集裝箱船綁扎橋結構計算規范對比分析

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

大型集裝箱船通常有占全船總量50%以上的集裝箱布置于甲板上[1]。為增強甲板上集裝箱的裝載能力，一般在艙口圍上布置綁扎橋以提高綁扎點高度，從而提升堆重指標。隨著船型的大型化，采用高層綁扎橋成為大型集裝箱船設計的主流趨勢。萬箱級以上集裝箱船普遍配置3層箱高的綁扎橋，部分20 000 TEU級別的集裝箱船甚至采用4層箱高的綁扎橋。綁扎橋設計是大型集裝箱船的關鍵設計技術之一，不僅關系到甲板上集裝箱的系固，同時也影響到整船的總體性能[2-3]。綁扎橋是由立柱和薄板組成的框架型結構，需要同時滿足強度和剛度方面的要求。由于結構復雜，受力工況多，一般需要通過有限元計算來進行綁扎橋結構計算評估。近年來，主要船級社陸續推出關于綁扎橋結構計算分析的相關規范，對于綁扎橋結構強度和剛度做出明確的要求。但不同船級社規范的要求存在差異。為此，考慮以某14 500 TEU集裝箱船為研究對象，主要針對DNV GL[4-6]、LR[7]、BV[8]、CCS[9]等主要船級社的綁扎橋結構計算規范進行對比分析，評估不同規范對綁扎橋結構設計的影響。

1 目標綁扎橋介紹

14 500 TEU集裝箱船所采用的綁扎橋為典型的方管剪力墻式綁扎橋，選取貨艙區域NO.17典型綁扎橋作為研究對象，見圖1。

圖1 目標綁扎橋結構示意

該綁扎橋按GL 2013版規范進行結構校核，其高度以高箱高度為基準進行設計，總高9.6 m，共設置4層平臺，滿足20列集裝箱的綁扎需求。綁扎橋結構主要由立柱和剪力墻組成，共設置5片剪力墻，其中4片集中對稱布置，剩余1片布置于中間位置，剪力墻中設置減輕孔，既可以減輕結構重量,也有利于觀察集裝箱綁扎操作。綁扎眼板分布于第三、四層平臺，除左右舷舷側最外列之外其余集裝箱均采用外綁形式，同時在左右舷最舷側立柱上設置風綁眼板。

2 有限元模型要求對比

CCS規范要求有限元模型只需包含甲板或艙口蓋以上的綁扎橋結構，網格尺寸一般為100 mm×100 mm，同時避免在高應力區域采用三角形單元，在加載邊界條件時需約束綁扎橋與甲板或艙口蓋連接處的3個平動自由度，見圖2。

圖2 CCS規范要求的有限元模型和邊界條件

LR規范則要求有限元模型除包含綁扎橋結構之外還附帶部分船體結構，網格尺寸為20t×20t(t為板厚)或150 mm×150 mm，根據指南在邊界條件方面的要求需對部分船體結構節點進行約束，見圖3。

圖3 LR規范要求的有限元模型和邊界條件

CCS規范和LR規范在模型范圍和邊界條件上存在一定的差異，LR規范考慮到船體對綁扎橋結構的影響。

DNV GL規范和BV規范未對模型做出明確的要求，但經過咨詢審圖工程師，更傾向于采用LR規范所推薦的有限元模型。特別需要注意的是，BV規范要求按照扣除腐蝕余量之后的凈尺寸進行計算分析。

3 載荷工況要求對比

3.1 設計載荷

理論上，綁扎橋結構計算需要按照集裝箱系固手冊中可能出現的最大綁扎力進行加載，但是在大部分情況下綁扎橋設計時系固手冊并沒有編制完成。因此,部分船級社規范允許按照綁扎桿的安全工作負荷(SWL)取一定的比例系數作為設計載荷進行綁扎橋結構計算。根據不同規范要求，計算目標綁扎橋的設計載荷，見表1。

