船用帶纜樁選型方法探討

(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

隨著動力和載重的不斷提升，船舶在進行系泊、拖帶等操作時，會產生巨大載荷，這就要求船上有合適強力點用于吸收載荷以避免對船體結構產生破壞。最新的UR A2(2016)規定了帶纜樁拖帶和帶纜2種受力情況，但除了ISO 13795—2012略有提及外，其他標準沒有更新，船廠在進行帶纜樁選型時會存在局限性。如何在滿足強度要求的情況下，選取體積小、質量輕的帶纜樁，成為優化船舶舾裝設計的一個重要課題。為此，在充分理解帶纜樁規范要求及ISO標準制定依據的力學模型上，從工程學角度，通過優化帶纜樁外形結構、利用強度公式核算，提出選型方法，用于支持帶纜樁的選型設計。

1 方案思路

根據長期工程實踐，總結帶纜樁的選型流程見圖1。

2 帶纜樁結構形式

目前常用的帶纜樁結構形式主要有2型，見圖2。主體均為薄壁圓筒，主要差別在于基座補強形式。

以DIN標準為代表(A型)的帶纜樁結構緊湊,筒體內部設置補板，纜樁底座也相應簡化，在相同筒體外徑、間距的情況下，筒體高度相對較低。簡化底座、降低高度能夠節省鋼材，也有利于空船重量的降低。

以JIS標準為代表(B型)的帶纜樁有矩形底座，對纜樁筒體的補強形式為外側設置加強材。優點是強度較大，但對于帶纜甲板空間小而舾裝數較大的船舶，布置這種纜樁將有很大困難。

一般推薦使用A型帶纜樁。

3 帶纜樁強度

帶纜樁作為受力構件可以看作是一端固定的薄壁圓筒，應根據纜繩作用點不同進行分類討論并進行強度校核。

3.1 彎曲校核

當纜繩的作用點離纜樁根部較遠時，可以將帶纜樁視作懸臂梁處理，根據彎曲正應力公式：

其中:σa為許用彎曲正應力，數值上等于材料屈服強度；Da為筒體外徑；da為內徑。

代入即得到彎曲校核公式：

(1)

式中:PB為構件截面因受彎達到許用正應力時施加在構件上的載荷。為方便描述，簡稱為許用彎曲載荷;H為纜繩作用點的高度。

3.2 剪切校核

帶纜樁作用點離根部較近，此時帶纜樁已經不能認為是細長梁，必須進行彎曲剪應力的校核。帶纜樁筒體為薄壁圓筒結構(見圖3)，這種結構適用環形截面梁的彎曲剪應力計算公式。

(2)

式中：δ為纜樁筒體厚度。

受力模型如圖3所示，其中：

剪切力Q=PS；Ro為帶纜樁筒體內外半徑的平均值；

式中:PS為構件截面因受剪達到許用切應力時施加在構件上的載荷。為方便描述，簡稱為許用剪切載荷。

則剪切校核公式為

(3)

式中:τa為許用切應力，數值上等于0.6倍材料屈服強度。

上述式(1)、式(3)中，筒體高度和內外徑由帶纜樁結構決定，而許用彎曲及剪切應力由材質決定。根據船級社聯合會UR A2(2016)要求，帶纜樁許用彎曲應力為100%所用材料屈服點，許用剪切應力為60%所用材料屈服點[1]。至此，帶纜樁的許用剪切載荷與許用彎曲載荷均能夠確定。

4 纜繩設計載荷

作用在帶纜樁上的纜繩主要有2類用途：系泊和拖帶，2種工況的纜繩設計載荷有所不同。

系泊纜繩依據系泊力選型，系泊力由舾裝數決定，因此系泊纜繩的工作載荷主要由船舶本身參數決定。而拖帶主要出現在各類運河或港口，由拖輪提供纜繩，所以拖帶的纜繩工作載荷一般由港口或者運河當局提供。

