船舶裝載卷鋼對墊木的要求和計算分析

中圖分類號：U662.2

文獻標志碼：A

Requirements and Calculation Analysis of Dunnage for Steel Coil Shipment

XIE Kun（Cosco Shipping Bulk Co.，Ltd.，Guangzhou 510220， China）

Abstract：Owing to the high-density and rolling characteristics，the stacking and securing of stel coil during the transportation are very important.Ship loading manual specifies the specifications of the steel coil and he quantity of dunnages，but without specifying the specifications of dunnages.This paper studied the requirements of CSS Code（Cargo Securing and Stowage Code），and selected the typical loading condition of stel coil as an example， through model simplification calculation，we can see that diferent specifications of dunnages willobvious effec the strength of innerbottom.

Key words： steel coil; transportation; dunnages

1 引言

我國是卷鋼的出口大國，卷鋼是散貨船運輸的一個特殊貨種，因其密度大、容易滾動的特性，卷鋼在海上運輸過程中的堆裝和系固工作顯得尤為重要。船舶裝載卷鋼需要使用墊木，使用墊木后裝載的卷鋼是否對船體結構產生影響，是很多人擔心的問題，但是船舶的裝載手冊里只注明了裝載卷鋼的規格和墊木的數量，沒有規定墊木的規格，用戶在裝載時也經常會擔心墊木的強度是否足夠[]。

針對這些問題，本文根據規范和規則的要求，對散貨船裝載卷鋼的要求進行解讀，并選取靈便型船舶典型裝載的卷鋼為例，參照教材推薦選取的不同規格的硬木墊木，將受力模型簡化為簡支梁的彎曲應力問題，通過模型簡化和計算結果進行了分析和思考。

國際海事組織（IMO）發布的《貨物堆裝和系固安全操作規則（CSSCode）》2，是為了促進海上和裝卸過程中的生命安全而發布的貨物安全積載和系固的國際標準，對裝載卷鋼有詳細的要求。卷鋼的積載好壞對船舶安全影響很大，在裝貨時一定要特別注意，主要考慮底部的墊木、積載緊密、系固綁扎等方面。

2.1結構強度的評估

船舶的裝載，要求均布載荷和局部載荷都不超過船舶的許用載荷，《貨物堆裝和系固安全操作規則》對裝載干散貨的結構強度評估提出了明確的要求，具體如下：

1）在假定貨物均勻分布的前提下，對于相關積載區域，需要滿足船舶完工圖紙（例如裝載手冊、橫剖面圖）中規定的最大許用表面載荷；

2 裝載卷鋼的要求

2）重的貨物產生集中的點狀載荷，而不是均勻載荷。應注意，裝載貨物產生的局部載荷，不能超過船體的最大許用載荷。甲板面、艙口蓋、內底板等區域，應使用核實的鋼質或木材橫梁或等效的板格結構將點狀載荷傳遞至船體承載的主要結構;

3）如果裝載情況過于復雜，無法通過手動計算進行安全檢查，或者通過手動計算獲得的應力參數接近支撐結構的適用極限，應考慮使用有限元分析。

2.2堆裝和系固

《貨物堆裝和系固安全操作規則》對卷鋼等干散貨的安全堆裝和系固，也提出了如下的具體要求：

1）卷鋼應從船舶的艙底開始堆裝，并盡可能以規律的層次在船上裝滿;2）卷鋼的中心線應沿著船體中心線縱向堆裝，每卷應與相鄰的卷鋼緊湊的堆裝緊。應在橫向位置放置墊木，為防止移動有必要時應使用楔子；3）每排最后一卷通常應放在附近的兩卷上邊，并與該排的其他卷鋼相固定;4）如果有必要在第一層上裝第二層，那么第二層的卷鋼應裝在第一層的卷鋼之間壓縫裝載；5）在最高一層中的卷鋼間的任何空擋應加以適當系固；6）應通過系索綁扎，使貨倉內的卷鋼綁扎在一起，形成一個大的不可移動的卷鋼組。一般來說，最高一層最后三排的卷鋼應予以綁扎。為防止縱向移動，在無外包裝卷鋼的頂層不應綁扎成組，頂層最后一排應用墊木和鋼絲繩系固，并從一側到另一側拉緊。系索應有足夠的拉力強度，第一層應用楔子塞緊。

