用于沉船打捞的托底钢梁设计
段明昕 陈世海 马骏 汪有军
摘要：在举世瞩目的“世越”号沉船打捞工程中，交通运输部上海打捞局创造性地应用了托底钢梁打捞方法。该方法是将一组托底钢梁垫在沉船之下，打捞时起吊力作用于托底钢梁而非直接作用于沉船上。因此，该方法对沉船船体结构破坏较小，能够实现业主方提出的整体打捞并尽量避免船体破坏的要求。该文对“世越”号打捞工程托底钢梁的设计过程进行了总结，并应用大型通用有限元软件ANSYS对托底钢梁结构和沉船结构强度进行了计算分析，为以后打捞工程中应用类似打捞方法提供了一定的借鉴作用。
关键词：沉船打捞 托底钢梁 设计 结构强度 ANSYS
0 引 言
2014年4月16日，“世越”号客轮在韩国西南部海域沉没，举世震惊。该船是一艘载有476人的客轮。该沉船事故共造成304人遇难，142人受伤，并有9人失踪。
2015年5月22日至6月22日，韩国海洋水产部对“世越”号客轮进行国际公开招标。
韩国海洋水产部要求中标单位对沉船实施整体打捞，且打捞过程中维持沉船左倾状态不变，不能将沉船扳正。上海打捞局最终凭借技术部门提交的一种人性化打捞方案一举中标。该方案是将一组托底钢梁垫在沉船左舷之下，在起吊过程中，起吊拉力作用于钢梁两端眼板的销轴上，托底钢梁则拖住整个船体的重量。由于托底钢梁与沉船船体接触面积较大，且起吊力不是直接作用在沉船船体之上，因此该打捞方案对沉船船体结构破坏较小，最终成功实现了对沉船的整体打捞。
本文对托底钢梁的设计过程进行了总结，对托底钢梁和沉船结构强度进行了计算分析。
1 托底钢梁设计要求
托底钢梁的设计需要满足打捞过程中的相关使用要求。这些要求是由沉船的主尺度、船舶重量等参数和沉船起浮方案共同决定的。
1.1 沉船主要参数
“世越”号沉船船体总长145.61m，垂线间长132m，船宽22m，型深14m（加上上层建筑船舶主体总高度为26.75m）。沉船空船重量为6 113吨，载重量3 794吨，总重量9 907吨。
1.2 沉船起浮方案描述
整个沉船打捞的起吊过程大致可以分为以下几个步骤：1.两艘抬浮驳在沉船两侧水面上抛锚就位，每艘驳船上各有一系列钢绞线系统。钢绞线系统将沉船缓缓提升至沉船右舷离开水面13.5m左右。2.在抬浮沉船过程中，半潜驳预先在沉船位置附近压载下潜至吃水26m处待命。3.抬浮驳与沉船带好缆，并将沉船移船至半潜驳处，并与半潜驳带缆，随后将沉船船体调整至半潜驳甲板以上的预定设计位置。4.半潜驳排掉压载水，缓慢起浮至与托底钢梁下底面接触。5.半潜驳继续排载至满足拖航吃水要求。
1.3 托底钢梁设计要求
根据沉船起浮方案描述，打捞工程中，整个沉船船体最多出水13.5m左右，此时沉船还有一定的内浮力以及船体结构自身的浮力。再考虑到沉船重量，以及沉船主尺度和托底钢梁穿过沉船左舷的实际施工难度，对托底钢梁的技术要求总结如表1-1所示：
1.4 托底钢梁结构和焊接工艺要求
对托底钢梁的结构和焊接工艺要求为：
1.托底钢梁为箱型结构，宽度1.8m，高度0.9m，长度27m，设置4道腹板和若干横隔板以避免屈曲。2.根据沉船型线，大部分托底刚梁上需要设置支墩，支墩面板需要根据船体型线放样。3.焊接要保证全焊透。由于该梁用于水下打捞，而且钢梁内部具有多个隔舱，要保证这些隔舱的水密性，需要进行气密性测试。4.所有焊缝需要做探伤检测。
2 典型托底钢梁设计图纸和结构校核
2.1 典型托底钢梁设计图
其中一组典型托底钢梁和连接件结构如图2-1所示。
2.2 托底钢梁强度校核
对其中一根托底钢梁进行结构强度校核。采用大型通用有限元软件ANSYS 16.0对托底钢梁进行建模计算。板材采用的是Shell63单元，加强筋采用的是Beam188单元。在托底钢梁与船体接触两端施加简支约束，在该托底钢梁两端眼板上分別施加125*1.3=162.5T，以及207*1.3=269.1T的载荷。上式中1.3是安全系数。托底钢梁有限元模型和约束、载荷条件如图2-3所示。
另外，由于托底钢梁是密闭的，因此还需要在托底钢梁面板上施加10米水压。如图2-4所示。
