数W0(自由支持)；按照板架载荷分配假设：
其中a为板格短边长度，b为板格长边长度，Qa为板格短边边界上的载荷，Qb为板格长边边界上的载荷；
式中：Q0为载荷分配后的总载荷，M0为最大弯矩；
(5)按照主向梁承受全部载荷计算主向梁剖面模数W1(自由支持)；
式中：Q1为主向梁承受总载荷，M1为最大弯矩；
(6)比较板架交叉梁长度L与最大交叉梁长度Lm的大小，确定设计方法；
当L≤Lm时，主向梁剖面模数按线型差值法求得；当L＝l，W＝W0；当L＝Lm，W＝W1；交叉梁按主向梁规格选取；
当L>Lm时，取主向梁剖面模数W>W1；求解箱型主向梁剖面模数Wx及数量n。
剖面模数Wx＝α0.5W1 (式10)；
n往大取整，例2.11，取3；选取交叉梁中点处强横梁作为箱型主向梁；交叉梁端部0.2L区域规格等同箱型主向梁规格，实际长度延伸至最近的一根主向梁位置；
(7)支柱规格选取：无支柱甲板板架一般都设置在旅游船上，对于设有玻璃幕墙的观光旅游船，其支柱间距较大；一般不会在每根强横梁下都设有完整的主支柱，而是通过短支柱与横向支柱将力传递至相邻的主支柱上；
计算主支柱支撑宽度内的总压力Q：
Q＝9.81hla (式11)；
式中h为甲板计算压头高度，m；l为主向梁长度，m；a-主支柱间距，m；
按两端刚性固定单跨梁计算主支柱支撑梁的总剖面模数W2：
计算主支柱剖面模数W3：
W3＝0.6W2 (式14)；
注：主支柱高度默认为3.5m(内河船层高一般不大于3.5m)，设计板架的主支柱长度小于3.5m时，其规格等同设计规格；设计板架的主支柱长度大于3.5m时，其规格需等比增大。
计算短支柱(如果存在时)剖面模数W4：
式中l0为短支柱长度，m；
(8)其它构件按《钢制内河船舶建造规范》计算选取。
所述步骤(1)中本设计方法的适用条件包括：所述板架为内河船上层建筑甲板板架；板架交叉梁长度L与主向梁长度l的关系为：l≤L≤2.5l；板架交叉梁两端至少向两相邻舱室延伸一个强框架，达到刚性固定要求；主向梁两端无相邻舱室，即主向梁两端为自由支持。
为了降低构件的重量且提高整个板架的刚度，所述构件在取值时，其腹板高度大于腹板厚度的32倍，并满足《钢制内河船舶建造规范》的要求。
实施例1
内河旅游船上建无支柱甲板板架，甲板1的两侧设置玻璃幕墙2，甲板1的前侧和后侧分别为前端壁3和后端壁4，所述玻璃幕墙2、前端壁3和后端壁4部位均设置有主支柱5，所述甲板1的上方设置有左右方向的主向梁6，主向梁之间设置有普通横梁7，所述甲板1的上方设置有前后方向的交叉梁8，所述主支柱5之间还设置有横向支柱9，横向支柱9与围壁扶墙材10之间还设置有短支柱11。
内河旅游船上建无支柱甲板板架，适用本设计方法，结构图见附图，主向梁间距s＝1.5m，主向梁长度l＝15m，交叉梁间距S＝2.5m。交叉梁长度L＝19.5m。
按下式计算Lm：Lm≤(50sl3)0.25；
则Lm＝22.43m。
计算主向梁6的剖面模数W1：
Q＝15×1.5×0.35×9.81＝77.25KN；
M＝Ql/8＝77.25×15/8＝144.84KN·m；
W1＝M/128＝1131.6cm3；
比较L与Lm大小，选择设计方法；
L＝19.5<Lm，求解主向梁6的剖面模数W0；
按照板架载荷分配假设计算主向梁6的剖面模数，不计及交叉梁8对主向梁6的支反力，步骤如下：
板格短边压力为：Q＝pa2/4；
板格长边压力为：Q＝pab/2-pa2/4；b为交叉梁间距，a为主向梁间距。
则主向梁6的压力Q＝9.81×0.35×2×2×0.75×1.5×(2×2.5-1.5)＝54.08KN。
M＝Ql/8＝54.08×15/8＝101.4KN·m；
W0＝M/128＝792cm3；
按照线性插值求解主向梁6的剖面模数：强横梁剖面模数计算：
L＝l＝15m，W0＝792cm3；L＝Lm＝22.43m，W1＝1131.6cm3。
线性插值求解L＝19.5m时的剖面模数W＝997.7cm3.
