張冠楠 孫慧莉

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

船舶在營運中經(jīng)常要進行拖帶和系泊作業(yè)，故拖帶和系泊設(shè)備要承受較大的載荷。為保證船舶在使用過程中的安全，需要對拖帶和系泊設(shè)備及其相連的船體支撐結(jié)構(gòu)進行強度分析。

系泊設(shè)備系指船舶正常系泊作業(yè)時所用的系纜樁與纜柱、系纜器、立式滾輪、導(dǎo)纜孔以及用于正常拖帶作業(yè)的拖樁、拖纜孔等類似設(shè)備。船體支撐結(jié)構(gòu)系指上部或內(nèi)部安裝船用配件并直接承受作用在船用配件上的力的部分船體結(jié)構(gòu)，如與之相連的橫梁、縱桁、支柱和艙壁等。通常，拖帶和系泊設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)規(guī)范［1-3］要求選取，能夠滿足結(jié)構(gòu)強度要求，所以只要分析拖帶與系泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的強度即可。

本文以1 100 TEU（錦江）集裝箱船為例，從舾裝和結(jié)構(gòu)兩方面對系泊設(shè)備及結(jié)構(gòu)加強進行了系統(tǒng)的闡述，希望對以后的工作有一定的指導(dǎo)作用。

1 實船相關(guān)參數(shù)

1 100 TEU（錦江）集裝箱船為單機單槳尾機型船，主要參數(shù)如下：

計算船長 138.86 m

垂線船長 139.6 m

型 寬 23.25 m

型 深 11.5 m

結(jié)構(gòu)吃水 8.5 m

2 舾裝數(shù)

舾裝數(shù)是用來確定船上錨泊設(shè)備的主要依據(jù)。它表征作用在錨泊船舶上的外力，即風(fēng)壓力、水阻力，以及波浪使船舶搖動產(chǎn)生的慣性力。根據(jù)IACS規(guī)定，海船的錨泊和系泊設(shè)備應(yīng)根據(jù)舾裝數(shù)N配備設(shè)備。舾裝數(shù) N 按式（1）、（2）計算：

式中：Δ——夏季載重線下的型排水量，t；

B——船寬，m；

H——從夏季載重水線到最上層艙室頂部的有效高度，對最下層的層高Hi從上甲板中心線量起，或具有不連續(xù)上甲板時，從上甲板的最低線及其平行于升高部分甲板的延伸線量起；

A——船長范圍內(nèi)夏季載重水線以上的船體

部分和上層建筑以及各層寬度大于B/4的甲板室的測投影面積的總和（對于系泊計算，甲板上有貨物的情況下，甲板貨的側(cè)投影面積也要計入，m2；

a——從船中夏季載重水線至上甲板的距離，m；

Hi——各層寬度大于B/4的艙室，在其中心線處量計的高度，m

根據(jù)舾裝數(shù)，按照規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)查得所選取的拖索和系索的公稱破斷強度，進而得到拖索和系索的設(shè)計載荷。對于本船，A=2 045，N=2 062，最終配備如下：

鋼絲繩拖索：1根，長220 m，破斷力1 169 kN；

聚丙烯系纜索：8根，每根長190 m，破斷力402.1 kN。

3 設(shè)計載荷的確定

在船首、舷側(cè)和船尾用于系泊/拖帶的設(shè)備必須布置在作為甲板結(jié)構(gòu)一部分的縱桁、橫梁等構(gòu)件上，以便有效的分布系泊/拖帶力。對于巴拿馬導(dǎo)纜孔等設(shè)備，如能提供強度計算以證明能滿足特定的服務(wù)要求，其他形式的布置也可接受。

3.1 系泊

在系泊計算中，作用于船舶設(shè)備及船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷應(yīng)為按舾裝數(shù)對應(yīng)的系索破斷強度的1.25倍，除非使用者申請了更大的安全工作載荷（SWL）。

絞車等船體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷按1.25倍預(yù)計最大剎車?yán)x取，對絞盤來說按1.25倍絞盤最大卷進拉力選取。系泊設(shè)備的SWL不超過設(shè)計載荷的80%。

對于本船，系泊設(shè)備的安全工作載荷FSWL=402.1 kN；設(shè)計載荷（DL）FDL=402.1×1.25=502.6 kN。

3.2 拖帶

一般情況下，拖帶分為正常拖帶，伴航拖帶和應(yīng)急拖帶。除非使用者特別申請更大的SWL。拖帶設(shè)備的最小設(shè)計載荷根據(jù)IACS規(guī)定按下要求確定：

