系泊設備下船體支撐結構的強度校核

(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

系泊設備包括系泊絞車(mooring winch)，帶纜樁(bollard)，導纜器(fairleader)等。設計規范中雖然對船體支撐結構的強度有一定的要求，但是比較籠統，沒有明確的計算方法。為此，討論用靜力學方法求解船舶系泊設備的甲板下構件的強度校核。以期對新船設計時的強度校核具有一定的參考作用。

1 典型系泊設備的強度校核方法

1.1 安全系數

按照相關規范(MSC Cir. 1175, IACS UR A2)[1-2],設計安全系數一般取1.25。安全系數的引入，是考慮到動載荷、焊接缺陷、焊接殘余應力、結構腐蝕、以及計算模型的誤差等因素的影響。

1.2 系泊絞車的載荷分析

系泊絞車的機構示意圖見圖1。

圖1 系泊絞車的機構示意

系泊絞車在工作時，纜繩繞在卷筒上，通過卷筒側方的剎車制動。剎車力由剎車帶的摩擦力提供，因此最大的剎車力是一定的，剎車帶通過桿件連接到甲板上固定。而纜繩的破斷力相對大一些，一般在剎車失效時也不會破斷，即剎車會在纜繩過載時松開。絞車的安全工作載荷即是最大剎車能力(支持負載[3])，而不是纜繩的破斷力，設計載荷由最大剎車能力乘以安全系數獲得。注意，最大剎車能力不是剎車上的力，而是剎車達到某一設定值時纜繩上的拉力見圖2。

圖2 絞車卷筒的受力

一般來說，絞車的剎車會在纜繩過載時松開，絞車的剎車能力通常設置為60%～80%的纜繩破斷力。

但是也有標準[4]認為在絞車制動過緊時，極端情況下絞車會承擔100%的纜繩破斷力，從而要求按纜繩破斷力乘以安全系數作為設計載荷進行設計。

設計時根據實際情況選擇設計載荷F。

F=最大剎車能力(SWL)×安全系數(1.25)

由轉矩平衡(圖2)，推導得出剎車力T

T=F×r/L

卷筒由中心軸支撐，中心軸分別產生大小為F和T的支反力，如圖3所示。

卷筒中心軸上的支反力的反作用力作用在支撐架上。分析支撐架，水平方向，在止動塊的位置產生反力F。為了與F產生的彎矩F×H平衡，在支撐腳的位置產生了力偶F×H/B。作為T的反力，在支撐腳的位置又產生了兩個同向的力T/2。

圖3 絞車支撐架的受力

前面從側向考慮了甲板下結構補強載荷，在平面上，由于纜繩的作用位置與卷筒兩側的支撐架位置錯位，需要根據纜繩距兩側支撐架的距離L1Ⅰ、L2Ⅰ、L1Ⅱ和L2Ⅱ確定設計載荷在兩側支撐架上的分力。剎車力同樣如此。

以雙卷筒絞車為例，見圖4。

圖4 雙卷筒絞車的平面受力示意

纜繩的位置不確定，可以在卷筒的長度范圍內自由移動，即L1Ⅰ、L2Ⅰ、L1Ⅱ和L2Ⅱ是變化的。保守起見，認為作用在支撐架Ⅰ和支撐架Ⅲ上的力為100%設計載荷。對于支撐架Ⅱ，作用力為200%的設計載荷。而剎車的位置是固定的，設到各支撐架的距離由上至下分別為S1Ⅰ、S2Ⅰ、S1Ⅱ和S2Ⅱ，據此計算剎車力在各支撐架上的分力。考慮到剎車離支撐架Ⅱ很近，近似認為剎車力完全作用在支撐架Ⅱ上。