表1 不同規范下目標綁扎橋設計載荷對比

表1中除DNV GL是按照規范要求根據該船實際堆重所得到的最大綁扎力之外，其余船級社都是參考規范給出的SWL比例系數作為設計載荷。

由表1可知，不同船級社規范關于綁扎橋設計載荷的規定存在較大的差異，CCS、GL和BV的載荷相對較小，而LR和DNV GL則考慮了外綁狀態下不同高度綁扎桿的受力存在差異。目標綁扎橋在設計時按照GL規范以61%SWL作為設計載荷，該值適用于內綁狀態下的綁扎力分布，但是對于目前大型集裝箱船普遍采用的外綁形式則存在一定的風險[10]。隨著GL規范被DNV GL規范所替代，在新的DNV GL規范中已經將61%SWL的描述所剔除，并要求按照堆重計算出現的最大綁扎力進行綁扎橋的結構計算。在今后綁扎橋結構設計時，建議在考慮規范要求和系固方式的前提下同步進行堆重計算，將計算得到的最大綁扎力作為綁扎橋的設計載荷。

3.2 計算工況

關于綁扎橋結構的計算工況，各規范之間并無太大的差異。需要考慮綁扎力分別加載于綁扎橋艏部、艉部以及艏艉兩側同時加載的工況；同時，還需考慮不同尺寸集裝箱綁扎時，綁扎桿角度差異引起的綁扎力在各自由度上分量的差異，因此，需要考慮分別堆裝8 ft 6 in標箱和9 ft 6 in高箱兩種計算工況；此外，對于與算例類似的橫向不對稱綁扎橋，還需考慮船舶不同橫搖方向時，不同位置綁扎眼板因受力不同所帶來的結果差異。

4 計算衡準要求對比

綁扎橋結構需要滿足所入級船級社規范在強度和剛度方面的要求，其中強度方面主要是控制結構應力，防止應力過大導致結構破壞；在剛度方面主要是控制橫向變形，避免綁扎橋結構偏弱削減綁扎桿受力進而影響堆重分布。

目前,我國輸電導線采用1999年頒布的GB 1179—1999《圓線同心絞架空導線》,該標準基本參照IEC相關架空線路導線標準編制的,在導線設計、制造和檢驗方面基本與國際接軌.導地線為四分裂鋼芯鋁絞線,其參數如表1所示,導線單元類型選用桿單元B31.

4.1 許用應力

不同規范下綁扎橋結構許用合成應力與材料屈服應力(ReH)的比值對比見表2。

表2 許用合成應力與材料屈服應力比值對比

由表2可知，各規范之間許用應力衡準雖然略有差別，但彼此之間的差別并不明顯。

由于結構比較復雜，綁扎橋結構高應力區域通常采用精細網格才能有效地反映出綁扎橋的結構特征。對于此類精細網格，LR規范和BV規范中允許放寬許用應力衡準，如LR規范中對于精細網格的許用應力值從0.9ReH提高至1.2ReH。

4.2 最大允許變形

綁扎橋最大橫向變形允許值見圖4。

圖4 各規范橫向最大允許變形值

由圖4可知，各規范關于綁扎橋橫向變形的要求差異并不明顯(考慮到LR規范中允許最大變形有20%的偏差)。如果在堆重計算時考慮綁扎橋的實際變形，關于綁扎橋的最大允許變形標準可以適當放寬，BV已經在其2018年10月最新版本的規范中去除了最大允許變形的要求[11]。

