甘水來，李國強，李 勇

（1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 241000）

0 引 言

除個別艙壁為非水密支承艙壁外，散貨船主船體的橫艙壁均為具有足夠的強度并且水密的艙壁。這些艙壁不僅用于分隔艙室，而且支持著甲板、舷側(cè)和船底，對保證船體橫向強度起著重大作用[1]。按結(jié)構(gòu)型式分，艙壁一般可分為平面艙壁和槽型艙壁。槽型艙壁因其結(jié)構(gòu)型式簡單、加工方便、易于清艙卸貨，因此在散貨船中得到了廣泛應(yīng)用。

由于散貨船一般為單甲板、大開口、單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，裝載工況比較復(fù)雜，因此，強度問題比較突出。根據(jù)英國勞氏船級社的分析[2]，散貨船存在3種可能的結(jié)構(gòu)失效模式：1) 重貨艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)破損進水，槽型艙壁崩潰，相連貨艙進水，船體梁崩潰，船體沉沒；2) 重貨艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)破損進水，雙層底結(jié)構(gòu)受剪力作用崩潰，船體梁崩潰，船體沉沒；3) 艏部貨艙進水，槽型艙壁崩潰，相連貨艙進水，船體沉沒。

法國船級社對船舶海損事故[3]分析后認為，橫艙壁結(jié)構(gòu)強度減弱是貨艙一旦進水、船舶迅速沉沒的重要因素。因此，在散貨船結(jié)構(gòu)中，槽型艙壁是最重要的構(gòu)件之一。設(shè)計具有足夠強度的槽型艙壁，是散貨船設(shè)計工作中的一個重要環(huán)節(jié)。

1 槽型艙壁結(jié)構(gòu)型式及基本要求

常用的槽型艙壁，其剖面形狀有矩形、梯形和弧形，尤以梯形應(yīng)用最為普遍。與平面艙壁相比，槽型艙壁垂直于折曲方向的剛度較弱，因此，在散貨船中，槽條均按垂直方向設(shè)置。有的散貨船，尤其是大型散貨船，在垂直槽型橫艙壁上下端設(shè)置了座墩，既減小了槽條跨距，又可以改善艙壁與甲板和雙層底連接處的應(yīng)力水平，還有助于艙壁結(jié)構(gòu)與甲板及雙層底結(jié)構(gòu)的有效連接過渡。

根據(jù)CSR（散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）[4]，對于船長≥190m的散貨船，垂直槽型水密橫艙壁下應(yīng)設(shè)置底墩，一般在甲板下也要求設(shè)置頂墩。船長<190m的船舶，槽型艙壁可以從內(nèi)底一直延伸到上甲板，而不用設(shè)置底墩和頂墩。

設(shè)置底墩的高度，一般不應(yīng)小于槽深的3倍，底部寬度不小于槽深的2.5倍。底墩頂板可以是水平的，也可以是傾斜的。兩邊的側(cè)板，可以是一邊垂直，另一邊傾斜；也可以是兩邊均為傾斜的。側(cè)板下端應(yīng)與雙層底肋板在同一平面內(nèi)，以保證艙壁受到的載荷能有效傳遞到雙層底結(jié)構(gòu)。位于頂板與內(nèi)底板之間的側(cè)板，任何部位不得有折邊。側(cè)板上的扶強材，一般是垂直的。垂直扶強材應(yīng)對中內(nèi)底縱骨，扶強材上下端均應(yīng)設(shè)置肘板，以保證底墩和雙層底結(jié)構(gòu)的有效連接。為了有效支撐槽型艙壁，底墩內(nèi)應(yīng)設(shè)置隔板，隔板與雙層底縱桁應(yīng)位于同一平面上。為有效減小頂板的應(yīng)力集中，底墩內(nèi)與頂板連接的構(gòu)件上均應(yīng)避免扇形孔。

設(shè)置頂墩的高度，一般應(yīng)為槽深的2～3倍。對于矩形頂墩，其高度可取為槽深的2倍。頂墩高度值應(yīng)在艙口邊縱桁處，由甲板下緣垂直向下量至頂墩底板上緣。頂墩底板的寬度一般應(yīng)與底墩頂板的寬度相等。對于非矩形頂墩，其頂部寬度不應(yīng)小于槽深的2倍。頂墩內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)置與底墩相似，但由于頂墩承受的載荷較小，頂墩外形尺寸比底墩小些，內(nèi)部構(gòu)件以垂直布置較多見。為了有效支撐槽形艙壁，頂墩內(nèi)部構(gòu)件應(yīng)與甲板上的結(jié)構(gòu)進行良好過渡。即頂墩隔板應(yīng)與甲板縱桁在同一平面內(nèi)，頂墩側(cè)板上垂直扶強材上下端均應(yīng)設(shè)置肘板，與甲板橫梁或頂墩底板有效連接。為有效減小底板的應(yīng)力集中，頂墩內(nèi)與底板相連接的構(gòu)件上均應(yīng)避免開扇形孔。

