張立群，黃雨促

（1.浙江恒逸集團有限公司，浙江 杭州 311209；2.中國外運大件物流有限公司，上海 201204）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，裝備制造業(yè)技術(shù)水平和專業(yè)大件運輸能力的不斷提高，重大工程項目關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計與制造向著體積大、質(zhì)量重的方向發(fā)展，重大件運輸也變得越來越頻繁。尤其是近年來，在國家“一帶一路”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，重大件運輸更是不斷走出國門。由于運輸環(huán)境復雜，運輸環(huán)節(jié)增加，對重大件運輸、裝卸和系固的要求也越來越高。運輸環(huán)境的復雜多變使得重大件貨物的運輸具有很高的風險，稍有不慎將會導致重大事故。因此重大件貨物運輸一定要在科學分析運輸可行性的基礎(chǔ)上，制定切實可行的方案，嚴密組織施工，確保整個過程的安全[1]。

重大件貨物運輸一般有陸運、海運以及陸運與海運相結(jié)合的多式聯(lián)運等方式。本文根據(jù)國家“一帶一路”戰(zhàn)略中的某項目現(xiàn)場港內(nèi)駁運-碼頭滾卸-現(xiàn)場短距離運輸三個環(huán)節(jié)，采用駁船和自行式液壓平板車（下文簡稱SPMT）相結(jié)合的多式聯(lián)運方式進行分析探討。

2 駁運

重大件貨物的遠洋運輸通常選擇重吊船或者平板駁船，分別如圖1和圖2所示。由于現(xiàn)場碼頭條件限制，大型重吊船無法靠泊卸貨，通常需要先將重大件貨物從重吊船吊卸至駁船，然后用駁船將重大件貨物進行港內(nèi)短距離運輸至現(xiàn)場條件較差的碼頭后進行滾卸。

駁船分為自航駁船和非自航駁船，由于重大件貨物在港內(nèi)短距離運輸，海況較平穩(wěn)，采用非自航駁船的拖航運輸即可滿足運輸要求，且非自航駁船的租賃費用通常遠低于自航駁船，經(jīng)濟效益較好，故非自航駁船比較適合重大件貨物的港內(nèi)短距離運輸[2]，如圖3所示。

圖1 重吊船

圖2 自航駁船

圖3 非自航駁船

由于重大件貨物在港內(nèi)拖航運輸時海況平穩(wěn)，風浪不大，幾乎不受海水飛濺的影響，因此在拖航運輸過程中貨物受到的波濺力可以忽略不計，這時作用在貨物上的外力有慣性力和風壓力，下文將分析重大件在橫向、縱向和垂向三個方向上的合外力作用。

2.1 橫向作用力

貨物受到的橫向合外力Fy可按式（1）計算[3]：

式中：M為貨物重量(t)；Fqy為橫向風作用力，根據(jù)貨物側(cè)向投影面積，取0.70kN/m2；Ay為橫向加速度(m/s2)，按式（2）計算：

式中：rφ為貨物質(zhì)量中心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)，如圖4 所示；β 為夾角，φ0為最大橫搖角，通常按15°計算；g為重力加速度，取9.81m/s2；Tφ為橫搖周期(s)，按式（3）計算：

式中：GM 為初穩(wěn)性高度(m)，B 為船寬(m)。如被拖物無確切的GM資料，可以按式（4）近似計算：

圖4 駁船橫剖面

2.2 縱向作用力

貨物受到的縱向合外力可按式（5）計算：

式中：Ax為縱向加速度(m/s2)；M為貨物重量(t)；Fqx為縱向風作用力，根據(jù)貨物在船中橫剖面上的投影面積計算，其取值標準同公式（1），其中縱向加速度Ax按式（6）計算：

式中：rψ為貨物質(zhì)量中心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)，如圖5 所示；β 為夾角，ψ0為最大縱搖角，通常按5°計算；Tψ為縱搖周期，如無資料可按10s計算；g同上。