得到纜繩的工作載荷后，依據UR A2(2016)的要求，將其乘以1.25倍作為設計載荷進行考慮。對于同時用于拖帶和系泊的帶纜樁，取大者作為其設計載荷。

纜繩的設計載荷由其工作載荷惟一確定，只要工作載荷確定，即使選取了最小破斷力更大的纜繩，其設計載荷也應保持不變，UR A2(2016)中對此也有明確。

5 帶纜樁設計載荷

在確定纜繩的設計載荷后，為得到實際作用在帶纜樁上的設計載荷，需討論纜繩的帶纜方式，這里的帶纜方式包含兩方面含義：纜繩作用點高度及纜繩纏繞方式。

5.1 纜繩作用點高度影響

纜繩的作用點高度直接影響纜繩作用在帶纜樁上的彎矩。根據前述帶纜樁強度的校核說明，帶纜樁在受到纜繩作用力時，其橫截面將出現彎曲和剪切應力，其中彎曲應力根據纜繩的作用點而相應產生變化，剪切應力始終保持不變。以ISO標準、型號400B、A32帶纜樁為例，繪制作用點高度(H)與彎曲載荷(PB)、剪切載荷(PS)見圖4。

由圖4可見，當纜繩作用點較低時，許用彎曲載荷遠大于許用剪切載荷，此時纜樁的破壞主要由剪切應力引起；隨著纜繩作用點高度增加，帶纜樁的許用彎曲載荷不斷變小，當高度H>315 mm后，許用彎曲載荷小于許用剪切載荷，此時彎曲載荷成為引起帶纜樁破壞的主要因素。換言之，當纜繩作用點較低時，應當校核帶纜樁的抗剪切能力；纜繩作用點高時，應當校核其抗彎曲能力。

5.2 纜繩纏繞方式的影響

纜繩的纏繞方式也影響作用在帶纜樁上的設計載荷。纜繩的纏繞方式主要有套環形式和“8”字帶纜2種。套環形式多見于拖帶情況，而系泊時主要采用“8”字帶纜。

對于套環形式，如果纜繩的設計載荷為F，那么帶纜樁設計載荷也為F；而“8”字帶纜會對帶纜樁產生2倍的作用力，為防止這種情況發生，船廠一般使用改善的“8”字帶纜形式，見圖5。

改善后的“8”字帶纜僅對纜樁產生1倍纜繩設計載荷，這也是OCIMF(石油公司國際海事論壇)推薦的帶纜形式[2]。

經上述說明，可以通過帶纜樁的結構與材料得到帶纜樁的許用彎曲載荷和許用剪切載荷，在獲得纜繩設計載荷及帶纜方式信息后，只需根據纜繩作用點高度選擇需要校核的強度，同時跟許用載荷進行對比以選出符合強度要求的帶纜樁。下面通過對纜繩作用點高度對比研究，就如何選取進行總結。

1)UR_A2中要求，拖帶和系泊的纜繩，至少應當考慮作用高度在4/5筒體高度以上，但如果安裝有翼板，則可以將系泊的纜繩作用高度限制在翼板的高度以下。

2)ISO、JIS等標準考慮套環、單繩“8”字帶纜的纜繩的作用點高度在4/5筒體高度處，而雙繩“8”字帶纜的作用點在筒體根部，這也是為了避免校核雙繩“8”字帶纜這種極端情況下的彎曲應力，因為這將大大增加纜樁所需的最低強度。

6 帶纜樁標準及使用方法介紹

目前常見的帶纜樁標準有DIN 82607—1995，ISO 13795—2012，JIS F2001—1995[3-5]。但上述標準只有ISO 13795—2012進行過更新，選擇面小，無法進行經濟性選擇。根據實際使用經驗，各類標準存在對帶纜樁強度要求偏高或拖帶載荷缺失的問題[6]，若船廠完全根據工業標準進行選型，不僅會因為選取的帶纜樁規格高于實際需要而帶來經濟上的浪費，也會使得帶纜甲板空間局促，影響前期的布置以及后期的使用。因此，有必要聯系帶纜樁使用實際，結合選型經驗，制定自己合適的標準。

