系泊設(shè)備下船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

系泊設(shè)備包括系泊絞車(mooring winch)，帶纜樁(bollard)，導(dǎo)纜器(fairleader)等。設(shè)計(jì)規(guī)范中雖然對船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有一定的要求，但是比較籠統(tǒng)，沒有明確的計(jì)算方法。為此，討論用靜力學(xué)方法求解船舶系泊設(shè)備的甲板下構(gòu)件的強(qiáng)度校核。以期對新船設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度校核具有一定的參考作用。

1 典型系泊設(shè)備的強(qiáng)度校核方法

1.1 安全系數(shù)

按照相關(guān)規(guī)范(MSC Cir. 1175, IACS UR A2)[1-2],設(shè)計(jì)安全系數(shù)一般取1.25。安全系數(shù)的引入，是考慮到動(dòng)載荷、焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)腐蝕、以及計(jì)算模型的誤差等因素的影響。

1.2 系泊絞車的載荷分析

系泊絞車的機(jī)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 系泊絞車的機(jī)構(gòu)示意

系泊絞車在工作時(shí)，纜繩繞在卷筒上，通過卷筒側(cè)方的剎車制動(dòng)。剎車力由剎車帶的摩擦力提供，因此最大的剎車力是一定的，剎車帶通過桿件連接到甲板上固定。而纜繩的破斷力相對大一些，一般在剎車失效時(shí)也不會破斷，即剎車會在纜繩過載時(shí)松開。絞車的安全工作載荷即是最大剎車能力(支持負(fù)載[3])，而不是纜繩的破斷力，設(shè)計(jì)載荷由最大剎車能力乘以安全系數(shù)獲得。注意，最大剎車能力不是剎車上的力，而是剎車達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)纜繩上的拉力見圖2。

圖2 絞車卷筒的受力

一般來說，絞車的剎車會在纜繩過載時(shí)松開，絞車的剎車能力通常設(shè)置為60%～80%的纜繩破斷力。

但是也有標(biāo)準(zhǔn)[4]認(rèn)為在絞車制動(dòng)過緊時(shí)，極端情況下絞車會承擔(dān)100%的纜繩破斷力，從而要求按纜繩破斷力乘以安全系數(shù)作為設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇設(shè)計(jì)載荷F。

F=最大剎車能力(SWL)×安全系數(shù)(1.25)

由轉(zhuǎn)矩平衡(圖2)，推導(dǎo)得出剎車力T

T=F×r/L

卷筒由中心軸支撐，中心軸分別產(chǎn)生大小為F和T的支反力，如圖3所示。

卷筒中心軸上的支反力的反作用力作用在支撐架上。分析支撐架，水平方向，在止動(dòng)塊的位置產(chǎn)生反力F。為了與F產(chǎn)生的彎矩F×H平衡，在支撐腳的位置產(chǎn)生了力偶F×H/B。作為T的反力，在支撐腳的位置又產(chǎn)生了兩個(gè)同向的力T/2。

圖3 絞車支撐架的受力

前面從側(cè)向考慮了甲板下結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)載荷，在平面上，由于纜繩的作用位置與卷筒兩側(cè)的支撐架位置錯(cuò)位，需要根據(jù)纜繩距兩側(cè)支撐架的距離L1Ⅰ、L2Ⅰ、L1Ⅱ和L2Ⅱ確定設(shè)計(jì)載荷在兩側(cè)支撐架上的分力。剎車力同樣如此。

以雙卷筒絞車為例，見圖4。

圖4 雙卷筒絞車的平面受力示意

纜繩的位置不確定，可以在卷筒的長度范圍內(nèi)自由移動(dòng)，即L1Ⅰ、L2Ⅰ、L1Ⅱ和L2Ⅱ是變化的。保守起見，認(rèn)為作用在支撐架Ⅰ和支撐架Ⅲ上的力為100%設(shè)計(jì)載荷。對于支撐架Ⅱ，作用力為200%的設(shè)計(jì)載荷。而剎車的位置是固定的，設(shè)到各支撐架的距離由上至下分別為S1Ⅰ、S2Ⅰ、S1Ⅱ和S2Ⅱ，據(jù)此計(jì)算剎車力在各支撐架上的分力。考慮到剎車離支撐架Ⅱ很近，近似認(rèn)為剎車力完全作用在支撐架Ⅱ上。

綜上，各支撐腳(每個(gè)支撐架上前后兩個(gè)支撐腳)的受力如下。

式中：“+”、“-”——靠近出繩側(cè)和遠(yuǎn)離出繩側(cè)的支撐腳上的受力；

L2Ⅰ_max——纜繩位于卷筒Ⅰ的最上端時(shí)離支撐架Ⅱ的距離；

L1Ⅰ_max——纜繩位于卷筒Ⅰ的最下端離支撐架Ⅰ的距離；

L2Ⅱ_max——纜繩位于卷筒Ⅱ的最上端離支撐架Ⅲ的距離；

L1Ⅱ_max——纜繩位于卷筒Ⅱ的最下端離支撐架Ⅱ的距離。

在近似計(jì)算時(shí)，取

上述各支撐腳的受力可以簡化為

支撐架Ⅰ：±F×H/B;

