大型集裝箱船橫艙壁結構形式探討

李丹丹 韓 鈺 陳樂昆

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

大型集裝箱船橫艙壁結構形式探討

李丹丹 韓 鈺 陳樂昆

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

橫艙壁作為集裝箱船的重要結構之一，不僅要支撐貨艙導軌，還要支撐其上部的艙口蓋、綁扎橋及上面堆放的集裝箱。與其他船型相比，集裝箱船的甲板具有大開口特性，船的橫向強度及扭轉強度更多地依賴橫艙壁。集裝箱船其他區域的結構形式相對較為固化，但其橫艙壁的結構形式具有多樣性，文中介紹了集裝箱船橫艙壁的三種主要形式（垂直式、水平式、混合式），并進行對比分析，從而有助于設計相關設計人員根據貨艙實際裝箱情況，選取合適的橫艙壁形式。

集裝箱船；水密橫艙壁；支撐橫艙壁；混合式橫艙壁；橫向強度

引 言

伴隨著集裝箱航運市場的持續低迷，在安全的前提下，各個設計公司及船廠努力優化集裝箱船的設計，降低空船質量，從而達到集裝箱船性能指標優異，以搶占市場。集裝箱船特別是超大型集裝箱船，明顯不同于其他船型：貨艙開口較寬且很長，整船的橫向強度主要依賴于橫艙壁。船體的扭轉強度，尤其是貨艙段的變形也因橫艙壁而得到有效控制。根據橫艙壁的功能其主要分為水密橫艙壁和支撐橫艙壁兩種。本文分別介紹其各自的結構特點，以及一種改進的混合型的橫艙壁結構形式。

1 集裝箱船橫艙壁的作用及用途

集裝箱船通常在兩個標準集裝箱（一個40 ft集裝箱長度）之間設置橫艙壁/支撐橫艙壁，一般與橫向艙口圍板對齊，從而構成雙板型的箱型結構，以便更有效裝載及支撐集裝箱；同時，集裝箱船貨艙區域的功能化模塊也設置在橫艙壁范圍內。對于超大型集裝箱船，橫艙壁在垂向范圍內，通常從內底或貨艙最底部，一直延伸至橫向艙口圍板頂。橫艙壁的前后兩側設有集裝箱導軌，方便集裝箱的吊裝，導軌通常延伸至最下層的集裝箱頂部，這樣集裝箱在裝卸貨的時候都能順著導軌，以確保集裝箱裝卸的準確高效。當船舶縱傾時，集裝箱通過導軌將縱向力傳遞至橫艙壁。貨艙區域船體縱剖面圖如圖1所示。

橫艙壁的頂部支撐著兩側貨艙的艙口蓋以及綁扎橋，為了能夠多裝箱子，故力求在艙口蓋上堆裝最大層數和最多堆重的集裝箱，由此產生較大反作用力作用于橫艙壁，制約著橫艙壁的剛度及強度。為了確保艙口蓋上的集裝箱在航行過程中不會因為船舶的運動而發生移動及丟失，集裝箱船甲板面上通常設有綁扎橋。綁扎橋能夠較好地把艙口蓋上最下3～4層的集裝箱系固在船體上。綁扎橋的寬度需滿足CSS（Cargo Stowage and Securing）code［1］中橫向通道的最小要求，這在一定程度上限制了集裝箱船橫艙壁雙板間的最小寬度。

雙板型橫艙壁參數見表1。

表1 雙板型橫艙壁參數mm

雙板型橫艙壁內需要布置貨艙污水井、壓載艙的管系、進入貨艙的梯道、貨艙通風管路等功能性模塊，這些布置在一定程度上削弱了橫艙壁的結構強度。對于部分燃油艙/壓載水艙艙容緊張的集裝箱船，會在水密橫艙壁處設置燃油深艙/壓載水艙。

2 橫艙壁抗扭設計

由于集裝箱船大開口的特性，船體梁會承受各種載荷下的聯合作用——靜水彎矩、貨物和不對稱液艙室布置引起的靜水扭矩、垂向彎矩、水平彎矩等。可以看出具有大開口的集裝箱船不僅有縱向的彎曲，扭轉變形也是其主要特征之一。而在開口區域內設置多個水密橫艙壁和支撐橫艙壁，不但可以增強開口區域的剛度，也可以抑制船體梁扭轉變形。

