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【摘 要】对吊装常用的板孔式吊耳设计与校核进行了归纳和总结，针对不同区域的船体分段提出标准吊耳形式，并延伸出任意分段的吊耳设计准则。
【关键词】分段吊耳;校核;设计
0.前言
船舶建造中，分段吊耳是普遍应用的基础工艺。随着现代造船模式的推行，及新的涂装规范PSPC的实施，分段吊耳设计越发显得重要。
在设计吊耳前，首先确认分段的重量与重心，了解吊装场地，是否需要翻身，尽可能的布置在强结构的位置，可以减少额外的补强措施；还要控制分段吊耳不能阻碍合拢过程，这就需要合理选择吊耳的样式。按照形状一般分为平吊攀与长吊攀，按照安装方式分为贴装、直装。
在设计吊耳时，每个技术人员都会担心安全是否达标，所以分析其失效形式是必须且首要的步骤。吊耳与船体分段出现的不安全因素，主要以焊接强度不够及板孔撕裂为多。吊耳的强度校核，通常只需要校核吊耳的抗剪或抗挤压强度。图1为单板孔吊耳。图2为板孔式吊耳在受外力作用下孔壁承压应力分布情况。图3为板孔式吊耳板孔强度不够吊耳板被撕裂的主要失效形式示意图。
图1 板孔式吊耳 图2孔壁承压应力分布 图3板孔失效形式
１.设计公式讨论
1.1拉曼公式
在一般情况下，吊耳强度仅校验其剪切强度即可。当有必要时，也可校验其弯曲强度。所以吊装工程中常用拉曼公式来对吊耳板孔进行抗剪强度校验。拉曼公式板孔校核表达式为：?滓＝■·■?燮[f■]式中：k—动载系数，k=1.1~1.2，依据工作条件的复杂困难度选择；?滓—板孔壁承压应力，MPa；P—吊耳板所受外力，N；δ—板孔壁厚度，mm；d—板孔孔径，mm；R—吊耳板外缘有效半径，mm；r—板孔半径，mm；[f■]—吊耳板材料抗剪强度设计值，N/mm■。
1.2 吊耳参数确定
从拉曼公式可以看出，当P、d、?啄一定时，取■适宜的值可最节省材料，显然■>1，令■=1.1，则■=4.583。从理论而言，R=4.583r较为科学，但使用单板孔吊耳，还应考虑卸扣和绳扣连接时必须预留的间隙，显然R值不宜太大，经过多年的设计经验，笔者认为R=3r较适宜。通常设计时，应首先按负荷选定使用的卸扣或受力轴的尺寸，则孔径d=d■+(10:20)mm。因此，吊耳设计时应在R与?啄上进一步做文章。
首先，确定板厚?啄，使根部焊缝的强度与设备本体局部稳定性满足要求。必要时，可延长焊缝长度或增加筋板加以解决。其次，按R=3r 选定R值。再次，采取加补强板的措施增加板孔局部的强度。通常在吊耳孔处焊接单或双面补强板，就是重磅。参见图4。
图4 吊耳板孔的加强 图5 卸扣形式
通过以上措施可以比较合理的利用材料。校核时需按照公式（1）中 ?啄=?啄■+?啄■+?啄■，R=R■来替换，即补强圈的半径。
1.3卸扣的选用
起重卸扣的构造很简单，它是由卸扣本体、横销组成。卸扣本体分为直形和弓形，横销有不自带螺母和带螺母两种，可以组合成4种形式。外形不同造成作用的不同，弓形可以连接多根钢丝绳。吊运大吨位的物件时，选用横销带螺母。
依据所吊物体的吨位选择合适的卸扣，卸扣与分段重量的关系是：t>T/n，t为卸扣的额定载荷，T为分段重量，n为吊点数量。
带螺母弓形卸扣规格，尺寸含义见图5:
2.吊耳板强度计算
2.1 吊耳板材料选择
吊耳板选择材料时，宜选择与母材的材质相同或相近为好。施工现场一般选择A、B等普通材质的材料，且可焊性较好。按《钢结构设计规范》对应的钢材板厚取[f■]值，只要拉曼公式成立，吊耳板的强度可满足要求。 当采用不同钢材时，换算公式为：
吊耳允许负荷 P'=P·■