最终托底钢梁的板材Shell单元和加强筋的beam单元Von Mises应力分布云图分别如图2-5和图2-6所示。托底钢梁的板材shell单元最大Von Mises应力为296MPa，加强筋的beam单元最大Von Mises应力为134MPa。根据挪威船级社DNV海工操作规范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系数取1.15，则Q345钢材的许用应力为345/1.15=300MPa，Q235钢材的许用应力为235/1.15=204MPa。该托底钢梁的板材shell单元和加强筋beam单元的最大Von Mises应力均小于各自材料许用应力，因此，托底钢梁的结构强度是满足要求的。
2.3 托底钢梁整体屈曲校核
根据中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》，对于横截面如图2-7所示的箱型结构
当
h/b0<=6 （1）
且
（2）
则认为结构整体不会发生屈曲，不需要进行屈曲校核。本文中的托底钢梁横截面请参见图2，可以认为本文中的托底钢梁是3个27米长的箱型结构组装在一起，则每个箱型结构的宽度为0.6米（1.8/3），另外托底钢梁高度为0.9米。
根据图2-7，h为箱型结构横截面高度；b0为箱型结构横截面宽度；另外l1为箱型结构长度，本文中托底钢梁取27米（为保守起见，本文并不考虑托底钢梁中间横隔板的作用）；fy为结构屈服强度，本文托底钢梁为345MPa。
将本文的托底钢梁参数代入（1）式和（2）式中，则有：
h/b0=0.9/0.6=1.5<6
l1/ b0=27/0.6=45<95*（235/345）=64.7
根据以上计算，本文的托底钢梁整体结构满足规范规定的不需要进行屈曲分析的箱型结构要求。
3 起吊过程中沉船船体结构校核
在沉船起吊过程中，托底钢梁作为沉船船体的承载结构对沉船船体施加载荷。该章节对起吊过程中沉船船体结构进行了有限元建模受力分析计算。
沉船船体有限元模型板材采用Shell181单元，骨材采用Beam188单元，柱子采用link180单元。在沉船船体艏艉两端三个方向用弹簧单元相连接，在弹簧单元远端施加简支约束。在沉船船体与托底钢梁接触的地方施加吊力通过托底钢梁转移给沉船船体的载荷，并且通过重力场施加沉船船体重力载荷。分别如图2-8和图2-9所示。
最终沉船船体的Von Mises应力分布云图如图2-10所示。沉船船体有限元模型最大Von Mises应力为189.17MPa。根据挪威船级社DNV海工操作规范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系数取1.15，沉船结构主要材料是Q235钢材，则沉船船体材料许用应力为204MPa。沉船船体有限元模型最大Von Mises应力小于其材料许用应力，因此在起吊过程中，沉船船体结构强度是满足要求的，船体结构不会遭到破坏。
4 结束语
沉船打捞是一项复杂的系统工程，并且每个打捞工程都有自身的特点和技术难点。本文提供的用于“世越”号沉船打撈的托底钢梁设计，从业主方的要求和沉船实际情况出发，按照施工要求完成了对托底钢梁从无到有的设计过程，并对托底钢梁和沉船船体进行了结构校核。
未来很有可能有类似的打捞工程需要应用跟托底钢梁相类似的起吊结构，或者需要根据沉船自身特点设计新的打捞工具结构，对于这些打捞工程本文都具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家标准. GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].
[2] 挪威船级社. Marine Operations， Design and Fabrication[S]. 2012.
[3] 中国船级社. 材料与焊接规范[S]. 2015.
[4] 吴建成，孙树民.“南海1号”古沉船整体打捞方案[J]. 广东造船，2004（3）：69-72.
[5] 姚根福. 海上救助与打捞[M]. 大连：大连海运学院出版社，1994.
[6] 王湜，李洪斌，荣维栋. 基于ANSYS的船舶起重机可靠性分析[J]. 机电设备，2015（2）：7-11.
[7] 孙树民. 钢质沉船打捞方法综述[J]. 广东造船，2006（1）：22-27.
[8] 中华人民共和国交通行业标准. JT/T 39-1993，浮筒打捞沉船技术要求[S].
[9] 饶森，唐柳伦，施涛. 国内首艘抬浮力打捞船结构强度分析[J]. 船舶与海洋工程， 2015，31（2）：31-36.
