李堅(jiān)波，沈正湘，韓樹剛，岳智君

(1.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913; 2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;3.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州 450002)

船舶高負(fù)荷帶纜樁設(shè)計(jì)方法

李堅(jiān)波1，沈正湘2，韓樹剛3，岳智君2

(1.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913; 2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;3.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州 450002)

針對(duì)船舶發(fā)展過程中系泊系統(tǒng)帶纜樁的高承載能力和布置空間受限的設(shè)計(jì)問題，分析國內(nèi)外軍民船舶帶纜樁設(shè)計(jì)規(guī)范的流程及其區(qū)別，考慮帶纜樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用方式，確定幾種提高帶纜樁承載能力的方法，能有效滿足帶纜樁的高承載負(fù)荷和布置空間要求。

系泊;帶纜樁;舾裝數(shù);最小破斷負(fù)荷;安全工作負(fù)荷

帶纜樁屬于船舶系泊系統(tǒng)的重要承載設(shè)備，船舶在碼頭?？繒r(shí)，船上系纜索的固定裝置主要為帶纜樁，承擔(dān)著系纜索傳遞的外載荷。目前國內(nèi)外軍民船系泊裝置設(shè)計(jì)流程基本相同，均通過計(jì)算的舾裝數(shù)查設(shè)計(jì)規(guī)范得到系纜索的設(shè)計(jì)要求，之后完成帶纜樁的選型設(shè)計(jì)［1-2］。

我國船舶帶纜樁選型設(shè)計(jì)一般根據(jù)帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)(GB/T554-2008)進(jìn)行選配。在我國現(xiàn)有的軍民船舶上，一方面軍船對(duì)帶纜樁承載要求不是太高;民船上雖有較高的承載需求，但民船上布置空間寬敞，可選用大尺寸的帶纜樁，所以現(xiàn)階段基本還能滿足設(shè)計(jì)要求。隨著我國船舶業(yè)的發(fā)展，對(duì)帶纜樁承載能力［3-4］和布置空間的要求越來越高，按帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，將產(chǎn)生一定的困難。因此，通過分析我國船舶對(duì)帶纜樁的設(shè)計(jì)需求，參照國內(nèi)外帶纜樁設(shè)計(jì)情況對(duì)帶纜樁的受力和強(qiáng)度校核方法進(jìn)行分析，探討相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

1 帶纜樁設(shè)計(jì)流程

帶纜樁是船舶系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)系泊裝置設(shè)計(jì)都是按規(guī)范計(jì)算舾裝數(shù)，如海船規(guī)范［5］的為:N=Δ2/3+2S1+0．1S2，按舾裝數(shù)得到系纜索最小破斷負(fù)荷需求，其他系泊承載設(shè)備以此負(fù)荷需求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

我國船舶系泊裝置的設(shè)備規(guī)格按照船舶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［6］，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求帶纜樁應(yīng)符合GB/ T554、GB/*556的規(guī)定?，F(xiàn)行的GB/T554-2008(以下簡稱“GB/T554”)中帶纜樁的設(shè)計(jì)配置要求參見表1。在船舶的帶纜樁選型設(shè)計(jì)時(shí)，通常要求帶纜樁的安全工作負(fù)荷不小于對(duì)應(yīng)的系纜索最小破斷負(fù)荷要求。根據(jù)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的系纜索最小破斷負(fù)荷需求，查GB/T554可選擇相應(yīng)的帶纜樁型式和規(guī)格，如帶纜樁B315、A400等。

表1 帶纜樁設(shè)計(jì)配置要求

2 帶纜樁選型設(shè)計(jì)需求分析

2．1 帶纜樁設(shè)計(jì)規(guī)范比較

國內(nèi)帶纜樁選型標(biāo)準(zhǔn)則為修訂的GB/T554，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)系泊設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算與舾裝數(shù)對(duì)應(yīng)的系纜索配置要求。但國內(nèi)外系泊設(shè)計(jì)規(guī)范中舾裝數(shù)計(jì)算公式不同，將影響船上帶纜樁的選型設(shè)計(jì)，如歐洲很多國家采用的勞氏軍規(guī)，其舾裝數(shù)計(jì)算公式如下。