集裝箱船水密橫艙壁和支撐橫艙壁通常在其頂部設置由雙向板架構成的橫向抗扭箱，并在端部設置大型肘板與縱艙壁連接，用以提供足夠的強度來承受由船體梁扭轉而引起的扭矩。橫向抗扭箱的抗扭強度取決與雙向板架的高度及雙向板的厚度。

橫艙壁的抗扭能力可通過計算分析彎扭合成應力來校核。彎矩合成應力可使用BV的Mars2000軟件進行分析，在剖面計算時迭加上翹曲應力，求得總的合成應力，并將總合成應力同許用應力比較，判斷結構是否滿足強度要求。最后可采用全船有限元分析的扭合成應力分析結構進行驗證。

船體薄壁梁模型以及全船有限元模型參見圖2、圖3。

3 水密橫艙壁及支撐橫艙壁形式

集裝箱船的橫艙壁通常分為水密橫艙壁和支撐橫艙壁。水密橫艙壁的一側是一個完整的水密板架，另一側則為桁架形式；而支撐艙壁的兩端均為桁架式。

由于船舶的破艙穩性的要求，集裝箱船設有多道水密橫艙壁。通常為縱向每2個40 ft集裝箱長度處設一道水密艙壁，有的超大型集裝箱船每3個40 ft集裝箱長度設一道水密艙壁。水密橫艙壁通常作為貨艙的邊界，將集裝箱船劃分為若干個貨艙。水密橫艙壁作為集裝箱船最主要的受力構件之一，保證集裝箱船的垂向強度、橫向強度［2］及扭轉強度，同時水密橫艙壁還需要能夠承受在貨艙破損狀態下的水壓力。

支撐橫艙壁位于兩道水密橫艙壁之間，不同于水密橫艙壁，其雙板型兩側均為敞開式的桁架。故支撐橫艙壁無論在垂向還是橫向都比水密橫艙壁的承載能力弱。

根據橫艙壁平臺/桁材的布置形式，可分為垂向式、水平式和混合式。

3.1 垂向式

垂向式是在每個橫向箱位向都設置垂直桁，每2～3個集裝箱高度處設置水平平臺的結構形式。其水平的結構平臺個數明顯少于垂直桁個數，該結構形式能夠承受較大的垂向載荷。垂向式的橫艙壁（見圖4）在超大型集裝箱船上運用較廣［3］。由于水密橫艙壁要承擔船舶破艙水壓力，水密橫艙壁的下部分一般采用垂向式的結構形式。部分船的支撐橫艙壁下部也采用垂向式的結構形式。

3.2 水平式

水平式是指在高度方向每個箱位間都設置水平平臺，橫向每隔若干個箱寬處設置垂直桁的結構形式。其水平的結構平臺個數大于垂直桁個數，該結構形式的單個垂直桁承受更大的載荷，其構件尺寸會大很多。水平式橫艙壁結構形式多用于貨艙裝有冷藏集裝箱的情況［3］，每層設有結構平臺，方便冷箱集裝箱的調控，參見下頁圖5。

3.3 混合式

混合式是介于垂直式和水平式之間，水平平臺和垂直桁均是每隔一個箱位間設置。由于平臺及垂直桁的總數量較少，該結構形式的橫艙壁的質量相對較輕。參見圖6。

4 改進的混合式橫艙壁

混合式的橫艙壁作為較優的結構形式，在超大型集裝箱船中尚未廣泛運用。不過，混合式的橫艙壁雖然質量較輕，但對建造精度要求較高。由于混合式橫艙壁自身平臺及垂直桁較少、間距較大，通常間隔大于5 m；另一方面超大型集裝箱船的橫艙壁普遍很高、很寬，通常高度近30 m，單個橫艙壁分段寬度近20 m。對于單片橫艙壁分段，無論是運輸、翻身、吊裝還是大合攏，控制橫艙壁的變形，提高建造精度一直是個難題。

由于混合式橫艙壁的平臺及垂直桁是每隔一個箱位處設置，這樣必然會在中間出現空缺部分，導軌無法有效地支持在橫艙壁上，致使導軌變形［4］。通常在兩個垂直桁之間設置角鋼（見圖6），并在導軌相應固定處沿縱向方向加強，但這同時也帶來了一定缺陷。