支撐架Ⅱ：±2F×H/B+T;

支撐架Ⅲ：±F×H/B。

由以上載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核獲得的結(jié)果偏于安全。

此外，還要考慮絞車的重力在各個(gè)支撐腳上的分量G/6。

除了各支撐腳上的載荷，剎車是單獨(dú)連接到甲板上的，也要把剎車力作為載荷作用到計(jì)算模型上。

1.3 導(dǎo)纜孔、帶纜樁的載荷分析

導(dǎo)纜孔和帶纜樁[5]的安全工作載荷(SWL)一般取自纜繩的要求最小破斷力(Minimum Breaking Load)，它既不是纜繩上的工作力，也不是纜繩的安全工作載荷。日常使用中，SWL大約是兩倍的纜繩上會受到的最大拉力，而且這個(gè)拉力在正常情況下很難達(dá)到。

系泊和拖帶設(shè)備的設(shè)計(jì)載荷的確定有所不同。拖帶分為正常拖帶(港拖)和伴航拖帶，其中正常拖帶時(shí)，設(shè)計(jì)載荷(纜繩拉力)取為1.25倍的系柱拖力，而伴航拖帶時(shí)，設(shè)計(jì)載荷(纜繩拉力)取為纜繩的破斷強(qiáng)度即可。系泊工況時(shí)，作用在系泊設(shè)備和船體支持結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)載荷取為1.25倍的纜繩破斷力。對于作用在拖帶或系泊設(shè)備下的船體支撐結(jié)構(gòu)上的總載荷，在以上基礎(chǔ)上，按系泊設(shè)備的受力情況來確定，但不必超過纜繩設(shè)計(jì)載荷的2倍。

圖5 滾筒式導(dǎo)纜器的受力示意

圖5中，導(dǎo)纜器的設(shè)計(jì)載荷F=安全工作載荷(SWL)×安全系數(shù)(1.00或1.25)。

若設(shè)計(jì)載荷的夾角為θ，則有

F′= 2F×cos(θ/2)≤2F

1.4 計(jì)算模型

如果計(jì)算載荷僅局限于單跨之間，可選取單跨梁模型計(jì)算。如多個(gè)載荷分布于相鄰兩跨或多跨間，需要選取連續(xù)梁模型計(jì)算。要恰當(dāng)考慮梁的邊界條件，對于連續(xù)構(gòu)件，邊界條件一般設(shè)為固支，對于獨(dú)立構(gòu)件，邊界條件一般設(shè)為簡支。

對于補(bǔ)強(qiáng)材的剖面模數(shù)或剪切面積的計(jì)算，需要在總厚度的基礎(chǔ)上扣除腐蝕余量，腐蝕余量根據(jù)CSR規(guī)范(按所在艙室選取)或各船級社規(guī)范(一般取2.0 mm)選擇。

1.5 許用應(yīng)力

補(bǔ)強(qiáng)材的強(qiáng)度校核分別驗(yàn)證正應(yīng)力和剪切應(yīng)力。其中，正應(yīng)力為彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力之和，正應(yīng)力許用值取材料的最小屈服應(yīng)力，剪切應(yīng)力許用值取60%的材料最小屈服應(yīng)力[6]。不考慮應(yīng)力集中的影響。

如果系泊設(shè)備位于船中區(qū)域，且船體補(bǔ)強(qiáng)材是縱向構(gòu)件，參與船體梁總縱強(qiáng)度。則對系泊設(shè)備的局部載荷進(jìn)行計(jì)算，推導(dǎo)出局部彎曲應(yīng)力后，還應(yīng)該疊加上船體梁總縱彎曲應(yīng)力，再驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。甲板位置的總縱彎曲應(yīng)力基于最大的靜水彎矩。船舶在系泊的工況下，一般無需考慮波浪彎矩。對于首尾區(qū)域的系泊設(shè)備補(bǔ)強(qiáng)，由于靜水彎矩值較小，可以忽略總縱彎曲應(yīng)力的影響。

2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 系泊布置

船裝設(shè)計(jì)在確定系泊布置圖時(shí)，應(yīng)與船體設(shè)計(jì)充分協(xié)商，盡量將系泊設(shè)備布置在強(qiáng)構(gòu)件的上方，如縱桁、橫梁等，以便于有效地分布載荷，減少結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。另外，應(yīng)極力避免因施工空間不足等原因引起的無法補(bǔ)強(qiáng)或補(bǔ)強(qiáng)不充分的情況。

2.2 復(fù)板或塞板(局部增厚)的選擇

一些大型的系泊設(shè)備與甲板板之間是通過輔機(jī)臺連接的，如系泊絞車等；另外一些小型的系泊設(shè)備，如帶纜樁、導(dǎo)纜器等，往往直接與甲板板連接，當(dāng)甲板板厚度不足時(shí)(小于16 mm)，一般通過在甲板板上焊接復(fù)板或者將甲板板局部增厚來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。采用復(fù)板補(bǔ)強(qiáng)的方法相對來說更經(jīng)濟(jì)，但缺點(diǎn)是無法傳遞大的拉伸載荷。原因是，載荷僅僅通過復(fù)板四周的角焊縫傳遞到甲板上，而且角焊縫一般與甲板下的加強(qiáng)材不對齊。因此推薦采用塞板的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