摘要：在举世瞩目的“世越”号沉船打捞工程中，交通运输部上海打捞局创造性地应用了托底钢梁打捞方法。该方法是将一组托底钢梁垫在沉船之下，打捞时起吊力作用于托底钢梁而非直接作用于沉船上。因此，该方法对沉船船体结构破坏较小，能够实现业主方提出的整体打捞并尽量避免船体破坏的要求。该文对“世越”号打捞工程托底钢梁的设计过程进行了总结，并应用大型通用有限元软件ANSYS对托底钢梁结构和沉船结构强度进行了计算分析，为以后打捞工程中应用类似打捞方法提供了一定的借鉴作用。
关键词：沉船打捞 托底钢梁 设计 结构强度 ANSYS
0 引 言
2014年4月16日，“世越”号客轮在韩国西南部海域沉没，举世震惊。该船是一艘载有476人的客轮。该沉船事故共造成304人遇难，142人受伤，并有9人失踪。
2015年5月22日至6月22日，韩国海洋水产部对“世越”号客轮进行国际公开招标。
韩国海洋水产部要求中标单位对沉船实施整体打捞，且打捞过程中维持沉船左倾状态不变，不能将沉船扳正。上海打捞局最终凭借技术部门提交的一种人性化打捞方案一举中标。该方案是将一组托底钢梁垫在沉船左舷之下，在起吊过程中，起吊拉力作用于钢梁两端眼板的销轴上，托底钢梁则拖住整个船体的重量。由于托底钢梁与沉船船体接触面积较大，且起吊力不是直接作用在沉船船体之上，因此该打捞方案对沉船船体结构破坏较小，最终成功实现了对沉船的整体打捞。
本文对托底钢梁的设计过程进行了总结，对托底钢梁和沉船结构强度进行了计算分析。
1 托底钢梁设计要求
托底钢梁的设计需要满足打捞过程中的相关使用要求。这些要求是由沉船的主尺度、船舶重量等参数和沉船起浮方案共同决定的。
1.1 沉船主要参数
“世越”号沉船船体总长145.61m，垂线间长132m，船宽22m，型深14m（加上上层建筑船舶主体总高度为26.75m）。沉船空船重量为6 113吨，载重量3 794吨，总重量9 907吨。
1.2 沉船起浮方案描述
整个沉船打捞的起吊过程大致可以分为以下几个步骤：1.两艘抬浮驳在沉船两侧水面上抛锚就位，每艘驳船上各有一系列钢绞线系统。钢绞线系统将沉船缓缓提升至沉船右舷离开水面13.5m左右。2.在抬浮沉船过程中，半潜驳预先在沉船位置附近压载下潜至吃水26m处待命。3.抬浮驳与沉船带好缆，并将沉船移船至半潜驳处，并与半潜驳带缆，随后将沉船船体调整至半潜驳甲板以上的预定设计位置。4.半潜驳排掉压载水，缓慢起浮至与托底钢梁下底面接触。5.半潜驳继续排载至满足拖航吃水要求。
1.3 托底钢梁设计要求
根据沉船起浮方案描述，打捞工程中，整个沉船船体最多出水13.5m左右，此时沉船还有一定的内浮力以及船体结构自身的浮力。再考虑到沉船重量，以及沉船主尺度和托底钢梁穿过沉船左舷的实际施工难度，对托底钢梁的技术要求总结如表1-1所示：
1.4 托底钢梁结构和焊接工艺要求
对托底钢梁的结构和焊接工艺要求为：
1.托底钢梁为箱型结构，宽度1.8m，高度0.9m，长度27m，设置4道腹板和若干横隔板以避免屈曲。2.根据沉船型线，大部分托底刚梁上需要设置支墩，支墩面板需要根据船体型线放样。3.焊接要保证全焊透。由于该梁用于水下打捞，而且钢梁内部具有多个隔舱，要保证这些隔舱的水密性，需要进行气密性测试。4.所有焊缝需要做探伤检测。
2 典型托底钢梁设计图纸和结构校核
2.1 典型托底钢梁设计图
其中一组典型托底钢梁和连接件结构如图2-1所示。
2.2 托底钢梁强度校核
对其中一根托底钢梁进行结构强度校核。采用大型通用有限元软件ANSYS 16.0对托底钢梁进行建模计算。板材采用的是Shell63单元，加强筋采用的是Beam188单元。在托底钢梁与船体接触两端施加简支约束，在该托底钢梁两端眼板上分別施加125*1.3=162.5T，以及207*1.3=269.1T的载荷。上式中1.3是安全系数。托底钢梁有限元模型和约束、载荷条件如图2-3所示。
另外，由于托底钢梁是密闭的，因此还需要在托底钢梁面板上施加10米水压。如图2-4所示。