圖5 駁船縱剖面

2.3 垂向作用力

作用在貨物上的垂向合外力Fz按式（7）計算：

式中：M，g 同上文；a 為垂向加速度，a=3.75e-0.003L，但不大于3m/s2，其中L為船長(m)。

2.4 重大件貨物系固

2.4.1 系固方式。重大件貨物常見的系固方式有[4]：

①用鋼絲繩、鐵鏈等系固索具將貨物固定在船舶的貨艙內(nèi)或者其它承重甲板上。

②將貨物與專門設(shè)計的支座一起固定于船舶的貨艙或者其他承重部位，然后將支座、貨物和船體焊接形成一個整體。

③在貨物周圍焊接相應(yīng)的焊件，焊件與貨物之間墊上墊料，焊件底部與船舶甲板焊為一體。

①中的系固方式是利用柔性系固索具將貨物和船舶連接起來進行系固，因此將其定義為柔性系固；②中的系固方式是利用鋼管或支架等剛性系固索具將船舶和貨物直接系固在一起；③中的系固方式是利用型鋼或組合的剛性構(gòu)件等將船舶和貨物間接連接在一起。②和③中系固方式的共同點是焊接物是剛性的，因此將這兩種系固方式均定義為剛性系固。

針對重大件貨物落支墩后的系固，本文采用①和③兩種方式相結(jié)合的系固方式，即用鋼絲繩或者鐵鏈等系固索具將重大件貨物系固于駁船的甲板上，同時在貨物底部的支墩周圍焊接止動塊，防止在拖航運輸途中支墩發(fā)生滑動，如圖6所示。

2.4.2 約束力計算。破斷強度(BS)：系固設(shè)備在拉伸試驗中使其達到破斷狀態(tài)時的拉力，制造廠家應(yīng)提供系固設(shè)備的破斷強度資料。

圖6 重大件系固示意圖

最大系固負荷(MSL)：用以確定系固設(shè)備系固貨物時所允許的最大負荷能力，它等于系固設(shè)備的破斷強度乘以相應(yīng)的系數(shù)δ，即：

各系固設(shè)備材料的相應(yīng)系數(shù)見表1。

表1 系固設(shè)備系數(shù)

當多個設(shè)備串聯(lián)使用時，MSL取其中的最小者。

計算強度（CS）：考慮到貨物系固時可能存在受力不均勻、系固水平限制或其他因數(shù)，應(yīng)取適當安全系數(shù)來折減最大系固負荷，折減后的MSL 則稱為系固設(shè)備的計算強度，安全系數(shù)取1.35[5]。

表1中各系固設(shè)備的系數(shù)是IMO《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》基于10 級風以上的遠洋運輸海況進行折減所得，而本文中的重大件港里倒運一般海況較好，風級為6 級以下，因此若是采用表1 的系數(shù)進行系固力計算過于保守，勞動強度大且不經(jīng)濟。由于鐵鏈、地令和卸扣等系固索具均為首次使用，且港內(nèi)海況平穩(wěn)，根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗，取CS=MSL=BS×0.9 認為是安全、經(jīng)濟且高效的。

重大件貨物橫向滑動和縱向滑動約束力的計算公式如下[6]：

式中：u 為貨件底部與甲板之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)兩者之間的材料來取值；g 為重力加速度，取g=9.81m/s2；CSi、CSj為橫向和縱向上每根系索的計算強度；fi、fj為橫向和縱向上每根系索的計算系數(shù)，fi=cosαcosβ+μsinα，fj=cosαsinβ+μsinα。

作用于貨件上的橫向約束力矩與傾覆力矩方向相反，由貨物自身具有的重量約束力矩和系索提供的約束力矩兩部分組成。約束力矩公式表示如式（10）所示：

式中：b'為貨物重心至橫向翻到軸的水平距離(m)，對于重量橫向?qū)ΨQ的貨件，可取其底部寬度的1/2；當貨物橫向不對稱時，應(yīng)分別計算；li為橫向翻到軸至各系索的垂直距離(m)，也就是系索的系固力臂，可由式（11）進行計算：

式中：hc為系固點距貨件底部高度(m)；b 為貨物寬度(m)。

在重大件貨物系固中，止動塊通常采用等邊直角焊的方式進行焊接，如圖7 所示，l為焊縫長度(mm)，h為焊縫高度(mm)，則單個止動塊的約束力可按式（12）進行估算[7]：

式中：σ為止動塊材料的屈服強度，通常取235N/mm2；δ為安全系數(shù)。

2.4.3 約束力設(shè)計原則。防止重大件貨物發(fā)生滑動的約束力分為三部分，第一部分由重大件與墊料之間產(chǎn)生的摩擦力所提供，第二部分由鋼絲繩等系固索具提供，第三部分由焊接在支墩周圍的止動塊對支墩產(chǎn)生的約束力提供。重大件貨物的約束力矩由自身的重量矩和系固索具產(chǎn)生的約束力矩一起提供。約束力的設(shè)計原則如下：