綜上，各支撐腳(每個支撐架上前后兩個支撐腳)的受力如下。

式中：“+”、“-”——靠近出繩側和遠離出繩側的支撐腳上的受力；

L2Ⅰ_max——纜繩位于卷筒Ⅰ的最上端時離支撐架Ⅱ的距離；

L1Ⅰ_max——纜繩位于卷筒Ⅰ的最下端離支撐架Ⅰ的距離；

L2Ⅱ_max——纜繩位于卷筒Ⅱ的最上端離支撐架Ⅲ的距離；

L1Ⅱ_max——纜繩位于卷筒Ⅱ的最下端離支撐架Ⅱ的距離。

在近似計算時，取

上述各支撐腳的受力可以簡化為

支撐架Ⅰ：±F×H/B;

支撐架Ⅱ：±2F×H/B+T;

支撐架Ⅲ：±F×H/B。

由以上載荷進行強度校核獲得的結果偏于安全。

此外，還要考慮絞車的重力在各個支撐腳上的分量G/6。

除了各支撐腳上的載荷，剎車是單獨連接到甲板上的，也要把剎車力作為載荷作用到計算模型上。

1.3 導纜孔、帶纜樁的載荷分析

導纜孔和帶纜樁[5]的安全工作載荷(SWL)一般取自纜繩的要求最小破斷力(Minimum Breaking Load)，它既不是纜繩上的工作力，也不是纜繩的安全工作載荷。日常使用中，SWL大約是兩倍的纜繩上會受到的最大拉力，而且這個拉力在正常情況下很難達到。

系泊和拖帶設備的設計載荷的確定有所不同。拖帶分為正常拖帶(港拖)和伴航拖帶，其中正常拖帶時，設計載荷(纜繩拉力)取為1.25倍的系柱拖力，而伴航拖帶時，設計載荷(纜繩拉力)取為纜繩的破斷強度即可。系泊工況時，作用在系泊設備和船體支持結構上的設計載荷取為1.25倍的纜繩破斷力。對于作用在拖帶或系泊設備下的船體支撐結構上的總載荷，在以上基礎上，按系泊設備的受力情況來確定，但不必超過纜繩設計載荷的2倍。

圖5 滾筒式導纜器的受力示意

圖5中，導纜器的設計載荷F=安全工作載荷(SWL)×安全系數(1.00或1.25)。

若設計載荷的夾角為θ，則有

F′= 2F×cos(θ/2)≤2F

1.4 計算模型

如果計算載荷僅局限于單跨之間，可選取單跨梁模型計算。如多個載荷分布于相鄰兩跨或多跨間，需要選取連續梁模型計算。要恰當考慮梁的邊界條件，對于連續構件，邊界條件一般設為固支，對于獨立構件，邊界條件一般設為簡支。

對于補強材的剖面模數或剪切面積的計算，需要在總厚度的基礎上扣除腐蝕余量，腐蝕余量根據CSR規范(按所在艙室選取)或各船級社規范(一般取2.0 mm)選擇。

1.5 許用應力

補強材的強度校核分別驗證正應力和剪切應力。其中，正應力為彎曲應力和軸向應力之和，正應力許用值取材料的最小屈服應力，剪切應力許用值取60%的材料最小屈服應力[6]。不考慮應力集中的影響。

如果系泊設備位于船中區域，且船體補強材是縱向構件，參與船體梁總縱強度。則對系泊設備的局部載荷進行計算，推導出局部彎曲應力后，還應該疊加上船體梁總縱彎曲應力，再驗證結構強度。甲板位置的總縱彎曲應力基于最大的靜水彎矩。船舶在系泊的工況下，一般無需考慮波浪彎矩。對于首尾區域的系泊設備補強，由于靜水彎矩值較小，可以忽略總縱彎曲應力的影響。

2 設計注意事項

2.1 系泊布置

船裝設計在確定系泊布置圖時，應與船體設計充分協商，盡量將系泊設備布置在強構件的上方，如縱桁、橫梁等，以便于有效地分布載荷，減少結構補強。另外，應極力避免因施工空間不足等原因引起的無法補強或補強不充分的情況。

