船舶運(yùn)動(dòng)載荷對(duì)起重船船體構(gòu)件的影響

龍濤 陽(yáng)宇麟

摘 要：本文從我國(guó)《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》有關(guān)船舶運(yùn)動(dòng)載荷的計(jì)算方法入手，根據(jù)運(yùn)動(dòng)載荷大小與船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過典型實(shí)例揭示了船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)載荷計(jì)算結(jié)果影響的基本量值，并對(duì)船舶設(shè)計(jì)者提出了計(jì)算中需要考慮的相關(guān)因素。

關(guān)鍵詞：船舶； 起重； 載荷； 計(jì)算

中圖分類號(hào)：U663.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著我國(guó)海工建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展，船舶與海上設(shè)施的起重設(shè)備也呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化，并且形成自港區(qū)、沿海向近海、遠(yuǎn)洋發(fā)展的趨勢(shì)。船舶起重設(shè)備的多元化發(fā)展，也影響了與其相關(guān)的船舶結(jié)構(gòu)和有關(guān)構(gòu)件的設(shè)計(jì)型式。

起重機(jī)是典型的船上起重設(shè)備，其通常處于兩種狀態(tài)：作業(yè)和放置。出于安全考慮，起重機(jī)通常僅要求在港區(qū)或?qū)＠擞辛己谜诒蔚暮Ｓ騼?nèi)作業(yè)，這在中國(guó)海事局頒布的《起重設(shè)備法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱《起重法規(guī)》）中有明確的表述。然而，在放置狀態(tài)下，船舶往往要在相對(duì)惡劣的海況下航行，所以船上起重機(jī)在放置狀態(tài)下船舶的運(yùn)動(dòng)形式，決定了與起重機(jī)、起重機(jī)放置裝置相關(guān)聯(lián)的船體構(gòu)件的設(shè)計(jì)與選取。

影響船體構(gòu)件的附加載荷，到底在多大程度上受船舶運(yùn)動(dòng)型式的影響，其載荷大小與運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的量值關(guān)系如何，目前有關(guān)法規(guī)文件并沒有給出具體的指引，而這恰恰是船舶設(shè)計(jì)和船舶運(yùn)營(yíng)者非常關(guān)心的問題。本文擬通過典型算例予以揭示，并提供建議參考。

2 計(jì)算依據(jù)和方法

《起重法規(guī)》在起重機(jī)、升降機(jī)和跳板的章節(jié)中，均包含對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)載荷的要求，這是根據(jù)起重機(jī)在放置狀態(tài)下，考慮船舶的運(yùn)動(dòng)形式，計(jì)算和選取與起重機(jī)、起重機(jī)放置裝置關(guān)聯(lián)的船體構(gòu)件的依據(jù)。

這些要求包括：

（1）考慮起重機(jī)自身重量或與重量的分力有關(guān)的靜載荷；

（2）考慮船舶在波浪上橫搖、縱搖、垂蕩產(chǎn)生的動(dòng)載荷；

（3）考慮風(fēng)壓載荷。

除上述外，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要考慮這些受力最不利的組合狀況。根據(jù)這些受力和受力組合的計(jì)算，可得出起重機(jī)因船舶運(yùn)動(dòng)而施加給船體的總運(yùn)動(dòng)載荷，進(jìn)而推算出相關(guān)構(gòu)件的尺寸。

首先，確定起重機(jī)放置狀態(tài)下船舶運(yùn)動(dòng)的邊界條件，如縱、橫、垂向的加速度值、最大橫傾角值、風(fēng)速值等；其次，計(jì)算船舶的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如實(shí)際縱、橫傾角、垂蕩幅度、搖擺周期；第三，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輔以船舶基本要素（船舶主尺度、重量重心、初穩(wěn)性高度、起重機(jī)的幾何位置等），計(jì)算出起重機(jī)在船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)、靜載荷分力；最后，是計(jì)算船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衡準(zhǔn)，即將上述計(jì)算結(jié)果代入起重機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算中，通過建立起重機(jī)及其連接船體結(jié)構(gòu)的模型，將最不利的受力組合狀態(tài)加載給起重柱，選擇合適的構(gòu)件尺寸，確保在各種工況下、各相關(guān)船體構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力不大于材料的許用應(yīng)力，如滿足則船體構(gòu)件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度衡準(zhǔn)便完成。

《起重法規(guī)》給出了常規(guī)船型在上述三維加速度等邊界條件下的搖擺周期、運(yùn)動(dòng)幅值和動(dòng)、靜載荷分力的計(jì)算方法與換算公式。

3 計(jì)算分析和結(jié)論

本文選取一普通起重船，在不考慮風(fēng)壓載荷的情況下，通過分別校核橫搖角10°與30°下船舶所承受的各向載荷分力，探尋并揭示船體載荷與船舶運(yùn)動(dòng)幅度之間的大致關(guān)系。

3.1 船舶基本要素

3.2 船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

（1）根據(jù)《起重法規(guī)》，在橫搖角30°時(shí)：

①運(yùn)動(dòng)的最大單幅值

在橫搖角10°時(shí)：上述系數(shù)除最大橫搖值φ=10°外，其余單幅值與周期均與橫搖角30°時(shí)相同。

3.3 運(yùn)動(dòng)分力計(jì)算

根據(jù)《起重法規(guī)》，船舶運(yùn)動(dòng)分力的計(jì)算公式如表1。

分別計(jì)算橫搖角為30°和10°時(shí)的三維運(yùn)動(dòng)分力，計(jì)算結(jié)果如表2（第一數(shù)值代表橫搖角30°的計(jì)算結(jié)果；第二數(shù)值代表橫搖角10°的計(jì)算結(jié)果，兩者相差用百分比表示）。

由表2可見，隨著船舶運(yùn)動(dòng)的橫搖角由10°增加到30°，垂直于甲板的動(dòng)/靜載荷增加幅度不大，而平行于甲板的橫向動(dòng)、靜載荷，均幾乎增加到兩倍左右，這必將大幅影響相關(guān)構(gòu)件的選取尺寸。

4 實(shí)際應(yīng)用建議

為便于表述，將起重機(jī)的幾何重心設(shè)定在船舶重心的垂線上，旨在排除運(yùn)動(dòng)載荷計(jì)算時(shí)，因初始傾側(cè)力矩導(dǎo)致的前后向、左右向的動(dòng)靜載荷不平衡，但實(shí)際上往往存在起重機(jī)重心偏心布置的情況。

對(duì)于常規(guī)運(yùn)輸船上作輔助裝卸用的起重設(shè)備而言，由于其自重往往較小，按橫搖角30°計(jì)入運(yùn)動(dòng)載荷后，計(jì)算所得的船體構(gòu)件尺寸也不會(huì)太大，較易滿足要求。

而對(duì)于大型起重船而言，由于其起重設(shè)備的自重往往較大，若按橫搖30°計(jì)入運(yùn)動(dòng)載荷后，其計(jì)算所得的船體構(gòu)件尺寸較大，存在一定困難。由于這類大型起重船一般采用寬深比較大的箱型船體型式，船舶進(jìn)水角往往達(dá)不到30°，故在運(yùn)動(dòng)載荷的計(jì)算過程中，橫搖角最大取至船舶進(jìn)水角即可。