式中：P——按原钢种计算得出的吊耳允许负荷，kgf
P’——新钢种的换算允许负荷，kgf
σs——原钢种的屈服点，一般即取σs=235N/mm■（24kgf/mm■）
σs’——新钢种的屈服点，N/mm■（kgf/mm■）
2.2 吊耳板焊接与焊缝强度校核
吊耳板焊接应有焊接工艺评定。焊缝应为连续焊，不应有夹渣、气孔、裂纹等缺陷。主受力焊缝应按GB/T 3958-2004进行渗透检测，Ⅰ级合格。焊缝强度按《钢结构设计规范》GB50017-2003选定焊缝的f■■值,并进行校核。焊缝强度计算时，应具体分析。
a.当吊耳受拉伸作用，焊缝不开坡口或小坡口时，属于角焊缝焊接，焊缝强度按下式校核，即：σ■=■?燮?茁■·f■■；式中：σ■—垂直于焊缝方向的应力，MPa；N—焊缝受力， N=kP=1.4P, 其中k=1.4为可变载荷分项系数，N; h■—角焊缝的计算厚度，h■=0.7h■， h■为焊角尺寸，mm； l■—角焊缝的计算长度，取角焊缝实际长度减去2h■，mm； ?茁■—角焊缝的强度设计增大系数，取?茁■=1.0； f■■—角焊缝的强度设计值，N/mm■。
b．当吊耳受拉伸作用，吊耳板采用双面 50±5°坡口满焊时，可按对接焊缝校核，即：σ■=■?燮f■■；式中： k—动载系数，k=1.1； L—焊缝长度，mm；δ—吊耳板焊接处母材板厚，mm； 其他符号意义同上。
c．当焊缝在三向应力状态下受力時，按材料力学第四强度理论校核，即：σ■=■?燮f■■；式中：■—焊缝所受轴向应力，MPa；σ■ —焊缝所受弯曲应力，MPa；?子—焊缝所受剪切应力，MPa。
应当指出，虽然焊缝的强度计算满足要求，但由于吊耳板与设备焊接处产生的焊接应力及连接面较小产生的应力集中，使用吊耳时也不可能在设计的理想状态下受力等原因，可能造成设备局部变形或将母材撕裂等不良后果。因此，应有以下有效安全措施：一是对焊缝进行焊后热处理，以消除焊接应力，特别是当吊耳板的厚度达到规范要求焊后热处理的厚度时，必须进行进行焊后热处理；二是在吊耳板与设备之间焊接连接筋板，增大了焊缝受力面积，同时也加强了局部稳定性。焊缝强度计算时，应在不考虑连接筋板的作用下强度和局部稳定性同时满足要求。
钢材强度和焊缝强度设计表
3.吊耳设计示例
我公司为华西村建造的4500吨段全回转起重船，艉部上筒体的建造方式是翻身建造，为了船坞大合拢需要，设计吊耳不但能让分段移出制造车间，也能方便此分段的翻身。该分段总重量为240吨，翻身采用2只主吊，单个吊耳承重至少为120吨，吊耳布置点应确保分段重心至两点的距离相等，否则会因为力臂不等的缘故，导致重量分配不相等。选择120吨卸扣，卸扣的直径为95mm，取板孔r=110mm，R=330mm，σ0=45mm，σ1=σ2=40 mm，焊缝长度L=680mm。普通A级板的强度设计值，fv=120MPa，fw=160 MPa。
拉曼公式校核吊耳板孔强度：
σ=■×■=119.2MPa 吊耳强度满足要求。
分段翻身时，受力最大时为拉伸状态，按照吊耳受拉伸校核焊缝强度，采用角焊缝与全焊透两种方式比较计算结果。
按角焊缝校核：
σ=■=117.9MPa 按全焊透校核：
σ=■=77MPa 4.结束语
我公司在华西海工项目4500吨全回转起重船的船坞吊装施工中，通过对单板孔吊耳设计计算的规范化，用EXCEL建立了本文所述的力学模型，快速输出数据，用CAD软件将其按1：1比例绘出满足吊装负载能力的吊耳施工图，在较短时间内顺利完成分段总组和翻身的吊耳设计工作，并提交到施工部门，达到了事半功倍的效果。
【参考文献】
［１］主编邱隆宝，主审刘集善.船舶起重工.国防工业出版社.
