內河砂石散貨船不同裝載的性能分析

貨船運輸的物品種類有雜貨、散貨等，雖然運輸的物品千差萬別，但作為內河散貨運輸，由于存在散貨滑移和散貨中存在的自由液面影響，使得散貨運輸的船舶穩性相對比雜貨船差，而短途運輸沙石船的工作狀況尤其令人憂慮。這些船舶運送沙石的路程短，行程在幾個小時內，屬于港區運輸作業，并且在短期內完成砂石的反復裝卸，船體在短期內也反復受彎壓應力驟變的影響，這樣容易造成船體板格的疲勞損害。

內河砂石散貨船受力分析

下面就存在的情況以實際有代表性的船型為例，從技術角度就這種情況進一步說明：

例如，某內河船船長L=38m，型寬B=7.8m，型深D=2.4m，船舶為尾機型，設計吃水T=2.0m，空船重量P1=100t，滿載貨物P=400t，船舶采用3根龍骨制，并且中部貨艙為內舷結構。經過實船計算，不論船底骨架采用龍骨結構或桁材結構，船舶的中剖面模數大約為W=95000cm3，船舶布置簡圖如下：

我們計算船舶總縱彎曲時，把船舶沿船長分為若干等分（如10或20等），然后把每個等份內的船舶在某個裝載時的重量和該等分內在該吃水情況下所受浮力計算出來，每個等份的單位重量和單位浮力沿船長分布形成重量曲線w(x)和浮力曲線b(x)，兩者經疊加形成載荷曲線n(x)=∫w(x)dx-∫b(x)dx，它沿船長的積分值分布形成剪力曲線N(x)=∫n(x)dx，再沿著船長的積分就可以得到船舶在該吃水下的靜水彎矩曲線M(w)=∫N(x)dx。當然我們知道船舶在水中是一個復雜的受力系統，考慮到船舶受力情形不單包括它在靜水中的剪力和彎矩，我們還要考慮波浪引起的附加剪力和附加彎矩。對船舶受到靜水剪力和靜水彎矩的計算可以根據船舶靜水力學的理論進行，而波浪附加剪力和彎矩的計算由于比較復雜，但在有關規范中有相關規定，因此可以參考有關規定進行。

以上所列的船舶正常設計吃水時的裝載和超載情況下的排水量一般為：設計狀態△=500t(P1+P)；超載狀態下：△=650t（查船舶有關靜水力計算資料），由此超載量達150t左右，而因此產生的經濟效益比正常裝載高出37.5%，加上砂石運輸是在處于臨水臨河城鎮的沙場附近從事短途的港內運輸作業，主管部門（海事部門）對這種區域間運輸船舶的管理主要是實行定期簽證（最長期限每3個月簽證1次），因此這也是許多船主不顧安全，與水上交通安全主管部門（海事部門）進行貓鼠游戲、冒險超載運輸的原因所在。