式中:Δ——排水量;

At——橫向受風(fēng)面積;

A——側(cè)向受風(fēng)面積。

通過分析，幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范舾裝數(shù)雖基本都按船舶的排水量、橫向受風(fēng)面積和側(cè)向受風(fēng)面積組合計(jì)算(僅受風(fēng)面積取值上略有差異)，且舾裝數(shù)配置表劃分檔次相同。但各規(guī)范對(duì)舾裝數(shù)公式中系數(shù)有所不同，勞氏軍規(guī)在橫向受風(fēng)面積一項(xiàng)的系數(shù)由“2”增加為“2.5”，而國內(nèi)軍規(guī)在排水量前添加了大于1的系數(shù)，導(dǎo)致在同一船型下計(jì)算的舾裝數(shù)增大，對(duì)系纜索要求增高，從而導(dǎo)致帶纜樁選型設(shè)計(jì)有明顯的差別，見表2。

表2 不同規(guī)范下帶纜樁設(shè)計(jì)比較

表2顯示，針對(duì)假定的同一船型，采用相同的排水量和受風(fēng)面積參數(shù)計(jì)算，按國內(nèi)軍規(guī)和海船規(guī)范、勞氏軍規(guī)3個(gè)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，因舾裝數(shù)計(jì)算公式和系纜索最小破斷負(fù)荷要求等差異，最后選配的帶纜樁結(jié)果相差非常明顯。

2．2 船舶發(fā)展對(duì)帶纜樁的設(shè)計(jì)需求

帶纜樁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T554主要有A型(普通帶纜樁)、B型(嵌入式帶纜樁)，其結(jié)構(gòu)型式見圖1。A型帶纜樁帶有一個(gè)較大的底座，直接焊接在甲板上;B型帶纜樁中一段樁柱嵌入甲板下，與船體甲板下的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接在一起。

圖1 國內(nèi)帶纜樁主要型式

船舶系泊設(shè)計(jì)規(guī)范中舾裝數(shù)增大導(dǎo)致對(duì)系纜索最小破斷負(fù)荷的要求提高，從而將提高對(duì)帶纜樁安全工作負(fù)荷的要求。船舶的系泊裝置主要布置在艏、艉部位和舯部的通道位置，對(duì)很多船型來說，這些布置區(qū)域通常比較緊張。按標(biāo)準(zhǔn)B型帶纜樁最大直徑為為500 mm，承載能力有限。而A型帶纜樁最大直徑達(dá)到800 mm，具有更高的承載能力。但A型帶纜樁底座較大，占用較大的甲板面積，且隨直徑增大，布置時(shí)距舷邊的距離和周邊設(shè)備的距離都需相應(yīng)增大，因此過大直徑的A型帶纜樁不利于在船上布置。

B型嵌入帶纜樁是國內(nèi)船舶上普遍使用的帶纜樁型式，該帶纜樁僅兩個(gè)樁柱，在船上布置非常方便，但B型帶纜樁最大直徑500 mm，對(duì)應(yīng)安全工作負(fù)荷僅為451 kN。

因此，在我國船舶系泊裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用中，一方面需要承載能力更大的帶纜樁;但另一方面也要求帶纜樁能在船上有限的空間進(jìn)行布置、操作和使用。因此需要設(shè)計(jì)在較緊的空間內(nèi)能承受更大載荷的帶纜樁。

3 帶纜樁承載設(shè)計(jì)要求分析

船上的需求分析顯示帶纜樁設(shè)計(jì)上的一個(gè)明顯問題，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)越配越大，要求的總體布置空間越來越多。這是為滿足帶纜樁的強(qiáng)度要求所帶來的問題。在提出處理方法前，先分析其強(qiáng)度校核的要求和方法。

3．1 標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度校核方法

標(biāo)準(zhǔn)帶纜樁選型時(shí)其安全工作負(fù)荷定義如下:帶纜樁應(yīng)能承受一條纜索繞在一系纜柱上離基座板上緣1.2D(D為樁柱直徑)處，并施加2倍的破斷負(fù)荷。