不設(shè)置底墩時，槽型翼板下端應(yīng)與雙層底肋板安裝在同一直線上。該處肋板上縱骨穿過切口應(yīng)安裝落地補板。為承受槽型腹板引起的剪切應(yīng)力，在該處肋板間，在槽型腹板下應(yīng)安裝防剪切肘板。不設(shè)置頂墩時，在甲板下方與槽型翼板相對應(yīng)的位置應(yīng)安裝兩根強橫梁。

2 槽型艙壁承受的載荷

2.1 槽型剖面幾何要素

圖1 槽型艙壁橫剖面

2.2 槽型艙壁承受載荷

對于一般的干散貨艙，貨艙端部的水密槽型橫艙壁僅受到艙內(nèi)干散貨的靜壓力和貨物引起的動壓力。而對于用作重壓載的貨艙，當(dāng)該艙不裝壓載水時，其端部的水密槽型橫艙壁應(yīng)按干散貨艙進行強度校核；當(dāng)該艙裝載壓載水時，應(yīng)按深艙要求進行強度校核，即考慮艙內(nèi)液體的靜壓力和液體引起的動壓力。圖2為槽型艙壁受力簡圖，圖3為槽型艙壁在側(cè)向壓力作用下的正應(yīng)力分布。

另外，根據(jù)IACS（國際船級社協(xié)會）URS18[5]的規(guī)定，對船長150m及以上、擬裝運密度為1.0t/m3及以上的固體貨物，且具有單甲板、頂邊艙和底邊艙的單、雙殼散貨船的垂直水密槽型橫艙壁，應(yīng)在貨艙進水情況下對槽型艙壁的構(gòu)件尺寸進行強度評估。因此，槽型水密橫艙壁還受到貨艙進水時艙內(nèi)海水及貨物的壓力。

由于水密槽型橫艙壁位于兩個貨艙之間，所以作用在艙壁上的載荷為前后兩個貨艙分別作用在該艙壁上的載荷的合成載荷。合成載荷按完整工況和進水工況分別考慮。完整工況中又包括均勻裝載、隔艙裝載、正常壓載和重壓載四種工況。進水工況需按艙內(nèi)有貨進水和空艙進水兩種情況分別考慮。對于進水工況，當(dāng)貨艙裝運包裝貨時，該艙視為空艙。但無論如何，考量槽型艙壁強度時，應(yīng)選用最嚴重工況時的合成載荷。

圖2 槽型艙壁受力簡圖

圖3 槽型艙壁在側(cè)向壓力作用下的正應(yīng)力分布

3 槽型艙壁強度計算

3.1 局部強度

根據(jù)CSR，槽型艙壁的腹板和面板的凈板厚應(yīng)滿足完整工況、進水工況和試驗工況時的局部強度要求[6]，見表1。

表1 局部強度條件下腹板和面板凈厚度

3.2 槽條抗彎能力

在貨艙進水工況下，應(yīng)考核槽條總體抗彎能力。根據(jù)URS18，槽條的抗彎能力應(yīng)滿足式（1）要求：

式中：M——槽條最大彎矩/kN·m，M=FlC/8；F——槽條上的合力/kN，lC——槽條跨距/m，取值時若頂墩為矩形且高度大于2倍槽深或頂墩為非矩形但高度大于3倍槽深時，其超出部分應(yīng)計入槽條跨距；

在計算槽條下端凈剖面模數(shù)WLE時，應(yīng)考慮面板受壓而引起的有效面積的折減，另外還要考慮槽條腹板下有無肘板對其進行有效支撐，底墩頂板的安裝角度、卸貨板和封槽板等因素，詳見表2。

表2 WLE計算修正

3.3 腹板抗剪切強度

由于剪力主要由腹板承擔(dān)，面板上的剪力很小，為計算方便，CSR給出了腹板上剪應(yīng)力計算公式，見式（2）：

式中：Q——槽條上的剪力/kN，Q=0.8F；A——腹板有效剪切面積/cm2，A=ctwsinφ，sinφ一項是考慮到槽型剖面中腹板與面板不垂直給剪切帶來的影響，因此將腹板的面積進行了折減。

