內(nèi)河砂石散貨船不同裝載的性能分析

貨船運(yùn)輸?shù)奈锲贩N類有雜貨、散貨等，雖然運(yùn)輸?shù)奈锲非Р钊f別，但作為內(nèi)河散貨運(yùn)輸，由于存在散貨滑移和散貨中存在的自由液面影響，使得散貨運(yùn)輸?shù)拇胺€(wěn)性相對比雜貨船差，而短途運(yùn)輸沙石船的工作狀況尤其令人憂慮。這些船舶運(yùn)送沙石的路程短，行程在幾個小時內(nèi)，屬于港區(qū)運(yùn)輸作業(yè)，并且在短期內(nèi)完成砂石的反復(fù)裝卸，船體在短期內(nèi)也反復(fù)受彎壓應(yīng)力驟變的影響，這樣容易造成船體板格的疲勞損害。

內(nèi)河砂石散貨船受力分析

下面就存在的情況以實際有代表性的船型為例，從技術(shù)角度就這種情況進(jìn)一步說明：

例如，某內(nèi)河船船長L=38m，型寬B=7.8m，型深D=2.4m，船舶為尾機(jī)型，設(shè)計吃水T=2.0m，空船重量P1=100t，滿載貨物P=400t，船舶采用3根龍骨制，并且中部貨艙為內(nèi)舷結(jié)構(gòu)。經(jīng)過實船計算，不論船底骨架采用龍骨結(jié)構(gòu)或桁材結(jié)構(gòu)，船舶的中剖面模數(shù)大約為W=95000cm3，船舶布置簡圖如下：

我們計算船舶總縱彎曲時，把船舶沿船長分為若干等分（如10或20等），然后把每個等份內(nèi)的船舶在某個裝載時的重量和該等分內(nèi)在該吃水情況下所受浮力計算出來，每個等份的單位重量和單位浮力沿船長分布形成重量曲線w(x)和浮力曲線b(x)，兩者經(jīng)疊加形成載荷曲線n(x)=∫w(x)dx-∫b(x)dx，它沿船長的積分值分布形成剪力曲線N(x)=∫n(x)dx，再沿著船長的積分就可以得到船舶在該吃水下的靜水彎矩曲線M(w)=∫N(x)dx。當(dāng)然我們知道船舶在水中是一個復(fù)雜的受力系統(tǒng)，考慮到船舶受力情形不單包括它在靜水中的剪力和彎矩，我們還要考慮波浪引起的附加剪力和附加彎矩。對船舶受到靜水剪力和靜水彎矩的計算可以根據(jù)船舶靜水力學(xué)的理論進(jìn)行，而波浪附加剪力和彎矩的計算由于比較復(fù)雜，但在有關(guān)規(guī)范中有相關(guān)規(guī)定，因此可以參考有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

以上所列的船舶正常設(shè)計吃水時的裝載和超載情況下的排水量一般為：設(shè)計狀態(tài)△=500t(P1+P)；超載狀態(tài)下：△=650t（查船舶有關(guān)靜水力計算資料），由此超載量達(dá)150t左右，而因此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益比正常裝載高出37.5%，加上砂石運(yùn)輸是在處于臨水臨河城鎮(zhèn)的沙場附近從事短途的港內(nèi)運(yùn)輸作業(yè)，主管部門（海事部門）對這種區(qū)域間運(yùn)輸船舶的管理主要是實行定期簽證（最長期限每3個月簽證1次），因此這也是許多船主不顧安全，與水上交通安全主管部門（海事部門）進(jìn)行貓鼠游戲、冒險超載運(yùn)輸?shù)脑蛩凇?/p>

下面以滿載和超載兩種裝載情況來進(jìn)一步說明船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)性等特點，以上兩種載況下重量曲線和浮力曲線如下表所示：

