某火車滾裝船棧橋連接系統優化設計

丁 超，郭晟江，李 健

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

1 前言

火車滾裝船是滾裝船（RO-RO VESSEL）的一種，火車車廂通過滾裝的方式上船/下船，使得陸上鐵軌可以跨越江河湖海延伸到更遠的地方；火車滾裝船在裝卸貨過程中，船舶自身浮態以及港池潮位的變化將引起火車滾裝甲板與岸基火車軌道的相對位置動態改變，而火車安全行駛對火車軌道的平整度、軌距以及坡度等均有較高要求，因此火車滾裝船需通過具有一定高程變化能力的棧橋來過渡完成火車裝卸作業，這段棧橋與船舶的連接系統是火車滾裝船設計建造中的關鍵技術之一。我國煙臺至大連航線的 “中鐵渤海1號”棧橋連接系統，采用兩跨式全焊變截面下承式鋼板梁[1]，屬于一種多跨式單層棧橋；瓊州海峽的 “粵海鐵1 號”，采用多處鉸接的活動鋼橋[2]，也屬于多跨式單層棧橋的范疇，即僅主甲板裝載火車。

本文主要介紹近年來我國設計和建造的全球最大的火車滾裝船，其上甲板和主甲板雙層甲板均用于裝載火車，每層甲板均設置火車軌道、頂升和綁扎系統，是當今國內外最新式最先進的火車滾裝船之一，具有裝載量大、綠色低碳環保、經濟高效的特質，特別是其棧橋連接系統的優化設計，解決了火車裝卸需采用全下再全上的方法，達到了2 小時內可完成136 節車廂的裝卸，也較好地化解了本船型裝載火車數量與建造投資經濟性之間的矛盾。

2 船舶主要要素

本文以最新交付的火車滾裝船“M/V CHEROKEE”號為目標船，該船于2021 年6 月交付，由中船集團上海船舶設計院設計、中船集團黃埔文沖造船有限公司建造，航行于美國莫比爾港和墨西哥科察科爾斯港之間，火車運輸距離由陸地上的1 400 mile縮短為900 mile[3]，其主尺度要素如表1 所示。

為了大幅度提高裝載火車車廂數量，該船由單層連續火車滾裝甲板升級為雙層連續火車滾裝甲板，火車車廂裝載數量由78 節標準車廂提升至136 節標準車廂，雙層連續火車滾裝甲板給船舶棧橋連接系統設計提出了嚴峻挑戰。

表1 主尺度要素

3 棧橋設計關鍵技術

棧橋通常采用單層多跨設計，如我國煙大線火車滾裝船“中鐵渤海1 號”：棧橋總長83 m，分為陸區橋和船區橋兩跨[4]；多層連續滾裝甲板，使用單層多跨式棧橋，船上需布置升降機、火車牽引機等車廂轉駁設備，其對火車滾裝船的影響主要有：

（1）由于單節火車車廂總重量通常在100 t 以上，轉駁設備自重大、成本高；

（2）由于火車車廂尺寸較大，使火車車廂轉駁設備占用滾裝甲板面積也大；

（3）火車車廂經升降、牽引、變軌等諸多轉駁作業步驟，滾裝效率明顯下降。

為了提高船舶建造經濟性和滾裝甲板面積利用率，該船優化設計，采用與船側相匹配的多層式棧橋，如圖1 所示：上層/下層棧橋分別與岸基上層/下層匝道通過鉸接方式連接，棧橋總長23 m，與船側對接端的高程變化范圍是+750 mm、-250 mm，與水平方向夾角范圍是+1.88°、-0.38°；棧橋高程變化的安全裕度范圍是+900 mm、-500 mm；船上各層滾裝甲板火車軌道可以通過棧橋直接與碼頭匝道的火車軌道對接，使火車車廂可以快速上下船，極大地提高了裝卸貨效率。

圖1 雙層棧橋

4 船舶與棧橋定位設計

目標碼頭為L 形，船舶通過倒車操船靠泊碼頭；火車車廂上船/下船通過船舶尾部開口，船上不設尾門或跳板，岸基棧橋直接連接于船舶尾封板處；船舶與棧橋定位設計，遵循安全、快速、可靠的原則，通過優化定位設計來控制船舶建造成本。

4.1 縱向定位設計

船舶與棧橋縱向定位（即沿船長方向），主要依靠船舶尾部系泊纜繩帶纜實現。經計算，目標船舾裝數處于3 600 ～3 800 范圍，系泊纜繩最小破斷負荷為587 kN，選用直徑64 mm 的PET/PP 復合纜繩，破斷負荷不小于618 kN；左右舷合計4 根，分別由4 臺系泊纜車的主卷筒出繩，如圖2 所示。

4.2 橫向定位設計

船舶與棧橋橫向定位（即沿船寬方向）主要依靠船舶尾部兩個定位柱實現：定位柱主體由一個三棱柱體構成，突出于尾封板，船舶左右兩舷各布置一個定位柱；在碼頭一側，布置與船側定位柱相匹配的兩個內凹棱柱，與船體上的定位柱對接，保證橫向定位精度，如圖2 所示。橫向定位影響火車軌道對接精度，因此橫向定位精度要求與鐵軌軌距精度要求屬于同一級別。