3.4 腹板剪切屈曲強度

根據(jù)CSR規(guī)范和URS18的要求，在進水工況下還應(yīng)校核腹板的剪切屈曲強度。腹板上的剪應(yīng)力應(yīng)滿足式（3）：

4 槽條要素設(shè)計

槽條要素設(shè)計，就是在滿足上述強度要求下，尋求最佳的槽條要素a、c、d、φ、tf、tw組合，以便使整個槽型艙壁的重量達到最小。

由于槽條下端受到的載荷最大，強度要求最高，板厚也就最大。因此，對于單個槽條，可用槽條下端列板的名義平均厚度fw作為考核衡準；而對于整個槽型艙壁，則可用所有槽條下端列板的名義平均厚度Fw作為考核衡準。名義平均厚度fw越小，表明該槽條重量越輕；名義平均厚度Fw越小，表明整個艙壁的重量越輕。

從式（4）可知，槽條下端列板名義平均厚度fw是槽條要素a、c、SC、tf、tw或a、d、sinφ、tf、tw的函數(shù)，而板厚tf、tw又是由艙壁強度決定的，因此，槽條下端列板名義平均厚度是由載荷和槽條幾何形狀共同決定的。

為了找出整個槽型艙壁下端列板名義平均厚度與槽條要素a、c、SC、tf、tw或a、d、sinφ、tf、tw變化關(guān)系，下面以某大型散貨船槽型橫艙壁為例，分幾種情況進行研究。散貨船主尺度L×B×D = 294m×50m×24.9m，雙層底高度2.6m，底墩頂板距基線高度7.18m，頂墩底板距基線高度21.4m，甲板梁拱0.93m。貨艙槽型艙壁尺寸 a×d×φ=1.25m×1.25m×73°。

4.1 艙壁下端列板名義平均厚度與槽條面板寬度的關(guān)系

假定槽條要素d、φ不變，利用船級社現(xiàn)有的CSR規(guī)范計算軟件，得出槽型艙壁下端列板名義平均厚度與槽條面板寬度a的變化關(guān)系，如圖4所示。

從圖4可以看出，當(dāng)面板寬度為1.25m時，顯而易見艙壁下端剖面面積最小，整個艙壁重量將會最輕。增加面板寬度，其厚度也會同時增加，因而會引起艙壁下端剖面面積增大；僅減少面板寬度，會引起腹板數(shù)量的增加，由于腹板尺寸不變，艙壁下端剖面面積并不會減小，反而會增大。

4.2 艙壁下端列板名義平均厚度與槽條深度的關(guān)系

假定槽條要素a、φ不變，利用同樣的方法，可得出槽型艙壁下端列板名義平均厚度與槽條深度d的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖4 槽型艙壁下端剖面面積與槽條面板寬度的關(guān)系

圖5 槽型艙壁下端剖面面積與槽條深度的關(guān)系

從圖5中可以看出，當(dāng)槽條深度約為0.76m時，艙壁下端剖面面積最小，此時整個艙壁重量會最輕。由于此時槽條抗彎能力或抗剪切能力不能滿足規(guī)范要求，槽條需要在滿足局部強度要求的基礎(chǔ)上較多地增大板厚，因此整個艙壁的重量不但不下降，反而會增加。增大槽條深度，槽條腹板寬度增大，其厚度也會同時增大。如果腹板寬度未超過面板寬度，艙壁下端的厚度將由槽條面板厚度決定，整個艙壁重量將隨腹板寬度的增加而平緩增加；如果腹板寬度超過面板寬度，艙壁下端的厚度將由腹板厚度決定，此時增大腹板寬度，整個艙壁的重量將會迅速增加。

4.3 艙壁下端列板名義平均厚度與夾角的關(guān)系

假定槽條要素a、d不變，利用同樣的方法，也可得出槽型艙壁下端列板名義平均厚度與夾角 φ（槽條腹板與面板夾角）的變化關(guān)系，如圖6所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)槽深和面板寬度不變時，槽條板厚隨面板和腹板的夾角增大而增大，因而整個艙壁的重量也隨之增大。這是因為面板和腹板的夾角增大了，在槽深不變時，腹板寬度增大了，導(dǎo)致槽條板厚增大，艙壁重量增加。這一點可從式（6）的Aw(單位深度艙壁下端剖面面積)的表達式中可以很直觀地看出。

式（6）中，Aw與（a+c cosφ）成反比關(guān)系，當(dāng)φ＝0°，cosφ = 1，此時Aw的值最?。划?dāng)φ＝90°，cosφ = 0，此時Aw的值最大。