2.2 復板或塞板(局部增厚)的選擇

一些大型的系泊設備與甲板板之間是通過輔機臺連接的，如系泊絞車等；另外一些小型的系泊設備，如帶纜樁、導纜器等，往往直接與甲板板連接，當甲板板厚度不足時(小于16 mm)，一般通過在甲板板上焊接復板或者將甲板板局部增厚來進行補強。采用復板補強的方法相對來說更經濟，但缺點是無法傳遞大的拉伸載荷。原因是，載荷僅僅通過復板四周的角焊縫傳遞到甲板上，而且角焊縫一般與甲板下的加強材不對齊。因此推薦采用塞板的方法進行補強。

但是，在船中承受高應力的區域，且系泊設備很小時，如果采用塞板的話，會產生由焊接引起的收縮應力，從而導致損傷的出現。此時，更適合采用復板補強。當然，大型的鋼質海船，由于船體梁總縱強度的要求，船中甲板的板厚較大，一般無需增加復板或塞板，直接焊接即可。

如果甲板板厚比上部的設備和下方的補強材薄，焊接以后可能引起甲板的層向撕裂。而且上方設備和下方補強的不對正會引起很大的甲板彎曲應力?；谶@個原因，推薦在甲板板厚小于焊接在上方構件的位置設置插入板。

對于復板，為了防止拉伸載荷引起復板在寬度方向的彎曲，從而引起復板與甲板的脫離，需要限定復板的寬度和厚度。設計使用基準見表1。

表1 復板的尺寸與帶纜樁的關系 mm

2.3 焊接

當系泊設備與補強材上下對齊時，補強材的焊接按照各船級社規范進行即可。

對于特殊的系泊設備，例如根部與甲板連接部分為圓形的滾筒式導纜器(deck roller)，由于甲板下補強材無法與導纜器對齊，兩者之間直接的連接面積不足。為了防止大的拉伸載荷引起補強材與甲板板脫離，通常將補強材與甲板連接的角焊縫設計為深熔焊或全焊透。

2.4 系泊設備與圓弧舷緣的連接

對于甲板邊板與舷頂列板采用圓弧形式的船舶，船中區域板的材質往往是設置為D或E級，以防止脆性裂紋的產生和傳播。而這些位置的導纜孔外緣需要和外板一線對齊以避免纜繩劃傷圓弧舷緣。此時，應該注意導纜孔不能直接焊接到圓弧舷緣上，以防止產生硬點導致應力集中。一般是在兩者之間增加復板或者懸臂式的輔機臺。

2.5 采用高強鋼的系泊設備

為了減少重量、增加強度，一些系泊設備采用高強度鋼制造。在對這些系泊設備進行強度校核時，如果其下方的甲板結構采用的是低于其等級的鋼板，應予以注意。特別是系泊設備的最大應力位于根部，且甲板采用的是軟鋼或厚度不夠時，可以采用挖補高強鋼板的形式對甲板進行補強。甲板橫梁或縱骨在類似的情況下，也可以局部更換為高強度結構。

2.6 應力集中

參與總縱強度的構件用作補強時，可能在端部出現應力集中，發生疲勞破壞。因此應盡快能采用橫向補強，如果縱向補強不可避免時，應設置端部肘板等構件用作過渡。

3 結論

在總結各船級社規范以及相關行業標準對船舶拖曳及系泊設備的補強材的設計要求的基礎上，對典型的拖曳和系泊設備，給出明確的設計載荷、計算模型以及設計衡準。用以規范船舶拖曳及系泊設備的甲板下加強件的強度校核方法，明確船體補強的注意點。所述強度校核方法和設計注意點可供船體設計人員參考。

[1] MSC. Circular. 1175: Guidance on shipboard towing and mooring equipment[S]. MSC,2005.

[2] IACS. UR A: Requirements concerning Mooring, Anchoring and Towing[S]. 2007.

[3] 國家質檢總局.GB/T 554-2008:帶纜樁[S].北京:中國標準出版社,2008.

[4] Oil Companies International Marine Forum. Mooring Equipment Guidelines 3rd Edition[S]. United Kingdom: Witherby Seamanship International, 2008.

[5] 國家技術監督局.GB/T 4446-1995:系泊絞車[S].北京:中國標準出版社,1995.

[6] BV. Rules for the Classification of Steel Ships[S].BV,2009.