3裝載卷鋼的計算分析

3.1船舶基本信息

選取2015年國內某船廠建造的64000t散貨船，該輪為單殼、雙底的節能環保型系列散貨船。該船具有頂邊艙和底邊艙，設計為無限航區營運，能裝載干散貨包括谷物、煤炭、鐵礦石等，能在艙口蓋上裝載甲板物，主甲板配有4臺克令吊。

該船的總布置圖如圖1所示。

該船的主要參數如下。

船長 /m 199.90;

型深 /m 18.50;

設計吃水 /m 11.3;

總噸 36 378;

內底板許用載荷（1/3/5艙） /（t/m²） （2號 25；

型寬 /m 32.26;

載重噸/t 63 800;

結構吃水 /m 13.30;

凈噸 21 646;

該船的裝載手冊中規定的鋼卷裝載條件為：允許裝載兩層卷鋼，每層卷鋼重量為 25t ，卷鋼長度為 1.6m 卷鋼直徑為 1.6m ，每個卷鋼下面需放置5根墊木，只有最下層的卷鋼接觸到底部壓載艙的斜板。典型轉載工況下各艙裝載卷鋼的能力如表1所示。

裝載卷鋼時在下面鋪設墊木的目的，一是防止因內底板有水，避免對卷鋼的銹蝕，二是起到緩沖和增加摩擦的作用，避免卷鋼與內底板直接接觸。船舶的裝載手冊對裝載卷鋼有相關的約定，但是只注明了裝載卷鋼的規格和墊木的數量，沒有規定墊木的規格。船舶貨運3的教材對卷鋼墊木的描述則非常詳細，要求墊木一定要使用硬木，規格不得小于1.5m×100mm×50mm ，如果裝載卷鋼的質量較重，可鋪設2層墊木。

2023年11月，該輪裝載卷鋼從上海出發至湛江。裝載卷鋼的規格為：重 25t. 長 1.6m 、直徑 1.6m 堆裝2層。卷鋼下面鋪設了5根墊木，只有最下面一層的卷鋼與貨艙的斜板有接觸。裝載布置的剖面如圖2所示。

3.2堆重分析

堆裝的計算，按照《貨物堆裝和系固安全操作規則》，在假定貨物均勻分布的前提下，相關積載區域的表面載荷不大于船舶的許用載荷。計算通常是用投影法，每排卷鋼占用的寬度乘上艙底寬度再乘上艙底強度就可以得到每排的最大載重量，

該輪1號貨艙、3號貨倉和5號貨艙的內底板允許的堆重為 25t ，每個卷鋼占用艙底的面積為 1.6×1.6 m² ，該面積能夠承受的卷鋼的最大承重為 25×1.6×1.6 =64t ，因此可以得出裝運25t卷鋼時充許的層數為 2.56 可以看出堆裝兩層該規格的卷鋼時候，這兩個貨倉的內底板承受的均布載荷沒有超出船舶的許用載荷。

該輪2號貨艙和4號貨艙的內底板允許的堆重為20t ，每個卷鋼占用艙底的面積為 1.6×1.6m² ，該面積能夠承受的卷鋼的最大承重為 20×1.6×1.6=51.2t ，因此可以得出裝運 25t 卷鋼時允許的層數為2.048。可以看出堆裝兩層該規格的卷鋼時候，這三個貨倉內底板承受的均布載荷沒有超出船舶的許用載荷。

3.3局部強度分析

一般情況下，對于常規散貨和均布貨物的裝載，只需要滿足均布載荷的要求即可。但是對于裝載重大件的貨物，因為貨物的外形不能將重量均勻分布到底下的受力部位，此時就需要計算分析其局部強度。

船舶結構的強度計算步驟，先是根據實際的受力情況建立力學模型，接著對結構進行力學模型的簡化（包括構件幾何尺寸的簡化、支撐條件的簡化和結構體系簡化），最后是對模型進行結構計算。局部強度的計算方法：一是傳統的計算方法，即將船舶結構劃分為各種板、梁和板架等進行計算；另一種是采用有限元的方法，擴展為各種結構的整體計算。