貨物任一側(cè)（左舷或右舷）的系固設(shè)備的MSL之和應(yīng)大于等于該貨物的重量，并在貨物支墩周圍適當焊接止動塊防止支墩滑動。

約束力設(shè)計可用公式（13）表示：

式中：Ff為重大件貨物與墊料產(chǎn)生的摩擦力；Fy為重大件貨物橫向合外力；Fx為重大件貨物縱向合外力；Fy1為系固索具的橫向約束力；Fy2為止動塊的橫向約束力；Fx1為系固索具的縱向設(shè)計約束力。

2.4.4 系固方案校核標準。重大件貨物的系固方案需要進行校核，只有當各項均滿足要求時，方可認為該方案是可行的。系固方案的校核標準如公式(14)所示[6]：

式中：Fy、Fx分別為橫向、縱向合外力；[Fy1]、[Fy2]分別為左、右側(cè)橫向約束力；[Fx1]、[Fx2]分別為前、后側(cè)縱向約束力；My為橫向合外力矩；[My]為橫向約束力矩。

3 滾卸

駁船將重大件貨物運輸?shù)诌_碼頭后，根據(jù)船舶吃水和碼頭標高，結(jié)合潮汐情況可選擇適當時機頂靠進行重大件滾卸，如圖8所示。

假設(shè)碼頭標高h，潮高t，駁船型深H，吃水d，則潮水應(yīng)滿足[8]：

重大件滾卸時，應(yīng)注意利用駁船的壓載水調(diào)節(jié)功能調(diào)節(jié)駁船的浮態(tài)，使得在滾卸過程中駁船的甲板面與碼頭面保持平齊，保證滾卸的順利進行。為保證滾卸安全，通常在落潮時滾卸，漲潮時滾裝。

圖8 重大件貨物滾卸

4 現(xiàn)場運輸

重大件貨物滾卸完畢后，從碼頭到卸車現(xiàn)場之間需要利用SPMT 進行短距離運輸（簡稱短倒），SPMT在運輸時通常采用三點支撐的支撐方式，并根據(jù)貨物尺寸和重量拼接車輛的長度和寬度。裝載時將貨物重心與車輛的支撐中心對齊，這樣使得車輛具有良好的穩(wěn)定性，但由于貨物的制造、裝配誤差和現(xiàn)場的測量條件，很難保證貨物重心與車輛的支撐中心絕對對齊，會產(chǎn)生裝載重心偏移，使車板發(fā)生傾斜，如圖9 所示，導致車輛在運行時的穩(wěn)定性降低。所以在必要時，需通過調(diào)整車輛各回路編點的懸架數(shù)量，改變支撐三角形的形狀，從而改變車輛的穩(wěn)定性。下面對當貨物與SPMT 牢固捆綁為一體時的三點支撐方式的穩(wěn)定性進行分析[9]。

圖9 SPMT的支撐和裝載偏差

如圖10所示，AB所在的與地面平行的平面稱為穩(wěn)定面，A、B 點為懸架擺臂縱軸所在的位置，h3為穩(wěn)定面高度，它與平板車輪胎規(guī)格有關(guān)，一般取值270mm-300mm 之間，β1max、β2max為車貨系統(tǒng)左右最大穩(wěn)定角，當貨物重心位于液壓平板車縱軸心線上時，左右穩(wěn)定角相等。

圖10 液壓平板車的穩(wěn)定面

圖中G1為貨物重心，其高度為h1；G2為平板車重心，其高度h2受液壓懸掛的影響，一般取液壓平板車正常行駛時的高度；G為車貨重心，h是其重心高度，則：

那么車貨系統(tǒng)相對于穩(wěn)定面的重心高度為：

如圖11 所示為采用三點支撐的液壓平板車，已知大件貨物偏載距為|x0|、|y0|，車貨重心在穩(wěn)定面上的投影點C 的坐標(x0,y0)；已知Z1(x1,y1)、Z2(x2,y2)、Z3(x3,y3)三點坐標值。此處為計算方便SPMT 采用的是偶數(shù)縱列即y1=y2，當縱列為奇數(shù)時要注意y1≠y2。