帶纜樁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷狀態(tài)及許用應(yīng)力的要求有相應(yīng)的規(guī)定，其強(qiáng)度校核一般依ISO3913:1977的方法為

式中:F——單根纜繩的破斷負(fù)荷;

D——帶纜樁樁柱外徑;

d——帶纜樁樁柱內(nèi)徑。

從式(2)可見，ISO3913基本是按平均剪切應(yīng)力的4倍進(jìn)行強(qiáng)度校核，是綜合考慮了彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力之后的經(jīng)驗(yàn)公式。

3．2 力學(xué)理論計(jì)算方法

從帶纜樁的受力分析，其強(qiáng)度校核應(yīng)可按船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)理論計(jì)算方法［7］，計(jì)算模型簡化為懸臂梁桿件，主要受彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，計(jì)算公式如下。

1)彎曲應(yīng)力。

2)剪切應(yīng)力。

式中:M——樁柱根部彎矩;

d、D——樁柱內(nèi)、外徑;

T——設(shè)計(jì)載荷;

A——樁柱橫截面面積。

分析比較表明，對(duì)相同尺寸的帶纜樁，按GBT554中帶纜樁設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷狀態(tài)及許用應(yīng)力要求，按船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論計(jì)算方法，與ISO3913標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果相比非常接近。雖按理論公式計(jì)算的結(jié)果略低，但從理論上更能較好地反映帶纜樁實(shí)際受力情況，故可通過該方法進(jìn)行帶纜樁的強(qiáng)度校核。

4 高負(fù)荷帶纜樁的設(shè)計(jì)方法

船舶發(fā)展需要盡量在不過大增加帶纜樁尺寸的條件下，提高其承載能力，以適應(yīng)船上有限的布置空間。標(biāo)準(zhǔn)帶纜樁在船上應(yīng)用有一定的局限性，在帶纜樁強(qiáng)度校核方法分析的基礎(chǔ)上，對(duì)提高帶纜樁承載能力考慮以下幾項(xiàng)處理對(duì)策。

4．1 增大樁柱壁厚

標(biāo)準(zhǔn)GB/T554對(duì)帶纜樁樁柱最小壁厚作了規(guī)定。但從帶纜樁強(qiáng)度校核方法上分析，無論是ISO3913標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)校核方法(見公式(2))，還是船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)理論計(jì)算方法(見公式(3)、式(4))，都表明增大壁厚，同等條件下的應(yīng)力會(huì)有所減少。

因此在同等系泊條件下，提高樁柱壁厚，可增加帶纜樁的承載能力，故在選型時(shí)可通過增大樁柱壁厚來選用直徑稍小的帶纜樁，以有利其在船上的布置。建議對(duì)帶纜樁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)修改，即對(duì)同一外形尺寸，提供2種壁厚參數(shù)，提出高、低兩個(gè)安全工作負(fù)荷的帶纜樁。

4．2 采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料

標(biāo)準(zhǔn)GB/T554設(shè)定帶纜樁材料為25號(hào)鋼和Q235A，屈服強(qiáng)度比較低。從理論上分析，帶纜樁承載時(shí)根部最大應(yīng)力與外力接近線性關(guān)系，其安全系數(shù)近似為

式中:σs——材料屈服強(qiáng)度;

T——設(shè)計(jì)載荷;

k——最大應(yīng)力與載荷的線性比例系數(shù)。

式(5)表明，當(dāng)系纜索載荷提高時(shí)，若樁柱材料屈服強(qiáng)度增加相同的比例，則仍可保持相同的安全系數(shù)。

因此，更換材料在理論上可行，選用材料強(qiáng)度高的非標(biāo)帶纜樁能承受更高的載荷，從而更有利于它在船上的布置。此外，還可根據(jù)需要對(duì)帶纜樁樁柱進(jìn)行局部加強(qiáng)，如樁柱內(nèi)設(shè)置筋板，B型帶纜樁兩樁柱間設(shè)計(jì)相連的加強(qiáng)底座等。