［２］李景乐,仝西亚,石军宏.板孔式吊耳设计及应用.百度文库.
【关键词】分段吊耳;校核;设计
0.前言
船舶建造中，分段吊耳是普遍应用的基础工艺。随着现代造船模式的推行，及新的涂装规范PSPC的实施，分段吊耳设计越发显得重要。
在设计吊耳前，首先确认分段的重量与重心，了解吊装场地，是否需要翻身，尽可能的布置在强结构的位置，可以减少额外的补强措施；还要控制分段吊耳不能阻碍合拢过程，这就需要合理选择吊耳的样式。按照形状一般分为平吊攀与长吊攀，按照安装方式分为贴装、直装。
在设计吊耳时，每个技术人员都会担心安全是否达标，所以分析其失效形式是必须且首要的步骤。吊耳与船体分段出现的不安全因素，主要以焊接强度不够及板孔撕裂为多。吊耳的强度校核，通常只需要校核吊耳的抗剪或抗挤压强度。图1为单板孔吊耳。图2为板孔式吊耳在受外力作用下孔壁承压应力分布情况。图3为板孔式吊耳板孔强度不够吊耳板被撕裂的主要失效形式示意图。
图1 板孔式吊耳 图2孔壁承压应力分布 图3板孔失效形式
１.设计公式讨论
1.1拉曼公式
在一般情况下，吊耳强度仅校验其剪切强度即可。当有必要时，也可校验其弯曲强度。所以吊装工程中常用拉曼公式来对吊耳板孔进行抗剪强度校验。拉曼公式板孔校核表达式为：?滓＝■·■?燮[f■]式中：k—动载系数，k=1.1~1.2，依据工作条件的复杂困难度选择；?滓—板孔壁承压应力，MPa；P—吊耳板所受外力，N；δ—板孔壁厚度，mm；d—板孔孔径，mm；R—吊耳板外缘有效半径，mm；r—板孔半径，mm；[f■]—吊耳板材料抗剪强度设计值，N/mm■。
1.2 吊耳参数确定
从拉曼公式可以看出，当P、d、?啄一定时，取■适宜的值可最节省材料，显然■>1，令■=1.1，则■=4.583。从理论而言，R=4.583r较为科学，但使用单板孔吊耳，还应考虑卸扣和绳扣连接时必须预留的间隙，显然R值不宜太大，经过多年的设计经验，笔者认为R=3r较适宜。通常设计时，应首先按负荷选定使用的卸扣或受力轴的尺寸，则孔径d=d■+(10:20)mm。因此，吊耳设计时应在R与?啄上进一步做文章。
首先，确定板厚?啄，使根部焊缝的强度与设备本体局部稳定性满足要求。必要时，可延长焊缝长度或增加筋板加以解决。其次，按R=3r 选定R值。再次，采取加补强板的措施增加板孔局部的强度。通常在吊耳孔处焊接单或双面补强板，就是重磅。参见图4。
图4 吊耳板孔的加强 图5 卸扣形式
通过以上措施可以比较合理的利用材料。校核时需按照公式（1）中 ?啄=?啄■+?啄■+?啄■，R=R■来替换，即补强圈的半径。
1.3卸扣的选用
起重卸扣的构造很简单，它是由卸扣本体、横销组成。卸扣本体分为直形和弓形，横销有不自带螺母和带螺母两种，可以组合成4种形式。外形不同造成作用的不同，弓形可以连接多根钢丝绳。吊运大吨位的物件时，选用横销带螺母。
依据所吊物体的吨位选择合适的卸扣，卸扣与分段重量的关系是：t>T/n，t为卸扣的额定载荷，T为分段重量，n为吊点数量。
带螺母弓形卸扣规格，尺寸含义见图5:
2.吊耳板强度计算
2.1 吊耳板材料选择
吊耳板选择材料时，宜选择与母材的材质相同或相近为好。施工现场一般选择A、B等普通材质的材料，且可焊性较好。按《钢结构设计规范》对应的钢材板厚取[f■]值，只要拉曼公式成立，吊耳板的强度可满足要求。 当采用不同钢材时，换算公式为：
吊耳允许负荷 P'=P·■
式中：P——按原钢种计算得出的吊耳允许负荷，kgf
P’——新钢种的换算允许负荷，kgf