1）用于正常拖帶操作（如港區(qū)／調(diào)遣）的設(shè)計載荷應(yīng)為拖帶與系泊布置圖內(nèi)標(biāo)示的最大預(yù)計拖帶載荷（如系柱靜拖力）的1.25倍；

2）對于其他拖帶（伴航），根據(jù)船舶的舾裝數(shù)取相應(yīng)的拖纜公稱破斷拉力。此工況僅適用于首樓甲板上的主拖帶設(shè)備，通常布置在首樓甲板的中心線上。通常情況下，這里的其他拖帶工況應(yīng)理解為僅用拖帶纜繩正向拖帶的情形。

3）應(yīng)急拖帶中，對于載重噸大于20 000 t小于50 000 t的船舶，SWL最小為1 000 kN；對于載重噸大于50 000 t的船舶，SWL最小為2 000 kN。SWL定義為拖索的最小破斷拉力的0.5倍，應(yīng)足夠承擔(dān)任意方向的拖帶，如拖索指向左右舷并與船體中心線水平成90°的夾角同時垂直方向成30°。

對于本船，僅有正常拖帶工況，單根拖索的安全工作載荷FSWL=633 kN；設(shè)計載荷FDL=633×1.25=791.25 kN。

3.3 注意事項

1）在系泊計算中，評估橫向風(fēng)載荷、拖輪布置和系索/拖索選擇時應(yīng)計入包括甲板貨最大堆裝貨物的側(cè)投影面積；

2）IACS中有關(guān)拖索和系泊索的破斷拉力必須強制執(zhí)行，以便于確定拖帶和系泊設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷；

3）IACS規(guī)定單根系索的破斷強度超過490 kN時，如果船上所有系索破斷載荷的總和不小于規(guī)定的總載荷，可以增加相應(yīng)的系索數(shù)量同時減小系索的破斷強度。系索的數(shù)量應(yīng)不少于6根并且單根系索的強度不小于490 kN；

4）GL規(guī)范中對SWL進行了進一步修正，即FSWL′=（0.8/1.5）×設(shè)計載荷。

3.4 巴拿馬運河的規(guī)定

巴拿馬型導(dǎo)纜孔和帶纜樁的結(jié)構(gòu)加強應(yīng)該使用拖帶產(chǎn)生的載荷。單個導(dǎo)纜孔的設(shè)計載荷為445 kN，雙導(dǎo)纜孔的設(shè)計載荷為628 kN。一般情況下，對于巴拿馬型導(dǎo)纜孔和帶纜樁的設(shè)計載荷為SWL。

用于標(biāo)準(zhǔn)系泊/拖帶并且需要滿足巴拿馬運河規(guī)定的導(dǎo)纜孔和帶纜樁，設(shè)計載荷取大者。

4 模型與計算結(jié)果

4.1 模型

本文采用3D-BEAM軟件對系泊設(shè)備甲板進行了模擬梁系的建模：X軸沿船體縱向指向船首，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿船體型深方向向上。

將甲板橫梁、縱桁、系泊設(shè)備下的加強構(gòu)件建立梁模型，甲板作為梁的帶板，甲板下圍壁簡化為對梁的簡支約束。船中處各節(jié)點施加中面約束；與端部橫艙壁以及舷側(cè)外板相連的梁節(jié)點施加剛固約束。

將船用設(shè)備（帶纜樁、導(dǎo)纜滾輪、導(dǎo)纜孔等）簡化為剛性梁，梁一端為載荷作用點，另一端為設(shè)備底座覆蓋范圍內(nèi)的船體梁節(jié)點。

絞車基座模擬為梁，基座面板視為梁的帶板，腹板視為梁的腹板；在基座有螺栓孔的位置處建剛性梁將基座與船體支撐結(jié)構(gòu)相連接；在絞車滾筒頂端出繩處建剛性梁，并將其與絞車基座螺栓組位置連接，根據(jù)系泊設(shè)備布置圖將絞車載荷施加于剛性梁的相應(yīng)位置上（首部錨機和絞車為一體，故在此不作討論）。