貨倉的主要組成部分為內底板、縱骨和橫向肋板，在裝載卷鋼的局部強度校核計算中，可以將船舶內底結構簡化為板、梁結構，來簡化其受力情況。

3.4墊木和內底板的受力分析

我們再將模型簡化為最極端的情況，假如內底板不承受重量，即墊木和內底板不是完全的接觸。此時可以假設貨艙沒有內底板，墊木需要承受全部卷鋼的重量，同時假設卷鋼底部與墊木接觸只有一個點，將墊木簡化為縱骨支撐的簡支梁模型。

參照船舶貨運教材的要求，我們選取規格為長 2000mm 、寬 200mm 、高 30mm 和長 2000mm 、寬 200mm 、高 100mm 兩種的卷鋼墊木，分別進行結構應力計算和分析比較。硬木的彈性模量E取為10342MPa ，船體內底縱骨結構的間距為 760mm ，橫向肋骨框架的間距為 2460mm 。

兩層卷鋼總重量 50t ，縱向分布在5根墊木上，每根墊木受力 10t 卷鋼的重量分布在墊木上，墊木又傳遞給了縱骨和框架支撐的內底板。此時內底板不承受重量，墊木需要承受全部卷鋼的重量，同時假設卷鋼底部與墊木接觸只有一個點（實際上卷鋼與墊木的接觸面積不止一個點，其直徑越大則與墊木的接觸面積越大）。墊木可以簡化為縱骨支撐的簡支梁模型，簡化模型如圖3所示。

根據理論力學相關公式[4，矩形截面墊木的慣性矩，集中載荷簡支梁的最大擾度慣性矩。下面分別通過選取兩種規格的墊木，來分別計算其變形情況，

1）墊木尺寸選擇為長 2000mm 、寬 200mm 、高30mm 時，集中載荷的最大擾度。

2）墊木尺寸選擇為 2000mm 、寬 200mm 、高100mm 時，集中載荷的最大擾度。

實際的受力情況下，卷鋼與墊木的接觸面積要比點載荷大的多，而且墊木下面的內底板也會對墊木的變形產生一定的支撐，因此墊木實際的彎曲變形量會遠遠小于上述的計算值。

《中國造船質量標準》中對內底板等區域的平整度要求值為 6/1 000 ， 760mm 長度對應的平整度要求值為 4.56mm 。即船舶建造、未投入營運時，允許的內底板變形為 4.56mm 。從上述計算可以看出， 200mm×100mm 的墊木變形量僅 5mm ，我們完全可以認為卷鋼的重量通過墊木，均勻的分布給了下面的內底板。因此，使用 200mm×100mm 規格的墊木，是非常的保守的，在裝載卷鋼時不會對內底板造成任何傷害。

上述計算中的 200mm×30mm 墊木，其變形量19.5mm 太大，該墊木對內底板的保護作用不太明顯，卷鋼的重量肯定會傳遞給內底板。但是能否使用該規格的墊木，還需要對內底板進行計算，綜合考慮內底板的受力情況。

在滿足了結構強度的基礎上，卷鋼裝載還需要進行一些其它的工作，需要運用船舶的配載儀進行浮態調整、穩性和總縱強度校核，根據《貨物堆裝和系固安全操作規則》和船舶貨物系固手冊的要求進行綁扎和系固。

4結語

本文以常規 64000t 散貨船的典型卷鋼裝載為例，選取不同規格的墊木，將受力模型簡化為簡單的受力彎曲問題，通過結構簡化和應力計算，來分析墊木的受力和墊木對內底板的保護作用。從計算結果可以得出，裝載2層25t的卷鋼時，如果選擇200mm×30mm 墊木，墊木的變形量太大，墊木對內底板的保護作用不明顯。如果選用 200mm×100mm 墊木，其彎曲變形較小，卷鋼的重量通過墊木均勻的分布給了下面的內底板，在裝載卷鋼時不會對內底板造成任何傷害。

參考文獻

[1]米鐵武，齊立平.船舶裝運卷鋼等重件貨所需墊木的計算和應用[J]航海技術，2014（1）：27-29.

[2]IMO.貨物積載和系固安全操作規則[S].倫敦：國際海事組織（IMO），2011.

[3]徐邦禎.船舶貨運[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2017.