σs——原钢种的屈服点，一般即取σs=235N/mm■（24kgf/mm■）
σs’——新钢种的屈服点，N/mm■（kgf/mm■）
2.2 吊耳板焊接与焊缝强度校核
吊耳板焊接应有焊接工艺评定。焊缝应为连续焊，不应有夹渣、气孔、裂纹等缺陷。主受力焊缝应按GB/T 3958-2004进行渗透检测，Ⅰ级合格。焊缝强度按《钢结构设计规范》GB50017-2003选定焊缝的f■■值,并进行校核。焊缝强度计算时，应具体分析。
a.当吊耳受拉伸作用，焊缝不开坡口或小坡口时，属于角焊缝焊接，焊缝强度按下式校核，即：σ■=■?燮?茁■·f■■；式中：σ■—垂直于焊缝方向的应力，MPa；N—焊缝受力， N=kP=1.4P, 其中k=1.4为可变载荷分项系数，N; h■—角焊缝的计算厚度，h■=0.7h■， h■为焊角尺寸，mm； l■—角焊缝的计算长度，取角焊缝实际长度减去2h■，mm； ?茁■—角焊缝的强度设计增大系数，取?茁■=1.0； f■■—角焊缝的强度设计值，N/mm■。
b．当吊耳受拉伸作用，吊耳板采用双面 50±5°坡口满焊时，可按对接焊缝校核，即：σ■=■?燮f■■；式中： k—动载系数，k=1.1； L—焊缝长度，mm；δ—吊耳板焊接处母材板厚，mm； 其他符号意义同上。
c．当焊缝在三向应力状态下受力時，按材料力学第四强度理论校核，即：σ■=■?燮f■■；式中：■—焊缝所受轴向应力，MPa；σ■ —焊缝所受弯曲应力，MPa；?子—焊缝所受剪切应力，MPa。
应当指出，虽然焊缝的强度计算满足要求，但由于吊耳板与设备焊接处产生的焊接应力及连接面较小产生的应力集中，使用吊耳时也不可能在设计的理想状态下受力等原因，可能造成设备局部变形或将母材撕裂等不良后果。因此，应有以下有效安全措施：一是对焊缝进行焊后热处理，以消除焊接应力，特别是当吊耳板的厚度达到规范要求焊后热处理的厚度时，必须进行进行焊后热处理；二是在吊耳板与设备之间焊接连接筋板，增大了焊缝受力面积，同时也加强了局部稳定性。焊缝强度计算时，应在不考虑连接筋板的作用下强度和局部稳定性同时满足要求。
钢材强度和焊缝强度设计表
3.吊耳设计示例
我公司为华西村建造的4500吨段全回转起重船，艉部上筒体的建造方式是翻身建造，为了船坞大合拢需要，设计吊耳不但能让分段移出制造车间，也能方便此分段的翻身。该分段总重量为240吨，翻身采用2只主吊，单个吊耳承重至少为120吨，吊耳布置点应确保分段重心至两点的距离相等，否则会因为力臂不等的缘故，导致重量分配不相等。选择120吨卸扣，卸扣的直径为95mm，取板孔r=110mm，R=330mm，σ0=45mm，σ1=σ2=40 mm，焊缝长度L=680mm。普通A级板的强度设计值，fv=120MPa，fw=160 MPa。
拉曼公式校核吊耳板孔强度：
σ=■×■=119.2MPa
分段翻身时，受力最大时为拉伸状态，按照吊耳受拉伸校核焊缝强度，采用角焊缝与全焊透两种方式比较计算结果。
按角焊缝校核：
σ=■=117.9MPa
σ=■=77MPa
我公司在华西海工项目4500吨全回转起重船的船坞吊装施工中，通过对单板孔吊耳设计计算的规范化，用EXCEL建立了本文所述的力学模型，快速输出数据，用CAD软件将其按1：1比例绘出满足吊装负载能力的吊耳施工图，在较短时间内顺利完成分段总组和翻身的吊耳设计工作，并提交到施工部门，达到了事半功倍的效果。
【参考文献】
［１］主编邱隆宝，主审刘集善.船舶起重工.国防工业出版社.
［２］李景乐,仝西亚,石军宏.板孔式吊耳设计及应用.百度文库.