運木船可倒立柱拉放鋼絲繩受力分析及長度設計

許詠斌

摘 要：為避免可倒立柱拉放鋼絲繩在受力前后長度變化對木材綁扎系統的不利影響，對鋼絲繩的每個典型狀態進行了受力分析，發現只有少部分鋼絲繩受到很大的拉力。為此，提出了對受力大的鋼絲繩使用預張拉技術，并加放永久伸長量；對受力小的鋼絲繩則按理論長度設計的方案，解決了生產中的難題。本文還簡述了運木船木材綁扎系統拉放鋼絲繩長度設計的要點，在滿足使用要求的前提下，使綁扎系統的設計更簡單、安全和可靠。

關鍵詞：運木船；木材綁扎系統；可倒立柱；預張拉

中圖分類號：U667.1 文獻標識碼：A

Abstract： In order to prevent wire ropes length transformation after pulling which is harmful to log lashing system， this paper analyzes the stress for wire ropes on each typical condition and finds only a few are on great strain. Based on this， pre-tensioning wire ropes are used and permanent elongation is added for great strain. For most wire ropes at small force， theoretical length is used in design. This paper also introduces the matters needing attention to design pulling wire ropes for the sake of making the design more simplified， economical， safe and reliable under the premise of satisfying the using requirements

Key words： Log carrier； Log lashing system； Collapsible stanchion； Pre-tensioning wire rope

1 前言

綁扎系統是運木船的重要系統，一般認為系統中的鋼絲繩受拉力后會伸長，所以在訂購鋼絲繩時會扣掉鋼絲繩的拉伸長度。但是往往忽視了分析鋼絲繩的受力情況，其實通過計算我們發現每根鋼絲繩所受到的最大拉力是相差非常大的，大部分鋼絲繩受力都比較小，伸長量可以忽略。如果我們將每根鋼絲繩都按同樣的伸長量減少訂貨長度，將會導致綁扎系統的鋼絲繩松緊程度不一，使可倒立柱拉放不順，嚴重時甚至會導致可倒立柱出現扭曲變形，影響使用壽命。

本文結合我司39 800 DWT運木船的綁扎系統鋼絲繩長度設計，分析綁扎立柱在拉放過程中每根鋼絲繩的受力情況。根據受力計算結果，對于受力較小的鋼絲繩按理論長度訂貨，而對于受力較大的鋼絲繩則采用預張力技術，并通過計算預張拉后鋼絲繩的永久伸長量，調整鋼絲繩兩端的眼板位置，從而解決綁扎立柱鋼絲繩在拉放過程中長度發生變化的問題。

2 可倒立柱拉放過程中鋼絲繩受力分析

2.1 可倒立柱基本情況

本船3號貨艙兩側可倒立柱數量最多，在拉放時鋼絲繩需要的拉力最大，故以此貨艙作典型分析，其它貨艙類似。可倒立柱高度9.5 m，每個立柱重量約1.95t，共計有8根可倒立柱，見圖1。其中18根拉放用鋼絲繩，每根鋼絲繩長度均相同，且平行布置。上排鋼絲繩命名為F，中排鋼絲繩命名為T，下排鋼絲繩命名為K，其中僅第一根可倒立柱右側有三根鋼絲繩。

可倒立柱處于存放狀態時的位置設為初始位置，此時每根鋼絲繩處于松弛狀態，均未受力，如圖2。

2.2 可倒立柱拉放狀態一及鋼絲繩受力計算

見圖3。

2.3 可倒立柱拉放狀態二及鋼絲繩受力計算

見圖4。

當第三根可倒立柱剛開始拉第二根可倒立柱時，設為拉放狀態二。此時第二根可倒立柱僅下排鋼絲繩處于受力狀態。根據力矩平衡原理，計算此時鋼絲繩的受力情況如表2。

當第三根可倒立柱拉動第二根可倒立柱到臨界位置時，設為拉放狀態三。此時第二根可倒立柱僅下排鋼絲繩處于受力狀態。根據力矩平衡理，計算此時鋼絲繩的受力情況如表3。

2.5 可倒立柱拉放狀態四及鋼絲繩受力計算

見圖6。

當第二根可倒立柱剛開始拉第一根可倒立柱時，設為拉放狀態四。此時第一、二根可倒立柱僅下排鋼絲繩處于受力狀態，根據力矩平衡原理，計算此時鋼絲繩的受力情況表4。

2.6 可倒立柱拉放狀態五及鋼絲繩受力計算

見圖7。

當第二根可倒立柱拉動第一根可倒立柱到臨界位置時，設為拉放狀態五。此時僅第一根可倒立柱下排鋼絲繩處于受力狀態，第二根可倒立柱上下兩根鋼絲繩均受力拉緊，根據力矩平衡原理，計算此時鋼絲繩的受力情況如表5。

2.7 可倒立柱拉放狀態六及鋼絲繩受力計算

見圖8。

當第二根可倒立柱將第一根可倒立柱拉起時，設為拉放狀態六。此時第一、二根可倒立柱上、下排鋼絲繩均受力拉緊，根據力矩平衡原理，計算此時鋼絲繩的受力情況如表6。

3 可倒立柱拉放鋼絲繩預張拉技術的應用

本船綁扎系統選用點接觸鋼絲繩6X37+FC：其中F8選用Φ28 mm，破斷負荷大于400 kN；其余選用Φ26 mm，破斷負荷大于353 kN。

對于F0、T0、T2、T3、T4、T5、T6、T7這八根沒有受力的鋼絲繩和F1、F2這兩根受力較小的鋼絲繩，可以認為其在拉放過程中基本沒有伸長，訂貨時按理論長度訂貨即可；但對于K1、T2、F3、F4、F5、F6、F7這七根鋼絲繩，由于所受拉力從58.6 kN到130 kN跨度很大，其伸長量也不相同，故很難進行計算。