但是，在船中承受高應(yīng)力的區(qū)域，且系泊設(shè)備很小時(shí)，如果采用塞板的話，會產(chǎn)生由焊接引起的收縮應(yīng)力，從而導(dǎo)致?lián)p傷的出現(xiàn)。此時(shí)，更適合采用復(fù)板補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)然，大型的鋼質(zhì)海船，由于船體梁總縱強(qiáng)度的要求，船中甲板的板厚較大，一般無需增加復(fù)板或塞板，直接焊接即可。

如果甲板板厚比上部的設(shè)備和下方的補(bǔ)強(qiáng)材薄，焊接以后可能引起甲板的層向撕裂。而且上方設(shè)備和下方補(bǔ)強(qiáng)的不對正會引起很大的甲板彎曲應(yīng)力。基于這個(gè)原因，推薦在甲板板厚小于焊接在上方構(gòu)件的位置設(shè)置插入板。

對于復(fù)板，為了防止拉伸載荷引起復(fù)板在寬度方向的彎曲，從而引起復(fù)板與甲板的脫離，需要限定復(fù)板的寬度和厚度。設(shè)計(jì)使用基準(zhǔn)見表1。

表1 復(fù)板的尺寸與帶纜樁的關(guān)系 mm

2.3 焊接

當(dāng)系泊設(shè)備與補(bǔ)強(qiáng)材上下對齊時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)材的焊接按照各船級社規(guī)范進(jìn)行即可。

對于特殊的系泊設(shè)備，例如根部與甲板連接部分為圓形的滾筒式導(dǎo)纜器(deck roller)，由于甲板下補(bǔ)強(qiáng)材無法與導(dǎo)纜器對齊，兩者之間直接的連接面積不足。為了防止大的拉伸載荷引起補(bǔ)強(qiáng)材與甲板板脫離，通常將補(bǔ)強(qiáng)材與甲板連接的角焊縫設(shè)計(jì)為深熔焊或全焊透。

2.4 系泊設(shè)備與圓弧舷緣的連接

對于甲板邊板與舷頂列板采用圓弧形式的船舶，船中區(qū)域板的材質(zhì)往往是設(shè)置為D或E級，以防止脆性裂紋的產(chǎn)生和傳播。而這些位置的導(dǎo)纜孔外緣需要和外板一線對齊以避免纜繩劃傷圓弧舷緣。此時(shí)，應(yīng)該注意導(dǎo)纜孔不能直接焊接到圓弧舷緣上，以防止產(chǎn)生硬點(diǎn)導(dǎo)致應(yīng)力集中。一般是在兩者之間增加復(fù)板或者懸臂式的輔機(jī)臺。

2.5 采用高強(qiáng)鋼的系泊設(shè)備

為了減少重量、增加強(qiáng)度，一些系泊設(shè)備采用高強(qiáng)度鋼制造。在對這些系泊設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，如果其下方的甲板結(jié)構(gòu)采用的是低于其等級的鋼板，應(yīng)予以注意。特別是系泊設(shè)備的最大應(yīng)力位于根部，且甲板采用的是軟鋼或厚度不夠時(shí)，可以采用挖補(bǔ)高強(qiáng)鋼板的形式對甲板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。甲板橫梁或縱骨在類似的情況下，也可以局部更換為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。

2.6 應(yīng)力集中

參與總縱強(qiáng)度的構(gòu)件用作補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，可能在端部出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生疲勞破壞。因此應(yīng)盡快能采用橫向補(bǔ)強(qiáng)，如果縱向補(bǔ)強(qiáng)不可避免時(shí)，應(yīng)設(shè)置端部肘板等構(gòu)件用作過渡。

3 結(jié)論

在總結(jié)各船級社規(guī)范以及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對船舶拖曳及系泊設(shè)備的補(bǔ)強(qiáng)材的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，對典型的拖曳和系泊設(shè)備，給出明確的設(shè)計(jì)載荷、計(jì)算模型以及設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)。用以規(guī)范船舶拖曳及系泊設(shè)備的甲板下加強(qiáng)件的強(qiáng)度校核方法，明確船體補(bǔ)強(qiáng)的注意點(diǎn)。所述強(qiáng)度校核方法和設(shè)計(jì)注意點(diǎn)可供船體設(shè)計(jì)人員參考。

[1] MSC. Circular. 1175: Guidance on shipboard towing and mooring equipment[S]. MSC,2005.

[2] IACS. UR A: Requirements concerning Mooring, Anchoring and Towing[S]. 2007.

[3] 國家質(zhì)檢總局.GB/T 554-2008:帶纜樁[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4] Oil Companies International Marine Forum. Mooring Equipment Guidelines 3rd Edition[S]. United Kingdom: Witherby Seamanship International, 2008.

[5] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 4446-1995:系泊絞車[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

[6] BV. Rules for the Classification of Steel Ships[S].BV,2009.