集裝箱船為大開口型船舶，在斜浪工況下的扭轉變形較大，橫艙壁作為抗扭的主要受力構件，會產生較大的扭轉變形。橫艙壁的垂直桁構件相對較強，連接其上的角鋼自身強度較弱，且受制于連接形式，容易產生疲勞問題。若要解決連接處的疲勞問題，就需要一種新的結構形式取代原先的角鋼。

改進的混合式橫艙壁將傳統的角鋼連接改為T型材連接（見圖7）。其優勢在于，T型材面板與垂直桁面板相連時，可以增設軟趾，并可根據計算結果局部嵌入厚板或將軟趾放大。

5 改進的混合式橫艙壁結構強度分析

本文結合我院開發設計的某超大型集裝箱船，依據GL 2015年規范［5］中關于艙段有限元的要求，運用Posiedon軟件對改進混合式艙壁進行強度分析計算，參見圖8—圖10。為計算方便，取半寬模型，縱向取1/2+1+1/2范圍，模型邊界、計算工況及應力、屈曲衡準參考相應規范要求。

艙段有限元分析計算工況見表2。

表2 艙段有限元分析計算工況

改進的混合式橫艙壁結構應力及變形量統計值參見表3。

表3 改進的混合式橫艙壁結構應力及變形量統計表

在考慮集裝箱對橫艙壁作用力的情況下，改進的混合式橫艙壁結構經由有限元分析計算可知，應力值及相對變形量均滿足設計要求。

6 結 論

集裝箱船橫艙壁的結構形式一般分為水平式、垂直式和混合式，可根據貨艙實際裝箱情況，選取合適的橫艙壁形式。在貨艙內不考慮裝運冷藏集裝箱的情況下，采用混合式的橫艙壁形式，更能減輕結構質量。

改進的混合式橫艙壁由于主要結構構件間距加大，給工廠的施工建造中控制變形量帶來一定的難度，但其以下優點顯而易見：

（1）混合式橫艙壁由于平臺或垂直桁數量較少，相對結構較輕。在滿足相等結構強度前提下，對于單個橫艙壁，混合式比垂直式減輕5%左右，比水平式減輕8%左右。

（2）改進的混合式橫艙壁，運用T型材連接形式替代傳統角鋼連接形式，能很好地解決節點連接處的疲勞問題。

［1］ IMO. Code of Safe Practice for Cargo Stowage and Securing［S］. 2011.

［2］ 韓鈺，陳磊，王偉飛，等.超大型集裝箱船的結構設計［J］. 船舶與海洋工程，2015（4）：10-17.

［3］ 陳皓，李文賀，彭貴勝. 超大型集裝箱船結構設計關鍵技術分析［J］. 上海船舶運輸科學研究所學報，2015（1）：32-36.

［4］ 劉保華，郭俊林，呂紫維，等. 超大型集裝箱船導軌架分段階段安裝技術研究［J］. 造船技術， 2015（5）：46-51.

［5］ GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2015.

Discussion on structure type of transverse bulkhead of

large container vessel
LI Dan-dan HAN Yu CHEN Le-kun (Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The transverse bulkhead, as one of the most important structures of a container vessel, not only supports the container guide rail, but also the hatch covers, the lashing bridges and the containers above the deck in comparison with other ship types, the larger openings on the deck of the container vessel lead the transverse and torsion strength of the ship more dependent upon the transverse bulkheads. Other regions of the container vessel have relatively fi xed structure type, while the transverse bulkhead has various structure type. This paper introduces and compares the three main structure types of the transverse bulkhead of the container vessel, i.e. vertical type, horizontal type and mixed type. It will help the designers to select the appropriate structure type for the transverse bulkhead according to the actual packing situation of the cargo hold.

container vessel; watertight transverse bulkhead; support transverse bulkhead; mixed type transverse bulkhead; transverse strength

U663.4

A

1001-9855（2017）04-0047-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.047

工信部高技術船舶科研計劃支持項目（工信部聯裝［2016］25號）

2016-11-18；

2016-12-23

李丹丹（1978-），女，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結構設計。

韓 鈺（1980-），男，碩士，研究員。研究方向：船舶結構設計。

陳樂昆（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計。