圖2 縱向定位、橫向定位、冗余定位設計

4.3 垂向定位設計

船舶與棧橋垂向設計（即沿型深方向），主要依靠船舶尾部支撐結構實現：火車裝卸過程中，船舶載重量會發生變化，引起船舶吃水改變，垂向定位設計需計入船舶浮態發生的變化；由于棧橋與岸基匝道通過鉸接相連，船舶浮態變化引起棧橋高程變化的同時，棧橋與船側連接點必然發生轉動。縱向、橫向定位是限制船舶的絕對位移，垂向定位則是限制船舶的相對位移，同時開放沿橫向轉動的自由度；在船舶尾部設置圓弧形支撐結構，棧橋末端搭接在上面，利用棧橋自身重力將橋體壓在船體上，并能夠跟隨船舶尾吃水變化而上下浮動，同時允許搭接點沿著弧形接觸面作微小轉動，如圖3 所示。圖3 中的支撐結構是船側垂向定位設計的關鍵結構，需承受棧橋的自重一半以及棧橋上火車車廂重量的一半，同時上層滾裝甲板的支撐結構還需滿足下層滾裝甲板凈高要求。基于設計載荷和構件尺寸限制，一種典型的支撐結構是以箱型梁作為核心構件。支撐結構與棧橋搭接處設計為圓弧形接觸面，在棧橋高程變化范圍內能夠保證接觸面積，其細節設計以及船舶與棧橋間隙的局部放大圖，如圖4 所示。

圖3 垂向定位設計

4.4 冗余定位設計

在縱向、橫向、垂向三向定位作業完成后，具備了船舶軌道與棧橋軌道對接的條件。在火車車廂裝卸過程中，船舶浮態變化將引起三向定位的輸入條件改變，三向定位的可靠性直接影響到火車車廂的行駛安全。為了鎖定船舶與棧橋的相對位置，增加冗余定位設計，在船舶軌道與棧橋軌道中間分別設計一個矮型帶纜樁，用鋼絲索緊固，保證棧橋側軌道與船體側軌道對接，提高火車車廂裝卸過程中船舶與棧橋定位的可靠性，纜樁位置如圖2 所示。

5 軌道對接方式

船舶靠泊完成、船舶浮態滿足裝卸貨要求、船舶與棧橋三向定位完成后，可進行船舶與棧橋兩端軌道對接作業：軌道對接采用平斷面對接法，船側軌道橫斷面在尾封板平面內，棧橋側軌道斷面在棧橋前端面，每根鐵軌采用兩塊腹板通過螺栓將軌道斷面連接起來；對接后，船側軌道斷面與棧橋側軌道斷面理論間隙為20 mm，如圖4 所示；腹板上的螺栓孔采用腰圓孔形式，以便適應軌道對接前的定位誤差。

圖4 軌道連接方式

除上述平斷面對接法外，軌道對接也可采用斜斷面對接法，船側軌道切斜斷面，棧橋側軌道切與之匹配的斜斷面，兩斜面對接后拼成完整軌道，同樣利用兩個腹板和螺栓完成緊固固定；斜斷面軌道對接法與平斷面對接法都能夠達到火車軌道對接目的，但斜斷面軌道對接法的施工工藝相對復雜，因此推薦使用平斷面對接法。

6 裝卸貨過程控制

火車車廂裝卸過程中，船舶浮態控制包括尾吃水、橫傾和縱傾：尾吃水需控制在棧橋高程許可范圍內，橫傾需保證船舶與棧橋搭接，縱傾需滿足火車軌道代數差要求（±35‰）；棧橋高程變化范圍是900 mm，該船在設計吃水下每厘米吃水噸數是60 t/cm，相當于裝卸貨過程中排水量變化的上限是5 400 t，實際上要根據碼頭實時吃水和棧橋實時位置來確定高程余量；橫傾和縱傾也應在裝卸全程實時監測，必要時可采用預調方式以達到有利的浮態。例如船舶右舷最邊列火車車廂準備裝船，根據船舶排水量、GM 值以及右舷邊列火車車廂的總重量和位置，可以計算得到該列火車車廂裝船后引起船舶的橫傾變化。全船壓載水總量為26 000 m3，壓載泵排量為2 000 m3/h，具備強大的壓載調駁能力，滿足裝卸貨全程的控制要求。

7 結論

與常用的船舶與棧橋連接系統相比，文中提出的連接系統優化方案，在建造成本、裝卸效率和可靠性方面具備先進的特點，主要結論有：

（1）船舶與棧橋連接系統優化設計方案，適用于多層連續滾裝甲板和多層棧橋設計，可高效地提高火車滾裝船的裝載率，且成本可控；

（2）船舶與棧橋連接系統優化設計方案，包含三向定位方案和火車軌道對接方法，經實船建造應用效果良好，受到船東的稱贊，如圖5 所示。

圖5 實船與棧橋連接