圖6 槽型艙壁下端剖面面積與夾角的關(guān)系

5 連接節(jié)點設(shè)計

槽型艙壁有許多重要的連接節(jié)點，在設(shè)計時應(yīng)充分注意，如：槽條的彎曲半徑、槽條與頂墩的連接、槽條與底墩的連接、底墩斜板與內(nèi)底的連接等。

5.1 槽條彎曲半徑的合理選擇

對于槽條的彎曲半徑R，規(guī)范僅要求不小于艙壁板實際建造厚度的3倍。對于散貨船槽型艙壁，其建造厚度一般不會超過30mm，因此，彎曲半徑一般選為R=100mm即可。但這個彎曲半徑，對于15 萬噸級以上的散貨船，因槽型艙壁厚度較大，且板列之間可能存在較大的板厚差，在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)水平拼板焊縫在彎曲加工后，焊縫彎曲部位出現(xiàn)了較多的橫向裂紋[7]，見圖7、8。

圖7 槽型艙壁拼板加工

圖8 拼板焊縫彎曲加工后出現(xiàn)的橫向裂縫

從圖8可以看出，這些裂紋的出現(xiàn)沒有明顯的規(guī)律可循，大小、深淺不一，有的開口相當(dāng)大，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)進度。雖然這些裂紋沒有什么明顯規(guī)律可循，但總是出現(xiàn)在彎曲加工受拉的一面，而且大都集中在線應(yīng)變最大的曲率部位，受壓面沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷。經(jīng)過實驗和深入分析得出：受拉的一面出現(xiàn)裂縫，其原因是槽型艙壁板在彎曲加工時，拼板焊縫的實際伸長率超過了焊接材料的允許伸長率，導(dǎo)致焊縫無法承受過大的拉伸而出現(xiàn)裂紋。圖9為槽條彎曲詳圖，可以證明，當(dāng)彎曲角度一定時，彎曲半徑越小，受拉面線應(yīng)變越大。

從圖9可以得出，槽條受拉面的線應(yīng)變?yōu)椋?/p>

從式（7）可以看出，當(dāng)R較大時，線應(yīng)變較??；當(dāng)R較小時，線應(yīng)變較大。因此，要減小線應(yīng)變，控制裂紋的出現(xiàn)，就必須加大彎曲半徑。經(jīng)過實驗證實，當(dāng)彎曲半徑為板厚的4.5倍以上時，拼板焊縫處不再出現(xiàn)彎曲裂紋了。

5.2 底墩頂板與水平面傾斜角度的合理選擇

當(dāng)貨艙槽型艙壁下設(shè)置底墩時，底墩頂板與水平面的角度，不僅取決于槽條下端的剖面模數(shù)，還要看底墩前后側(cè)壁是豎直的還是傾斜的。從強度上說，底墩頂板與水平面成45°時最有利，平行于水平面時最差。從制造工藝上說，當(dāng)?shù)锥涨昂髠?cè)壁一豎直、一傾斜時，頂板與水平面成45°角，對裝配和焊接都無問題。但當(dāng)?shù)锥涨昂髠?cè)壁都為傾斜時，頂板如果也與水平面成45°角，因為后斜板與頂板形成的夾角很小，當(dāng)這個角度β＜30°時，就會給焊接和裝配對中檢查帶來了很大的困難，此時，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，見圖10。

圖9 槽條彎曲

圖10 底墩前后側(cè)壁及頂板

為了解決底墩頂板與后斜板角度太小的問題，可將底墩后側(cè)壁改為豎直結(jié)構(gòu)，或?qū)⒌锥枕敯甯臑樗?。?dāng)然，也可將底墩頂板與水平面的角度改為0～45°之間的某個角度，但這種設(shè)計并不利于生產(chǎn)。還有一種比較理想的方法，就是將底墩頂板與后斜板合并為一個整體，頂板與后斜板通過冷壓加工形成一個圓角過渡。但這種方法是有風(fēng)險的，因為CSR規(guī)范中明確規(guī)定：前后側(cè)壁在底墩頂板與內(nèi)底板之間不得有任何折邊，且槽型面板應(yīng)與前后側(cè)壁對齊。

6 結(jié) 語

槽型艙壁是散貨船中十分重要的結(jié)構(gòu)，合理選擇槽條要素，既可以降低結(jié)構(gòu)重量，又能提高船廠效益和船舶的市場競爭力。槽型艙壁的設(shè)計，在滿足規(guī)范要求的強度下，不僅要考慮減重，還要考慮生產(chǎn)加工的工藝性，合理設(shè)計、處理相關(guān)的細部節(jié)點，也是一項相當(dāng)重要的工作。

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