對于上述受力較大的七根鋼絲繩，可以采用預張拉技術，消除因不同拉力產生不同伸長而導致的鋼絲繩長短不一的問題。預張拉技術是在一定的張拉循環次數和停留時間下對鋼絲繩以最小破斷拉力的50%施加載荷（也可特別規定載荷），它能夠有效消除鋼絲繩的結構伸長以及鋼絲繩的捻制應力，使鋼絲繩中股和鋼絲受力均勻，大大提高鋼絲繩的使用壽命。

鋼絲繩經過預張拉后，可以通過鋼絲繩的永久伸長率來計算鋼絲繩的永久伸長：

永久伸長率=（L2/L1-1）X100% （3）

式中，L1為鋼絲繩未遭受猛烈拉力影響段的平均捻距值；L2為鋼絲繩遭受猛烈拉力段的平均捻距值。

鋼絲繩永久伸長率的測量方法規定：把鋼絲繩式樣夾緊在拉力試驗機上，施加最小破斷負荷拉力2%的初負荷，標記好250 mm以上的距離L1為標記長度，然后以不大于50 mm/min的拉伸速度加載到最小破斷拉力的50%（保持10～12s），再卸載到初負荷，測出標記長度L2，并按上式（3）計算永久伸長率的值。

4 可倒立柱鋼絲繩永久拉伸量計算

由于F8鋼絲繩一端是自由端，與甲板吊吊鉤連接，不需要考慮在拉放過程中鋼絲繩的延伸率。針對K1、T2、F3、F4、F5、F6、F7這七根鋼絲繩采用預張拉工藝，施加最小破斷拉力的50%即176 kN后，鋼絲繩的伸長量ΔL=L2-L1=δ*L1=18 mm （L1= 2 566 mm，δ=6.88‰）。

由于綁扎系統的7根鋼絲繩做了預張拉處理而產生了18 mm的永久伸長量，其長度將會由目前的2566 mm變為2 584 mm。可倒立柱設計過程中，需要修改這7根鋼絲繩兩端眼板的位置來適應變長了的鋼絲繩。

5 其它注意事項

在定購鋼絲繩過程中，需要注意以下問題：

（1）由于鋼絲繩兩端有鋁套壓接，導致整條鋼絲繩索具的破斷負荷有0.1倍的折減系數。因此在預張拉施加載荷時，應該以折減后整條鋼絲繩的破斷負荷的50%施加載荷，以免發生安全事故。

（2）訂貨時要求廠家按要求先試生產一條，按要求預張拉后檢查鋼絲繩的伸長度是否為18 mm，以檢驗計算是否準確。

（3）對于預張拉的鋼絲繩，需要在繩頭兩端的鋁套壓接上做預張拉標記，并注明預張拉的拉力，以免和其它鋼絲繩混淆使用。

（4）在給船東的完工資料上需注明哪些鋼絲繩是需要預張拉的，預張拉的拉力是多少，以便船東更換鋼絲繩時不會出現問題。

6 結束語

近年來，我司共計制造了四型運木船，在如何確定鋼絲繩的長度方面做了多種嘗試。最初的32500DWT船，是利用一套工裝鋼絲繩來做拉放調試，拉放合格后測量最終的鋼絲繩長度，再將此長度減去15 mm的拉伸量給廠家制作鋼絲繩。此方法嚴重影響生產周期，且出現大量鋼絲繩被拉得太緊，影響可倒立柱和鋼絲繩的使用壽命。

隨后在37 000 DWT船我們通過優化眼板布置，將鋼絲繩全部設計成相同的長度，并采用了鏈條代替鋼絲繩，效果良好，但是采購成本偏高，且熱鍍鋅的鏈條在使用過程中容易銹蝕。

在后續的39 000 DWT船我們仍選用了鋼絲繩，鋼絲繩的長度是按照理論計算長度減去5 mm，再要求廠家按最大公差-10 mm制作鋼絲繩。但是在調試過程中還是出現了鋼絲繩有長有短的情況，只能通過現場修改眼板的位置來解決問題。

后來我們對39 000 DWT船的拉放過程做受力分析和計算，發現每根鋼絲繩在拉放過程中所受到的最大拉力相差非常大，大部分鋼絲繩受力很小或者不受力，但是訂購鋼絲繩時也將其長度減少了，這非常不合理。因此在后續的39 800 DWT船設計時，我們對少數受拉力很大的鋼絲繩采用預張拉技術，有效地消除了后續船拉放過程中鋼絲繩的伸長問題。采用此方案后，不僅為船廠節約了成本，縮短了安裝調試周期，也有利于船舶的后續運營和維護，大大提高鋼絲繩的使用壽命。

參考文獻

[1]顏慧珍.鋼絲繩的伸長率與預張拉技術. 寧夏恒力鋼絲繩股份有限

公司.