下面以滿載和超載兩種裝載情況來進一步說明船舶的結構強度和穩性等特點，以上兩種載況下重量曲線和浮力曲線如下表所示：

把本船沿船長方向分為10個站，計算結果如下表：

上表中：重量分布曲線w， w—t/m ;浮力分布曲線b，b—t/m；載荷曲線n=w-b，n—t/m；

得到以上的原始數據后，可以根據上述辦法進一步計算可得出靜水彎矩M，船舶受到的波浪附加彎矩按照規范規定可用如下式子：Fw=αFk1K2LB(kn)（中拱狀態），FW=αFk1LB （kn）（中垂狀態），對系數αF和K1，K2在規范中會有相應的規定，并且波浪附加彎矩沿船長方向有不同的分布，通過規范規定的分布值計算出船長方向不同分段的分布值，通過對靜水彎矩和波浪附加彎矩的復合可以得到每個分段最大值和最小值的組合值，這些組合值形成彎矩和剪力組合包絡曲線，這些曲線說明，船舶在該裝載情況下有可能達到的剪力和彎矩值，通過這樣可求得船舶每個斷面所受的應力情況，剪力和彎矩極值對應的應力就是本船的應力極值。由于船舶剪力作用對某個斷面的影響不如彎矩大，船舶的斷面也能滿足單純剪力作用的要求，在此我們主要考慮彎矩的作用，以上數據經過計算可以得到彎矩包絡絕對值的極值：滿載：Mmax=5790 KN.m；超載Mmax=8774 KN.m。因此船舶受彎曲應力δ=M/W，相應的各載況的彎曲應力：滿載δ=60 N/mm2；超載：δ=92 N/mm2。這兩個彎應力都不超過規定的船舶骨材受力的極限值（船底處δ=157 N/mm2，艙口圍板處δ=195 N/mm2）。因此不管在滿載還是在超載情況下，船舶骨架的結構強度都能滿足要求，但考慮到鋼質板材在受力達到0.3倍許可應力（船底處δ=47.1 N/mm2，貨艙圍板處δ=58.5 N/mm2），并且反復進行應力的施加和釋放時，骨架板材容易產生疲勞斷裂。砂石運輸船就屬于這種情形，一般沙船一個月內可完成十多次的反復頻繁裝卸，正因為沙船的營運特點，使得船體在中拱和中垂間反復變化，引起船體骨架疲勞損壞，許多同類船型發生骨架或船體斷裂造成海損事故就是這個原因。

內河砂石散貨船穩性分析

船舶從事砂石運輸時，由于砂石從河床中撈起，含有水分，這些水的存在會產生自由液面，對船舶穩性存在很大的影響，尤其是超載狀況下。我們不妨假定船舶空船重量中心高度Zg1=2.04m(按照同類船型統計資料Zg一般在0.8-0.9D之間，D—型深，本例取Zg=0.85D)，沙石重心高度Zg2=2.0m（貨物雙層底高度一般為0.75m，貨艙圍板高度0.8m，規定正常裝載情況下，船舶裝載貨物不得超出貨艙圍板，而且不管貨物出于何種情形，其重心高度一般取貨艙形心中心，本船貨艙形心中心高度Zg=1.95m，為偏于保守計算，本例取Zg=2.0m），船舶滿載狀況下重心高度為Zg=∑piZgi/∑pi，根據該公式計算，滿載時系統重心高度Zg=2.01m。但在超載情況下，船舶裝載的沙石高度大大超出貨艙圍板，最保守估算超出0.6m左右，此時系統重心高度Zg=2.24m，一般衡量船舶穩性的數據主要是重心高度和初穩性高度GM，重心Zg越高，初穩性高度GM越小，兩者相加就是船舶的橫穩心高度ZM，即ZM= Zg+GM，當然由于船寬方向船舶的橫穩性要比船長方向的縱穩性差，這里僅考慮船寬方向的橫穩性，在某一吃水時，ZM是一個固定值，假定船舶為四方排水體積時，ZM可用下列公式計算：ZM=I/V=B2/（12T），（T—吃水），根據以上數據，我們得知船舶在滿載時初穩性高度大約為GM=0.52m，這時船舶的穩性還有所保證，但是在超載時經以上已知數據估算出船舶初穩性高度GM=-0.13m＜0m，這時船舶裝載不滿足穩性要求，這是船舶穩性所不允許的，這種情形船舶可以說“弱不經風”，一有突發的外力隨時都有傾覆翻沉的可能。

一般船舶裝載應該同時滿足結構、穩性、形狀干舷等三種情況下的干舷要求，因此滿足要求的船舶干舷應該取這三種情況下的最大值，而且船舶裝載情況下的最小傾側力矩應不小于扣除橫搖影響后船舶各種力矩如：風壓傾側力矩等。為給船舶保持一定的穩性余量，規范對這幾種狀況都做了最小值的規定，例如規定自由液面影響后初穩性高度最小值，不同的船型這個規定值有差異。

通過以上分析，我們認為內河運砂船舶裝載應該在滿載吃水下裝載，不能為一時利益而違規超載，具有縱向桁材結構的雙層底船改裝為安裝抓斗的自挖自航運砂船時，其結構安全有保障，但對于實肋板、龍骨加支柱支撐的具有載貨甲板縱桁的雙層底結構，其船舶骨架結構嚴格上不能稱之為雙層底，充其量只能算為單底加支柱和載貨平臺甲板結構，其局部強度受力會使船底骨架失穩斷裂，進而使船舶傾覆翻沉，應該禁止這類船舶改裝成自挖自運沙船。