把本船沿船長方向分為10個站，計算結(jié)果如下表：

上表中：重量分布曲線w， w—t/m ;浮力分布曲線b，b—t/m；載荷曲線n=w-b，n—t/m；

得到以上的原始數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)上述辦法進(jìn)一步計算可得出靜水彎矩M，船舶受到的波浪附加彎矩按照規(guī)范規(guī)定可用如下式子：Fw=αFk1K2LB(kn)（中拱狀態(tài)），F(xiàn)W=αFk1LB （kn）（中垂?fàn)顟B(tài)），對系數(shù)αF和K1，K2在規(guī)范中會有相應(yīng)的規(guī)定，并且波浪附加彎矩沿船長方向有不同的分布，通過規(guī)范規(guī)定的分布值計算出船長方向不同分段的分布值，通過對靜水彎矩和波浪附加彎矩的復(fù)合可以得到每個分段最大值和最小值的組合值，這些組合值形成彎矩和剪力組合包絡(luò)曲線，這些曲線說明，船舶在該裝載情況下有可能達(dá)到的剪力和彎矩值，通過這樣可求得船舶每個斷面所受的應(yīng)力情況，剪力和彎矩極值對應(yīng)的應(yīng)力就是本船的應(yīng)力極值。由于船舶剪力作用對某個斷面的影響不如彎矩大，船舶的斷面也能滿足單純剪力作用的要求，在此我們主要考慮彎矩的作用，以上數(shù)據(jù)經(jīng)過計算可以得到彎矩包絡(luò)絕對值的極值：滿載：Mmax=5790 KN.m；超載Mmax=8774 KN.m。因此船舶受彎曲應(yīng)力δ=M/W，相應(yīng)的各載況的彎曲應(yīng)力：滿載δ=60 N/mm2；超載：δ=92 N/mm2。這兩個彎應(yīng)力都不超過規(guī)定的船舶骨材受力的極限值（船底處δ=157 N/mm2，艙口圍板處δ=195 N/mm2）。因此不管在滿載還是在超載情況下，船舶骨架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都能滿足要求，但考慮到鋼質(zhì)板材在受力達(dá)到0.3倍許可應(yīng)力（船底處δ=47.1 N/mm2，貨艙圍板處δ=58.5 N/mm2），并且反復(fù)進(jìn)行應(yīng)力的施加和釋放時，骨架板材容易產(chǎn)生疲勞斷裂。砂石運(yùn)輸船就屬于這種情形，一般沙船一個月內(nèi)可完成十多次的反復(fù)頻繁裝卸，正因為沙船的營運(yùn)特點，使得船體在中拱和中垂間反復(fù)變化，引起船體骨架疲勞損壞，許多同類船型發(fā)生骨架或船體斷裂造成海損事故就是這個原因。

內(nèi)河砂石散貨船穩(wěn)性分析

船舶從事砂石運(yùn)輸時，由于砂石從河床中撈起，含有水分，這些水的存在會產(chǎn)生自由液面，對船舶穩(wěn)性存在很大的影響，尤其是超載狀況下。我們不妨假定船舶空船重量中心高度Zg1=2.04m(按照同類船型統(tǒng)計資料Zg一般在0.8-0.9D之間，D—型深，本例取Zg=0.85D)，沙石重心高度Zg2=2.0m（貨物雙層底高度一般為0.75m，貨艙圍板高度0.8m，規(guī)定正常裝載情況下，船舶裝載貨物不得超出貨艙圍板，而且不管貨物出于何種情形，其重心高度一般取貨艙形心中心，本船貨艙形心中心高度Zg=1.95m，為偏于保守計算，本例取Zg=2.0m），船舶滿載狀況下重心高度為Zg=∑piZgi/∑pi，根據(jù)該公式計算，滿載時系統(tǒng)重心高度Zg=2.01m。但在超載情況下，船舶裝載的沙石高度大大超出貨艙圍板，最保守估算超出0.6m左右，此時系統(tǒng)重心高度Zg=2.24m，一般衡量船舶穩(wěn)性的數(shù)據(jù)主要是重心高度和初穩(wěn)性高度GM，重心Zg越高，初穩(wěn)性高度GM越小，兩者相加就是船舶的橫穩(wěn)心高度ZM，即ZM= Zg+GM，當(dāng)然由于船寬方向船舶的橫穩(wěn)性要比船長方向的縱穩(wěn)性差，這里僅考慮船寬方向的橫穩(wěn)性，在某一吃水時，ZM是一個固定值，假定船舶為四方排水體積時，ZM可用下列公式計算：ZM=I/V=B2/（12T），（T—吃水），根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們得知船舶在滿載時初穩(wěn)性高度大約為GM=0.52m，這時船舶的穩(wěn)性還有所保證，但是在超載時經(jīng)以上已知數(shù)據(jù)估算出船舶初穩(wěn)性高度GM=-0.13m＜0m，這時船舶裝載不滿足穩(wěn)性要求，這是船舶穩(wěn)性所不允許的，這種情形船舶可以說“弱不經(jīng)風(fēng)”，一有突發(fā)的外力隨時都有傾覆翻沉的可能。

一般船舶裝載應(yīng)該同時滿足結(jié)構(gòu)、穩(wěn)性、形狀干舷等三種情況下的干舷要求，因此滿足要求的船舶干舷應(yīng)該取這三種情況下的最大值，而且船舶裝載情況下的最小傾側(cè)力矩應(yīng)不小于扣除橫搖影響后船舶各種力矩如：風(fēng)壓傾側(cè)力矩等。為給船舶保持一定的穩(wěn)性余量，規(guī)范對這幾種狀況都做了最小值的規(guī)定，例如規(guī)定自由液面影響后初穩(wěn)性高度最小值，不同的船型這個規(guī)定值有差異。

通過以上分析，我們認(rèn)為內(nèi)河運(yùn)砂船舶裝載應(yīng)該在滿載吃水下裝載，不能為一時利益而違規(guī)超載，具有縱向桁材結(jié)構(gòu)的雙層底船改裝為安裝抓斗的自挖自航運(yùn)砂船時，其結(jié)構(gòu)安全有保障，但對于實肋板、龍骨加支柱支撐的具有載貨甲板縱桁的雙層底結(jié)構(gòu)，其船舶骨架結(jié)構(gòu)嚴(yán)格上不能稱之為雙層底，充其量只能算為單底加支柱和載貨平臺甲板結(jié)構(gòu)，其局部強(qiáng)度受力會使船底骨架失穩(wěn)斷裂，進(jìn)而使船舶傾覆翻沉，應(yīng)該禁止這類船舶改裝成自挖自運(yùn)沙船。