最终托底钢梁的板材Shell单元和加强筋的beam单元Von Mises应力分布云图分别如图2-5和图2-6所示。托底钢梁的板材shell单元最大Von Mises应力为296MPa，加强筋的beam单元最大Von Mises应力为134MPa。根据挪威船级社DNV海工操作规范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系数取1.15，则Q345钢材的许用应力为345/1.15=300MPa，Q235钢材的许用应力为235/1.15=204MPa。该托底钢梁的板材shell单元和加强筋beam单元的最大Von Mises应力均小于各自材料许用应力，因此，托底钢梁的结构强度是满足要求的。
2.3 托底钢梁整体屈曲校核
根据中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》，对于横截面如图2-7所示的箱型结构
当
h/b0<=6 （1）
且
（2）
则认为结构整体不会发生屈曲，不需要进行屈曲校核。本文中的托底钢梁横截面请参见图2，可以认为本文中的托底钢梁是3个27米长的箱型结构组装在一起，则每个箱型结构的宽度为0.6米（1.8/3），另外托底钢梁高度为0.9米。
根据图2-7，h为箱型结构横截面高度；b0为箱型结构横截面宽度；另外l1为箱型结构长度，本文中托底钢梁取27米（为保守起见，本文并不考虑托底钢梁中间横隔板的作用）；fy为结构屈服强度，本文托底钢梁为345MPa。
将本文的托底钢梁参数代入（1）式和（2）式中，则有：
h/b0=0.9/0.6=1.5<6
l1/ b0=27/0.6=45<95*（235/345）=64.7
根据以上计算，本文的托底钢梁整体结构满足规范规定的不需要进行屈曲分析的箱型结构要求。
3 起吊过程中沉船船体结构校核
在沉船起吊过程中，托底钢梁作为沉船船体的承载结构对沉船船体施加载荷。该章节对起吊过程中沉船船体结构进行了有限元建模受力分析计算。
沉船船体有限元模型板材采用Shell181单元，骨材采用Beam188单元，柱子采用link180单元。在沉船船体艏艉两端三个方向用弹簧单元相连接，在弹簧单元远端施加简支约束。在沉船船体与托底钢梁接触的地方施加吊力通过托底钢梁转移给沉船船体的载荷，并且通过重力场施加沉船船体重力载荷。分别如图2-8和图2-9所示。
最终沉船船体的Von Mises应力分布云图如图2-10所示。沉船船体有限元模型最大Von Mises应力为189.17MPa。根据挪威船级社DNV海工操作规范——Marine Operations， Design and Fabrication，材料系数取1.15，沉船结构主要材料是Q235钢材，则沉船船体材料许用应力为204MPa。沉船船体有限元模型最大Von Mises应力小于其材料许用应力，因此在起吊过程中，沉船船体结构强度是满足要求的，船体结构不会遭到破坏。
4 结束语
沉船打捞是一项复杂的系统工程，并且每个打捞工程都有自身的特点和技术难点。本文提供的用于“世越”号沉船打撈的托底钢梁设计，从业主方的要求和沉船实际情况出发，按照施工要求完成了对托底钢梁从无到有的设计过程，并对托底钢梁和沉船船体进行了结构校核。
未来很有可能有类似的打捞工程需要应用跟托底钢梁相类似的起吊结构，或者需要根据沉船自身特点设计新的打捞工具结构，对于这些打捞工程本文都具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家标准. GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].
[2] 挪威船级社. Marine Operations， Design and Fabrication[S]. 2012.
[3] 中国船级社. 材料与焊接规范[S]. 2015.
[4] 吴建成，孙树民.“南海1号”古沉船整体打捞方案[J]. 广东造船，2004（3）：69-72.
[5] 姚根福. 海上救助与打捞[M]. 大连：大连海运学院出版社，1994.
[6] 王湜，李洪斌，荣维栋. 基于ANSYS的船舶起重机可靠性分析[J]. 机电设备，2015（2）：7-11.
[7] 孙树民. 钢质沉船打捞方法综述[J]. 广东造船，2006（1）：22-27.
[8] 中华人民共和国交通行业标准. JT/T 39-1993，浮筒打捞沉船技术要求[S].
[9] 饶森，唐柳伦，施涛. 国内首艘抬浮力打捞船结构强度分析[J]. 船舶与海洋工程， 2015，31（2）：31-36.