则选取强横梁规格为：(带板-4×1500)，其W＝1051cm3，满足要求。
其腹板高度与腹板厚度的比值为：400/12＝33>32。
甲板纵桁规格选取：
规格同强横梁：
支柱选取：支柱高度为3.5m；
支柱间距为a＝3.0m，即每根支柱支撑两根强横梁，将支柱支撑所有强横梁视为一根梁按下述方法计算：
按照两端刚性固定单跨梁计算支柱支撑强横梁的剖面模数W2：
Q＝15×3.0×0.35×9.81＝154.5KN；
M＝Ql/24＝154.5×12.2/24＝96.6KN·m；
W2＝M/128＝754cm3；
则支柱剖面模数W3＝0.6W2＝570×0.6＝453cm3；
实取主支柱5的方管240x120x10；W＝465cm3。
强横梁下短支柱11的支柱长度为0.65m，其W＝0.65W3/3.5＝84.1cm3；
实取短支柱11及主支柱5间横向支柱9的方管120x70x7；W＝89cm3。
其它构件按照《钢制内河船舶建造规范》(2016)设计选取；按照《钢制内河船舶建造规范》(2016)对结构进行有限元分析得出：
甲板构件最大挠度：32.2mm<l/400＝37.5mm，满足。
本发明提供了一种通用的设计方法，能够方便快捷的指导两舷无钢制围壁的大型无支柱甲板板架的设计工作；设计方法简单明了，对设计者的理论水平以及设计经验要求很低；设计效率高，大大降低设计成本，缩短设计时间；经大量实例验证，按此方法设计的结构可靠性高。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种无支柱甲板板架的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)判断待设计的板架是否满足本设计方法的条件；
本设计方法的适用条件包括：所述板架为内河船上层建筑甲板板架；板架交叉梁长度L与主向梁长度l的关系为：l≤L≤2.5l；板架交叉梁两端至少向两相邻舱室延伸一个强框架，达到刚性固定要求；主向梁两端无相邻舱室，即主向梁两端为自由支持；
(2)确定板架主向梁间距s和交叉梁间距S；所述主向梁间距s和交叉梁间距S均为1.8-2.5m；
(3)求解计及两向梁相互支持影响的最大交叉梁长度Lm；
Lm≤(50sl3)0.25 (式1)
其中s-主向梁间距，m；l-主向梁长度，m；
(4)采用板架载荷分配原则计算主向梁剖面模数W0；按照板架载荷分配假设：
其中a为板格短边长度，b为板格长边长度，Qa为板格短边边界上的载荷，Qb为板格长边边界上的载荷；
式中：Q0为载荷分配后的总载荷，M0为最大弯矩；
(5)按照主向梁承受全部载荷计算主向梁剖面模数W1；
式中：Q1为主向梁承受总载荷，M1为最大弯矩；
(6)比较板架交叉梁长度L与最大交叉梁长度Lm的大小，确定设计方法；
当L≤Lm时，主向梁剖面模数按线型差值法求得；当L＝l，W＝W0；当L＝Lm，W＝W1；交叉梁按主向梁规格选取；
当L>Lm时，取主向梁剖面模数W>W1；求解箱型主向梁剖面模数Wx及数量n；
数量
系数
剖面模数Wx＝α0.5W1 (式10)；
n往大取整；选取交叉梁中点处强横梁作为箱型主向梁；交叉梁端部0.2L区域规格等同箱型主向梁规格，实际长度延伸至最近的一根主向梁位置；
(7)支柱规格选取：计算主支柱支撑宽度内的总压力Q：
Q＝9.81hla (式11)；
式中h为甲板计算压头高度，m；l为主向梁长度，m；a-主支柱间距，m；
按两端刚性固定单跨梁计算主支柱支撑梁的总剖面模数W2：
计算主支柱剖面模数W3：
W3＝0.6W2 (式14)；
计算短支柱剖面模数W4：
式中l0为短支柱长度，m；
(8)其它构件按《钢制内河船舶建造规范》计算选取。
2.根据权利要求1所述的无支柱甲板板架的设计方法，其特征在于，所述步骤(8)的构件在取值时，其腹板高度大于腹板厚度的32倍，并满足《钢制内河船舶建造规范》的要求。
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