帶纜樁的標準應當包含兩個核心內容：指導制作的結構形式；指導設計選型的許用載荷。

6.1 帶纜樁的載荷信息

確定帶纜樁外形后，計算其許用剪切載荷與許用彎曲載荷。但選型時，設計者入手的信息往往是纜繩破斷力或者港口、拖輪提供纜繩的工作載荷，為方便選型，帶纜樁許用載荷需要轉化為纜繩設計載荷，這就需要考慮不同的帶纜模型。綜合各國工業標準[3-5]以及上述分析，NDS標準考慮工程實用性，將帶纜樁的帶纜情況歸納為4類，見表1和圖6。

表1 帶纜方式對比表

上述帶纜方式根據規范要求，都需要考慮纜繩作用點至少在4/5纜樁筒體高度以上，所以應當校核帶纜樁的抗彎曲能力。纜繩以套環方式或推薦的“8”字帶纜系固時，纜繩上的力與作用在纜樁上的力大小相等，故纜繩設計載荷即為許用彎曲載荷PB，而常規單繩“8”字帶纜時，纜繩上的力為作用在纜樁上的力的2倍，因此可以承受的纜繩設計載荷為許用載荷的1/2。所以制定的標準中需要反映以下信息。

PB=2×Designload(常規“8”字帶纜)=

Designload(套環)=Designload(推薦“8”字帶纜)

雙繩“8”字帶纜，因為系固于帶纜樁根部，根據上文分析，應以許用剪切載荷為準。此時纜繩上的力為作用在帶纜樁上的力的4倍，所以設計載荷為許用剪切載荷的1/4，即

PS=4×Designload(雙繩常規“8”字帶纜)

6.2 帶纜樁標準使用注意點

在設定帶纜樁標準時，建議給出不同帶纜情況下的許用纜繩設計載荷。但是在實際操作中，推薦以Designload(套環)或Designload(推薦“8”字帶纜)為準進行選型，原因如下。

1)常規“8”字帶纜形式對帶纜樁產生的作用力為2倍纜繩設計載荷，不推薦使用，在帶纜布置圖紙中需要明確標示，并且纜樁上也制作了相應銘牌以防止船員誤操作，見圖7。

2)雙繩“8”字帶纜情況極端，很少使用，通常不予考慮。

6.3 帶纜樁標準經濟性考慮

由于DIN標準中最大外徑為320 mm，當前船舶很少使用320 mm以下規格帶纜樁，現將ISO、JIS及我司新制定的標準(NDS)中常用的名義型號500的帶纜樁信息列出如下，方便比較。

由表2可見，同型號的帶纜樁，ISO、NDS比JIS重量輕，尺寸?。煌亓康膸Ю|樁，NDS比ISO所承受的載荷稍大。

表2 帶纜樁標準對比

7 結論

帶纜樁的選型涉及纜樁強度計算、帶纜方式和纜繩設計載荷的確定等，其核心是強度和載荷的比較，因為帶纜系統的多樣性間接導致了選型的復雜。制定標準的過程中應盡可能地覆蓋這種多樣性，并且將結果詳盡地制作成表格提供給設計者，以免設計者重復進行類似的計算工作。

根據推薦方法進行帶纜樁選型，可以確保帶纜樁強度符合要求，而強度校核是選型最基礎也最重要的一步，帶纜樁作為一個標準品，強度與其尺寸一一對應，往往無法滿足實船的全部需求?？紤]經濟性，選擇半徑小的帶纜樁，可能導致彎曲半徑不滿足纜繩要求[6]；另外，標準的底座也可能因在卷筒上方出繩而不夠高。諸如此類問題，都需要設計者在作業過程中細心考慮，方能妥善完成帶纜樁的選型工作。

[1] IACS UR A2, Shipboard fittings and supporting hull structures associated with towing and mooring on conventional ships[S].2016.

[2] Ships and marine technology-ship’s mooring and towing fittings-welded steel bollards for sea-going vessels：ISO 13795—2012[S].ISO,2012.

[3] DIN 82607—1995，Bollard [S].DIN,1995.

[4] JIS F規格集(船體)：JIS F2001—1995，Bollard [S].財團法人 日本船舶標準協會，2001.

[5] 倪偉平,江曉玲.船舶系泊屬具標準梳理分析[J].船舶設計通訊,2014(2)：82-86.

[6] 李江波,沈正湘,韓樹剛,等.船舶高負荷帶纜樁設計方法[J].船海工程,2015(2)：47-50.