郭靜+白響恩+吳善剛

集裝箱船舶在航行過(guò)程中受風(fēng)、浪、流等作用的影響產(chǎn)生首尾搖、橫搖、縱搖、垂蕩等運(yùn)動(dòng)，不利于集裝箱貨物運(yùn)輸安全，尤其是密度和質(zhì)量較大的重件貨物（如卷鋼等），在船舶搖蕩過(guò)程中不僅容易移位，而且可能破壞集裝箱，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。[1]本文應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理分析并比較不同情況下集裝箱骨架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出集裝箱內(nèi)重件貨物固定方法優(yōu)化建議。文中采用彎矩和剪力判定集裝箱骨架受力情況，其中，彎矩為使桿件發(fā)生彎曲變形甚至折斷的矢量，剪力為使桿件發(fā)生剪切破斷的矢量。

1集裝箱結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

1.1力學(xué)模型

集裝箱骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示。將集裝箱的角柱、頂梁等主要部件單獨(dú)提取出來(lái)，每個(gè)部件的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩端固結(jié)的3次超靜定結(jié)構(gòu)。

圖1集裝箱骨架結(jié)構(gòu)

1.2基本情況力學(xué)分析

將支架或貨物的著力點(diǎn)置于頂梁或角柱中間，其受力模型如圖2所示。以下設(shè)該力的大小為F，梁的長(zhǎng)度為l。

圖2單個(gè)力作用于梁中部的受力模型

對(duì)該情況應(yīng)用力法進(jìn)行分析。該結(jié)構(gòu)為3次超靜定結(jié)構(gòu)，去掉多余聯(lián)系，其基本體系如圖3所示。

圖3單個(gè)力作用于梁中部的基本體系

對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：若X3不為0，則該體系無(wú)法處于平衡狀態(tài)；因此，X3＝0，該體系可視為2次超靜定結(jié)構(gòu)。根據(jù)虛功原理，列出該結(jié)構(gòu)的力法典型方程為

式中：11，12，1p分別為X1＝1，X2＝1及載荷F分別作用于基本結(jié)構(gòu)上時(shí)X1處沿X2方向的轉(zhuǎn)角； 21，22，2p分別為X1＝1，X2＝1及載荷F分別作用于基本結(jié)構(gòu)上時(shí)X2處沿X2方向的轉(zhuǎn)角。

基于虛功原理，上述方程中的未知數(shù)分別為

11＝

22＝

12＝21＝

應(yīng)用圖乘法求解，得11＝，22＝，12＝ 21＝，1p＝2p＝。將上述結(jié)果代入方程中，得X1＝X2＝，其中：E為材料的彈性模量，根據(jù)梁的材料確定；I為桿件截面慣性矩，根據(jù)梁的橫截面積確定。

基于上述結(jié)果，該結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力分別如圖4和圖5所示。

圖4單個(gè)力作用在梁中部的彎矩

圖5單個(gè)力作用在梁中部的剪力

1.3受力情況力學(xué)分析

1.3.1情況一：?jiǎn)蝹€(gè)力作用于梁的一側(cè)

將支架或貨物的著力點(diǎn)置于頂梁或角柱的一側(cè)，其受力模型如圖6所示。選取梁經(jīng)常所處的受力狀態(tài)，將集中力置于距離梁左側(cè)l/4處。此種受力模型的彎矩和剪力分別如圖7和圖8所示。

圖6單個(gè)力作用于梁一側(cè)的受力模型

圖7單個(gè)力作用于梁一側(cè)的彎矩

圖8單個(gè)力作用于梁一側(cè)的剪力

1.3.2情況二：多個(gè)力均勻作用于梁的兩側(cè)

將支架或貨物的著力點(diǎn)均勻置于頂梁或角柱的兩側(cè)，其受力模型如圖9所示。將力平均分為2個(gè)分力，且分別作用于距離梁左側(cè)l/3和2/3處。此種受力模型的彎矩和剪力分別如圖10和圖11所示。

圖9多個(gè)力均勻作用于梁兩側(cè)的受力模型

圖10多個(gè)力均勻作用于梁兩側(cè)的彎矩

圖11多個(gè)力均勻作用于梁兩側(cè)的剪力

1.4不同情況下的彎矩、剪力對(duì)比

1.4.1基本情況與情況一對(duì)比

（1）彎矩對(duì)比雖然情況一的一端彎矩明顯小于基本情況中的彎矩，但其另一端彎矩略大于基本情況中的彎矩；因此，情況一較基本情況更易達(dá)到極限彎矩，使梁受損。

（2）剪力對(duì)比情況一中的最大剪力大于基本情況中的剪力，即情況一更易達(dá)到梁的極限剪力，使梁受損。

1.4.2基本情況與情況二對(duì)比

（1）彎矩對(duì)比情況二中梁各部位的彎矩均小于基本情況下的彎矩。

（2）剪力對(duì)比盡管基本情況中的剪力與情況二中的剪力大小相等，但在基本情況中，剪力作用于梁中部，變化幅度較大，容易造成梁損壞。

2集裝箱內(nèi)重件貨物固定方法優(yōu)化

集裝箱內(nèi)重件貨物的固定不僅應(yīng)確保貨物在穩(wěn)定條件下不發(fā)生位移，而且應(yīng)確保貨物在船舶劇烈搖蕩導(dǎo)致的巨大慣性力的作用下不發(fā)生位移，并滿足集裝箱強(qiáng)度要求。

（1）貨物固定應(yīng)當(dāng)以支撐為主、填充為輔。

（2）在支撐貨物時(shí)，應(yīng)將支撐點(diǎn)置于集裝箱骨架結(jié)構(gòu)上，不得置于集裝箱壁上，并注意：①集裝箱梁上的支撐點(diǎn)應(yīng)當(dāng)平均分布，即相鄰支撐點(diǎn)間距相等；②盡可能多設(shè)支架，增加支撐點(diǎn)數(shù)量。

（3）在填充集裝箱時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量選擇面積較大的填充物，以免損壞集裝箱壁。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱冬琪. 裝箱技術(shù)與集裝箱海運(yùn)貨損[J]. 交通建設(shè)與管理，2006（9）：61-63.

（編輯：張敏收稿日期：2014-03-04）