基于共同規(guī)范的散貨船槽型橫艙壁設(shè)計(jì)研究

甘水來(lái)，李國(guó)強(qiáng)，李 勇

（1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 241000）

0 引 言

除個(gè)別艙壁為非水密支承艙壁外，散貨船主船體的橫艙壁均為具有足夠的強(qiáng)度并且水密的艙壁。這些艙壁不僅用于分隔艙室，而且支持著甲板、舷側(cè)和船底，對(duì)保證船體橫向強(qiáng)度起著重大作用[1]。按結(jié)構(gòu)型式分，艙壁一般可分為平面艙壁和槽型艙壁。槽型艙壁因其結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、加工方便、易于清艙卸貨，因此在散貨船中得到了廣泛應(yīng)用。

由于散貨船一般為單甲板、大開(kāi)口、單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，裝載工況比較復(fù)雜，因此，強(qiáng)度問(wèn)題比較突出。根據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)社的分析[2]，散貨船存在3種可能的結(jié)構(gòu)失效模式：1) 重貨艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)破損進(jìn)水，槽型艙壁崩潰，相連貨艙進(jìn)水，船體梁崩潰，船體沉沒(méi)；2) 重貨艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)破損進(jìn)水，雙層底結(jié)構(gòu)受剪力作用崩潰，船體梁崩潰，船體沉沒(méi)；3) 艏部貨艙進(jìn)水，槽型艙壁崩潰，相連貨艙進(jìn)水，船體沉沒(méi)。

法國(guó)船級(jí)社對(duì)船舶海損事故[3]分析后認(rèn)為，橫艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱是貨艙一旦進(jìn)水、船舶迅速沉沒(méi)的重要因素。因此，在散貨船結(jié)構(gòu)中，槽型艙壁是最重要的構(gòu)件之一。設(shè)計(jì)具有足夠強(qiáng)度的槽型艙壁，是散貨船設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 槽型艙壁結(jié)構(gòu)型式及基本要求

常用的槽型艙壁，其剖面形狀有矩形、梯形和弧形，尤以梯形應(yīng)用最為普遍。與平面艙壁相比，槽型艙壁垂直于折曲方向的剛度較弱，因此，在散貨船中，槽條均按垂直方向設(shè)置。有的散貨船，尤其是大型散貨船，在垂直槽型橫艙壁上下端設(shè)置了座墩，既減小了槽條跨距，又可以改善艙壁與甲板和雙層底連接處的應(yīng)力水平，還有助于艙壁結(jié)構(gòu)與甲板及雙層底結(jié)構(gòu)的有效連接過(guò)渡。

根據(jù)CSR（散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）[4]，對(duì)于船長(zhǎng)≥190m的散貨船，垂直槽型水密橫艙壁下應(yīng)設(shè)置底墩，一般在甲板下也要求設(shè)置頂墩。船長(zhǎng)<190m的船舶，槽型艙壁可以從內(nèi)底一直延伸到上甲板，而不用設(shè)置底墩和頂墩。

設(shè)置底墩的高度，一般不應(yīng)小于槽深的3倍，底部寬度不小于槽深的2.5倍。底墩頂板可以是水平的，也可以是傾斜的。兩邊的側(cè)板，可以是一邊垂直，另一邊傾斜；也可以是兩邊均為傾斜的。側(cè)板下端應(yīng)與雙層底肋板在同一平面內(nèi)，以保證艙壁受到的載荷能有效傳遞到雙層底結(jié)構(gòu)。位于頂板與內(nèi)底板之間的側(cè)板，任何部位不得有折邊。側(cè)板上的扶強(qiáng)材，一般是垂直的。垂直扶強(qiáng)材應(yīng)對(duì)中內(nèi)底縱骨，扶強(qiáng)材上下端均應(yīng)設(shè)置肘板，以保證底墩和雙層底結(jié)構(gòu)的有效連接。為了有效支撐槽型艙壁，底墩內(nèi)應(yīng)設(shè)置隔板，隔板與雙層底縱桁應(yīng)位于同一平面上。為有效減小頂板的應(yīng)力集中，底墩內(nèi)與頂板連接的構(gòu)件上均應(yīng)避免扇形孔。

設(shè)置頂墩的高度，一般應(yīng)為槽深的2～3倍。對(duì)于矩形頂墩，其高度可取為槽深的2倍。頂墩高度值應(yīng)在艙口邊縱桁處，由甲板下緣垂直向下量至頂墩底板上緣。頂墩底板的寬度一般應(yīng)與底墩頂板的寬度相等。對(duì)于非矩形頂墩，其頂部寬度不應(yīng)小于槽深的2倍。頂墩內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)置與底墩相似，但由于頂墩承受的載荷較小，頂墩外形尺寸比底墩小些，內(nèi)部構(gòu)件以垂直布置較多見(jiàn)。為了有效支撐槽形艙壁，頂墩內(nèi)部構(gòu)件應(yīng)與甲板上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好過(guò)渡。即頂墩隔板應(yīng)與甲板縱桁在同一平面內(nèi)，頂墩側(cè)板上垂直扶強(qiáng)材上下端均應(yīng)設(shè)置肘板，與甲板橫梁或頂墩底板有效連接。為有效減小底板的應(yīng)力集中，頂墩內(nèi)與底板相連接的構(gòu)件上均應(yīng)避免開(kāi)扇形孔。

不設(shè)置底墩時(shí)，槽型翼板下端應(yīng)與雙層底肋板安裝在同一直線上。該處肋板上縱骨穿過(guò)切口應(yīng)安裝落地補(bǔ)板。為承受槽型腹板引起的剪切應(yīng)力，在該處肋板間，在槽型腹板下應(yīng)安裝防剪切肘板。不設(shè)置頂墩時(shí)，在甲板下方與槽型翼板相對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)安裝兩根強(qiáng)橫梁。