5 目標綁扎橋計算結果對比

根據各規范的要求建立目標綁扎橋有限元模型，確定設計載荷并進行加載計算。

5.1 應力結果對比

考慮到不同規范之間關于設計載荷和許用應力衡準均存在差異，因此對比最大相當應力與許用應力衡準的比值，見圖5。

圖5 各規范下綁扎橋最大相當應力與許用應力比值對比

由圖5可知，在CCS、LR、DNV GL和BV規范要求下，最大相當應力與許用應力的比值均大于根據GL規范計算得到的結果。

分析產生此結果的原因，其中LR和DNV GL規范對于設計載荷的要求相較于GL規范大幅度提高，與外綁的受力趨勢相一致；BV規范相較于GL規范提高設計載荷的要求(從61%SWL提升至70%SWL)，同時要求模型按照結構凈尺寸(結構板厚需要扣除1 mm的腐蝕余量)進行計算，在一定程度上也會導致應力結果變大；CCS規范規定的設計載荷略小于GL規范規定的設計載荷，許用應力衡準也與GL規范基本一致，但是卻得到了更高的比值。

通過整理各工況下有限元模型的應力云圖發現，綁扎橋結構主要高應力區均集中在剪力墻兩側方管根部(見圖6)。由于該綁扎橋此前是按照GL規范進行設計，因此，如果需要滿足其他船級社規范要求，則需要加強剪力墻兩側的方管以提升綁扎橋結構強度。

圖6 綁扎橋結構主要高應力區域分布

5.2 變形結果對比

綁扎橋艏艉兩端同時綁扎時橫向變形最大，最大變形位置位于最上層平臺艏端眼板處。整理不同規范下綁扎橋艏端21根立方管上部眼板的最大位移，結果見圖7。

圖7 各規范下的艏部上端眼板橫向最大位移對比

LR、DNV GL、GL和BV規范對模型范圍和邊界條件的要求基本相同，差異主要在于設計載荷的區別，計算得到的綁扎橋變形與載荷的比例基本一致。其中LR和DNV GL規范下計算得到的綁扎橋結構變形值超過35 mm的衡準值，綁扎橋變形過大對于集裝箱堆重的具體影響需要做進一步分析，如果確認綁扎變形對于堆重計算結果影響較大，則需要對綁扎橋結構進行加強，以提升結構剛度減小橫向變形。CCS規范由于計算模型和邊界條件的差異，其要求的設計載荷與GL規范的要求差別較小，但其計算得到的變形結果要明顯小于GL規范結果。

6 邊界條件的影響

CCS規范和GL規范關于綁扎橋設計載荷和許用應力的衡準要求基本一致，兩規范的主要區別在于有限元模型范圍和邊界條件的要求。因此，基于CCS規范和GL規范的計算結果，對比邊界條件的影響。

由5.1可知，CCS規范模型計算應力比GL規范模型結果大約26%；由5.2可知，CCS規范模型計算的變形比GL規范模型結果小10 mm。由于CCS模型直接約束了綁扎橋底部節點的平動自由度，并沒有考慮到艙口圍對綁扎橋的實際支撐情況，在一定程度上人為增加了綁扎橋根部的剛度約束，從而導致結構應力偏大而橫向變形偏小。在進行綁扎橋結構計算時應包含部分船體結構，反映船體結構對綁扎橋的實際支撐剛度；同時，綁扎橋計算模型包含艙口圍結構，有利于在進行綁扎橋的結構計算時一并校核艙口圍結構內綁扎橋結構加強是否滿足要求。

7 結論

1)各規范在有限元模型、設計載荷和計算衡準等方面要求存在一定的差異，特別是在設計載荷方面差異較大。在綁扎橋結構設計時，建議同步進行綁扎橋堆重計算，將通過實際堆重計算得到最大的綁扎力作為綁扎橋的設計載荷。

2)LR、DNV GL、CCS和BV規范對綁扎橋的結構強度和剛度要求大于GL規范要求。對于此前按照GL規范要求進行設計的綁扎橋，如果需要滿足其他船級社規范要求，則需要采取局部加強措施。

3)有限元模型范圍和邊界條件對綁扎橋結構計算結果影響較大，在進行綁扎橋結構計算時應包含部分船體結構，從而反映出船體結構對綁扎橋的實際支撐剛度。