圖11 貨物偏載穩(wěn)定性計算

由兩點確定直線Z3Z的方程為：

直線Z3Z與直線Z1Z2的交點Z的坐標為：

由于穩(wěn)定線AC＜BC，那么只求較小穩(wěn)定角β1即可判斷其穩(wěn)定性情況，在ΔZ3ZZ1中有：

即

在ΔACG中可求出穩(wěn)定角β1為：

當大件貨物重心剛好和坐標系原點重合時，即無裝載偏差時，車貨系統(tǒng)左右穩(wěn)定角β1=β2，如圖12所示。

圖12 貨物無偏載穩(wěn)定性計算

在ΔZ3ZZ1中可求出AC長度為：

在ΔACG中可求出穩(wěn)定角β1為：

三點支撐的穩(wěn)定角應(yīng)滿足：β1＞7°。

5 案例分析

某罐體重大件貨物R 內(nèi)徑5.4m，長28.4m，重500t，底部鞍座寬度8.5m，系固點距離甲板7.1m，支墩高度1.5m，左右對稱積載于駁船船中，貨物重心距船首42.65m，距船舷12.2m，如圖13 所示?，F(xiàn)將該貨物通過駁船從A 港拖航至B 碼頭滾卸，駁船型長85.3m，型寬24.4m，型深4.88m，拖航時的平均吃水為1.8m。

圖13 貨物R在駁船上的積載

系固材料：破斷強度BS=20t 的新鐵鏈、尺寸為25cm×25cm×40cm的H型鋼、破斷強度BS=36t的新地令。

系固方案：貨物R左右兩側(cè)各拉28道鐵鏈，垂向系固角為45°，橫向系固角為0°；每個支墩左右各雙面燒焊1 個H 型鋼，貨物左右各4 個支墩，單側(cè)共需要8個H型鋼，焊縫長度50cm，焊縫高度1cm；貨物鞍座和支墩之間以及支墩和駁船甲板之間均墊上橡膠皮。計算結(jié)果見表2。

表2 系固方案計算結(jié)果

由表2 的計算結(jié)果可知，系固方案滿足公式(14)的校核標準，故該系固方案可以實施。

貨物R 利用SPMT 運輸時的配車為4 縱列20 軸線，其運輸穩(wěn)定性分析如下（如圖14所示）：

圖14 運輸穩(wěn)定性示意圖

計算傾翻三角形的底邊長度：

式中：a為SPMT兩支撐點間距，2 900mm；b為貨物重心所在平面與平板車相交線。

代入數(shù)據(jù)，得：

計算整體重心距地面高度H：

式中：G1 為SPMT 的重量，100.8t；H1為SPMT 的重心高度，750mm；G2為貨物R 的重量，500t；H2為貨物R的重心高度，2 700+1 500mm。

帶入數(shù)據(jù)，得：

車貨系統(tǒng)相對于穩(wěn)定面的重心高度：

SPMT車組的橫向穩(wěn)定角：

帶入數(shù)據(jù)，得

由于橫向穩(wěn)定角ψ ＞7°，所以可認為SPMT 運輸重大件貨物R時的橫向穩(wěn)定性滿足要求。

6 結(jié)論

由于環(huán)境復雜多樣，重大件貨物的運輸需要適應(yīng)各種不同的現(xiàn)場條件，本文重大件貨物的多式聯(lián)運方式就是為適應(yīng)特定的項目現(xiàn)場而采用的。本文通過分析得到以下結(jié)論：

（1）當貨物對稱積載于船中時，受到的合外力最小，因此應(yīng)優(yōu)先考慮將重大件積載于船中位置，有利于貨物的安全運輸。

（2）對于重大件落支墩拖航運輸?shù)南倒?，柔性和剛性?lián)合系固的方式較傳統(tǒng)的柔性系固，既可保證貨物自身的系固，也能防止由于支墩滑動而造成貨物掉落的危險，同時止動塊可由人工通過錘子解除與甲板的焊接，便于現(xiàn)場操作，安全而高效。

（3）文章針對重大件貨物港內(nèi)短距離拖航運輸，由于海況較好，貨物系固時可根據(jù)現(xiàn)場情況對IMO《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》中系固設(shè)備的系數(shù)進行優(yōu)化，文中取0.9，在保證安全的前提下，節(jié)省了綁扎材料，降低了勞動強度，安全而經(jīng)濟，可為類似的重大件運輸提供參考。

（4）重大件貨物在滾卸過程中，應(yīng)根據(jù)船舶吃水，結(jié)合碼頭標高和潮汐情況來指導駁船的壓載水調(diào)節(jié)，實現(xiàn)重大件貨物的安全滾卸。

（5）文中分析和論證了SPMT運輸重大件貨物三點支撐的穩(wěn)定性，可作為重大件貨物短倒運輸時SPMT 穩(wěn)定性的計算依據(jù)，為SPMT 運輸重大件貨物的穩(wěn)定性計算提供了參考。