船舶運動載荷對起重船船體構件的影響

龍濤 陽宇麟

摘 要：本文從我國《起重設備法定檢驗技術規則》有關船舶運動載荷的計算方法入手，根據運動載荷大小與船舶運動參數之間的對應關系，通過典型實例揭示了船舶運動參數對載荷計算結果影響的基本量值，并對船舶設計者提出了計算中需要考慮的相關因素。

關鍵詞：船舶； 起重； 載荷； 計算

中圖分類號：U663.2 文獻標識碼：A

1 引言

隨著我國海工建設領域的發展，船舶與海上設施的起重設備也呈現大型化、復雜化，并且形成自港區、沿海向近海、遠洋發展的趨勢。船舶起重設備的多元化發展，也影響了與其相關的船舶結構和有關構件的設計型式。

起重機是典型的船上起重設備，其通常處于兩種狀態：作業和放置。出于安全考慮，起重機通常僅要求在港區或對海浪有良好遮蔽的海域內作業，這在中國海事局頒布的《起重設備法定檢驗技術規則》（以下簡稱《起重法規》）中有明確的表述。然而，在放置狀態下，船舶往往要在相對惡劣的海況下航行，所以船上起重機在放置狀態下船舶的運動形式，決定了與起重機、起重機放置裝置相關聯的船體構件的設計與選取。

影響船體構件的附加載荷，到底在多大程度上受船舶運動型式的影響，其載荷大小與運動參數之間的量值關系如何，目前有關法規文件并沒有給出具體的指引，而這恰恰是船舶設計和船舶運營者非常關心的問題。本文擬通過典型算例予以揭示，并提供建議參考。

2 計算依據和方法

《起重法規》在起重機、升降機和跳板的章節中，均包含對船舶運動載荷的要求，這是根據起重機在放置狀態下，考慮船舶的運動形式，計算和選取與起重機、起重機放置裝置關聯的船體構件的依據。

這些要求包括：

（1）考慮起重機自身重量或與重量的分力有關的靜載荷；

（2）考慮船舶在波浪上橫搖、縱搖、垂蕩產生的動載荷；

（3）考慮風壓載荷。

除上述外，船舶結構設計還要考慮這些受力最不利的組合狀況。根據這些受力和受力組合的計算，可得出起重機因船舶運動而施加給船體的總運動載荷，進而推算出相關構件的尺寸。

首先，確定起重機放置狀態下船舶運動的邊界條件，如縱、橫、垂向的加速度值、最大橫傾角值、風速值等；其次，計算船舶的運動參數，如實際縱、橫傾角、垂蕩幅度、搖擺周期；第三，根據運動參數，輔以船舶基本要素（船舶主尺度、重量重心、初穩性高度、起重機的幾何位置等），計算出起重機在船舶運動狀態下的動、靜載荷分力；最后，是計算船體結構強度衡準，即將上述計算結果代入起重機支撐結構的強度計算中，通過建立起重機及其連接船體結構的模型，將最不利的受力組合狀態加載給起重柱，選擇合適的構件尺寸，確保在各種工況下、各相關船體構件的計算應力不大于材料的許用應力，如滿足則船體構件的設計和強度衡準便完成。

《起重法規》給出了常規船型在上述三維加速度等邊界條件下的搖擺周期、運動幅值和動、靜載荷分力的計算方法與換算公式。

3 計算分析和結論

本文選取一普通起重船，在不考慮風壓載荷的情況下，通過分別校核橫搖角10°與30°下船舶所承受的各向載荷分力，探尋并揭示船體載荷與船舶運動幅度之間的大致關系。

3.1 船舶基本要素

3.2 船舶運動參數計算

（1）根據《起重法規》，在橫搖角30°時：

①運動的最大單幅值

在橫搖角10°時：上述系數除最大橫搖值φ=10°外，其余單幅值與周期均與橫搖角30°時相同。

3.3 運動分力計算

根據《起重法規》，船舶運動分力的計算公式如表1。

分別計算橫搖角為30°和10°時的三維運動分力，計算結果如表2（第一數值代表橫搖角30°的計算結果；第二數值代表橫搖角10°的計算結果，兩者相差用百分比表示）。

由表2可見，隨著船舶運動的橫搖角由10°增加到30°，垂直于甲板的動/靜載荷增加幅度不大，而平行于甲板的橫向動、靜載荷，均幾乎增加到兩倍左右，這必將大幅影響相關構件的選取尺寸。

4 實際應用建議

為便于表述，將起重機的幾何重心設定在船舶重心的垂線上，旨在排除運動載荷計算時，因初始傾側力矩導致的前后向、左右向的動靜載荷不平衡，但實際上往往存在起重機重心偏心布置的情況。

對于常規運輸船上作輔助裝卸用的起重設備而言，由于其自重往往較小，按橫搖角30°計入運動載荷后，計算所得的船體構件尺寸也不會太大，較易滿足要求。

而對于大型起重船而言，由于其起重設備的自重往往較大，若按橫搖30°計入運動載荷后，其計算所得的船體構件尺寸較大，存在一定困難。由于這類大型起重船一般采用寬深比較大的箱型船體型式，船舶進水角往往達不到30°，故在運動載荷的計算過程中，橫搖角最大取至船舶進水角即可。