4．3 調(diào)整帶纜方式

船上帶纜方式通常為“8”字繞纜，相對(duì)帶纜樁整體而言，其承載能力會(huì)有所降低。但“8”字繞纜通常只會(huì)導(dǎo)致某一個(gè)樁柱上載荷較高，因此可采取措施［8］將系纜索上的載荷適當(dāng)、均勻地分配到兩個(gè)樁柱上，以減少單個(gè)樁柱的載荷。

有經(jīng)驗(yàn)的海員深知這個(gè)現(xiàn)象，通過調(diào)整帶纜樁方式會(huì)將外載荷有效地分配在兩個(gè)纜柱上，如系纜索一端套在一個(gè)樁柱上，在第二個(gè)樁柱上繞幾圈后再作8字形系繞，見圖2，兩個(gè)樁柱基本各承受一半的外部載荷。

圖2 改進(jìn)的“8”字帶纜方法

此外，還有一種“O”字形帶纜方式［8］，該方式基本將纜索纏繞在一個(gè)樁柱上，近似于單根纜索套帶纜樁，其安全工作負(fù)荷可提高一倍，此方式因僅在一樁柱繞纜，需要加強(qiáng)纜索末端的緊固。因此在相同系泊條件下，通過調(diào)整船舶帶纜樁上的繞纜方式，不改變艦上原有設(shè)備，可以減少帶纜樁樁柱上的載荷，相應(yīng)提高帶纜樁的承載能力。

5 結(jié)束語

首次探討高負(fù)荷帶纜樁的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)階段采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法理論可行，帶纜樁承載能力提高一倍的設(shè)計(jì)較易實(shí)現(xiàn)，實(shí)船應(yīng)用中證實(shí)了該方法有效;在船舶使用過程中，如遇惡劣的環(huán)境條件，可通過調(diào)整帶纜方式提高其承載能力。

希望帶纜樁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在后續(xù)更新時(shí)能考慮本文觀點(diǎn)和方法。同時(shí)針對(duì)帶纜樁自身的承載能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上未考慮對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響，建議在后續(xù)研究中結(jié)合船體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)進(jìn)一步分析高負(fù)荷帶纜樁的設(shè)計(jì)方法。

［1］中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范，第2分冊(cè)［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)，舾裝分冊(cè)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［3］王鐵，王慶豐.128m打樁船帶纜樁支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析［J］，江蘇船舶，2010(4):3-15.

［4］劉成勇，郭國平，甘浪雄.大型無動(dòng)力船舶碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)安全研究［J］.船海工程，2009(2):156-160.

［5］OCIMF.系泊設(shè)備規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1997.

［6］中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院.船舶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編——系泊設(shè)備［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［7］陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社.1990.

［8］張亞贊.船舶在港系纜應(yīng)注意的問題［J］.世界海運(yùn)，1998(3):10-12.

Analysis of Design Proposal about High-Loading Bollard in Domestic Ships

LI Jian-bo1，SHEN Zheng-xiang2，HAN Shu-gang3，YUE Zhi-jun2
(1.Military Representative Office of Jiangnan Shipyard(Group)Co.Ltd.，Shanghai 201913，China; 2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China; 3.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO Henan，Zhengzhou 450002，China)

According to the design problem about the high-loading and decoration of the mooring bollard，the process and the difference about bollard design of some domestic and overseas representative rules are analyzed.Considering the structure strength and working conditions of the bollard，several methods are proposed to raise bearing capacity of the bollards，which can meet the requirements of the bollard＇s high-loading and decoration space.

mooring;bollard;equipment number;minimum strength;safe working loading

U664.4

A

1671-7953(2015)02-0047-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.012

2014-09-26

修回日期:2014-11-24

發(fā)改辦高技項(xiàng)目(南海綜合補(bǔ)給基地工程化研究)

李堅(jiān)波(1983-)，男，碩士，工程師

研究方向:船舶總體設(shè)計(jì)

E-mail:Wuhan701zzk@163.com