4.2 構(gòu)件尺寸

將原系泊加強結(jié)構(gòu)簡化為梁模型，即甲板及其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用構(gòu)件帶帶板的形式進行簡化，導(dǎo)纜器、帶纜樁和立式滾輪以剛性梁代替。計算采用結(jié)構(gòu)凈尺寸進行，即模型中的構(gòu)件尺寸為實際尺寸減去2 mm腐蝕增量。鋼材的物理參數(shù)如下：楊氏模量E=2.06×105（N/mm2）；泊松比 μ=0.3。

4.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)

根據(jù)IACS及船級社規(guī)范規(guī)定，許用正應(yīng)力為100%所用材料的屈服點；許用剪切應(yīng)力為60%所用材料的屈服點。

式中：K——材料系數(shù)；

σy——材料屈服強度，N/mm2

本文為K=1，σy=235 N/mm2。不考慮應(yīng)力集中因素。正應(yīng)力包括彎曲應(yīng)力和因剪切應(yīng)力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

4.4 加載和計算

系泊/拖帶載荷的作用點應(yīng)是系索/拖索的附著點或系索/拖索方向的變化處，設(shè)計載荷應(yīng)根據(jù)拖帶和系泊布置圖里的纜繩方向進行加載。由于篇幅原因，僅選取典型工況進行示例校核：

1）拖帶工況下帶纜樁承受的載荷按纜繩方向在全局坐標(biāo)系下分解，通過剛體梁連接到甲板梁節(jié)點上。如圖1所示，單根系索上的載荷為791.25 kN，得出F1x=731 020 N，F(xiàn)1y=-302 799 N。計算得出最大正應(yīng)力［σ］=149 N/mm2，最大剪應(yīng)力［τ］=49 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

圖1 拖帶工況帶纜樁受力分解圖

圖2 系泊工況絞車受力分解圖

2）設(shè)計載荷在全局坐標(biāo)系下分解得到系羊角導(dǎo)纜器上承受的載荷為（見圖2）：舷側(cè)導(dǎo)纜孔上承受的載荷為F1x=829 054 N，F(xiàn)1y=382 199 N；絞車上承受的載荷為：F2x=206 038 N，F(xiàn)2y=458 454 N；舷側(cè)羊角導(dǎo)纜器上承受的載荷為：F3x=242 570 N，F(xiàn)3y=115 700 N。計算得出最大正應(yīng)力［σ］=186 N/mm2，最大剪應(yīng)力［τ］=85 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

篇幅有限，雖未能將所有系泊工況一一列出詳細說明，但已可得到如下經(jīng)驗。

1）在船舶進行拖帶操作時，由于拖力較大，故拖樁附近的船體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為保證拖帶操作的安全，必須保證這一區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)有足夠的強度。在實際情況下，拖力普遍較大，拖樁附近的船體結(jié)構(gòu)受力往往也都會超出許用應(yīng)力值，需要進行局部加強。

2）考慮到縱向受力相對較大，加強時重點在縱向結(jié)構(gòu)。

3）在系泊工況下，由于系索本身的破斷力相對較小，所以作用在導(dǎo)纜孔、導(dǎo)纜滾輪、帶纜樁等系泊設(shè)備上的載荷會相對比較小，相應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力也較小。

4）為保證滿足結(jié)構(gòu)強度，在布置拖帶與系泊設(shè)備時，要注意以下幾點：

（1）盡量將拖帶與系泊設(shè)備布置在強構(gòu)件上或強構(gòu)件較為密集的區(qū)域；

（2）出現(xiàn)2根系索牽引時，要盡量使2根系索間的夾角變大，避免產(chǎn)生過大的合力；

（3）在系索牽引的方向上盡量設(shè)有強橫梁或縱桁，或作類似加強；

（4）盡量降低拖力和系泊力的作用點，以減小彎矩；

（5）立柱導(dǎo)纜器的高度要按照現(xiàn)場拉線確定，使得繞過的纜繩盡量在一個平面上。

系泊設(shè)備作為船舶設(shè)備里不可或缺的一部分，其結(jié)構(gòu)加強需要滿足IACS及各船級社的規(guī)范要求。本文通過對舾裝和結(jié)構(gòu)的規(guī)范論述希望能讓讀者對系泊及其結(jié)構(gòu)加強有一個更全面的認(rèn)識和深刻的理解。

［1］IACSUR-A.Requirements Concerning Mooring，Anchoring and Towing［S］.2007.

［2］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］.2009.

［3］GL 船 級 社.RULESFOR CLASSIFICATION AND CONSTRUCTION［S］.2009.