2 槽型艙壁承受的載荷

2.1 槽型剖面幾何要素

圖1 槽型艙壁橫剖面

2.2 槽型艙壁承受載荷

對(duì)于一般的干散貨艙，貨艙端部的水密槽型橫艙壁僅受到艙內(nèi)干散貨的靜壓力和貨物引起的動(dòng)壓力。而對(duì)于用作重壓載的貨艙，當(dāng)該艙不裝壓載水時(shí)，其端部的水密槽型橫艙壁應(yīng)按干散貨艙進(jìn)行強(qiáng)度校核；當(dāng)該艙裝載壓載水時(shí)，應(yīng)按深艙要求進(jìn)行強(qiáng)度校核，即考慮艙內(nèi)液體的靜壓力和液體引起的動(dòng)壓力。圖2為槽型艙壁受力簡(jiǎn)圖，圖3為槽型艙壁在側(cè)向壓力作用下的正應(yīng)力分布。

另外，根據(jù)IACS（國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)）URS18[5]的規(guī)定，對(duì)船長(zhǎng)150m及以上、擬裝運(yùn)密度為1.0t/m3及以上的固體貨物，且具有單甲板、頂邊艙和底邊艙的單、雙殼散貨船的垂直水密槽型橫艙壁，應(yīng)在貨艙進(jìn)水情況下對(duì)槽型艙壁的構(gòu)件尺寸進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。因此，槽型水密橫艙壁還受到貨艙進(jìn)水時(shí)艙內(nèi)海水及貨物的壓力。

由于水密槽型橫艙壁位于兩個(gè)貨艙之間，所以作用在艙壁上的載荷為前后兩個(gè)貨艙分別作用在該艙壁上的載荷的合成載荷。合成載荷按完整工況和進(jìn)水工況分別考慮。完整工況中又包括均勻裝載、隔艙裝載、正常壓載和重壓載四種工況。進(jìn)水工況需按艙內(nèi)有貨進(jìn)水和空艙進(jìn)水兩種情況分別考慮。對(duì)于進(jìn)水工況，當(dāng)貨艙裝運(yùn)包裝貨時(shí)，該艙視為空艙。但無(wú)論如何，考量槽型艙壁強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用最嚴(yán)重工況時(shí)的合成載荷。

圖2 槽型艙壁受力簡(jiǎn)圖

圖3 槽型艙壁在側(cè)向壓力作用下的正應(yīng)力分布

3 槽型艙壁強(qiáng)度計(jì)算

3.1 局部強(qiáng)度

根據(jù)CSR，槽型艙壁的腹板和面板的凈板厚應(yīng)滿足完整工況、進(jìn)水工況和試驗(yàn)工況時(shí)的局部強(qiáng)度要求[6]，見(jiàn)表1。

表1 局部強(qiáng)度條件下腹板和面板凈厚度

3.2 槽條抗彎能力

在貨艙進(jìn)水工況下，應(yīng)考核槽條總體抗彎能力。根據(jù)URS18，槽條的抗彎能力應(yīng)滿足式（1）要求：

式中：M——槽條最大彎矩/kN·m，M=FlC/8；F——槽條上的合力/kN，lC——槽條跨距/m，取值時(shí)若頂墩為矩形且高度大于2倍槽深或頂墩為非矩形但高度大于3倍槽深時(shí)，其超出部分應(yīng)計(jì)入槽條跨距；

在計(jì)算槽條下端凈剖面模數(shù)WLE時(shí)，應(yīng)考慮面板受壓而引起的有效面積的折減，另外還要考慮槽條腹板下有無(wú)肘板對(duì)其進(jìn)行有效支撐，底墩頂板的安裝角度、卸貨板和封槽板等因素，詳見(jiàn)表2。

表2 WLE計(jì)算修正

3.3 腹板抗剪切強(qiáng)度

由于剪力主要由腹板承擔(dān)，面板上的剪力很小，為計(jì)算方便，CSR給出了腹板上剪應(yīng)力計(jì)算公式，見(jiàn)式（2）：

式中：Q——槽條上的剪力/kN，Q=0.8F；A——腹板有效剪切面積/cm2，A=ctwsinφ，sinφ一項(xiàng)是考慮到槽型剖面中腹板與面板不垂直給剪切帶來(lái)的影響，因此將腹板的面積進(jìn)行了折減。

3.4 腹板剪切屈曲強(qiáng)度

根據(jù)CSR規(guī)范和URS18的要求，在進(jìn)水工況下還應(yīng)校核腹板的剪切屈曲強(qiáng)度。腹板上的剪應(yīng)力應(yīng)滿足式（3）：

4 槽條要素設(shè)計(jì)

槽條要素設(shè)計(jì)，就是在滿足上述強(qiáng)度要求下，尋求最佳的槽條要素a、c、d、φ、tf、tw組合，以便使整個(gè)槽型艙壁的重量達(dá)到最小。

由于槽條下端受到的載荷最大，強(qiáng)度要求最高，板厚也就最大。因此，對(duì)于單個(gè)槽條，可用槽條下端列板的名義平均厚度f(wàn)w作為考核衡準(zhǔn)；而對(duì)于整個(gè)槽型艙壁，則可用所有槽條下端列板的名義平均厚度Fw作為考核衡準(zhǔn)。名義平均厚度f(wàn)w越小，表明該槽條重量越輕；名義平均厚度Fw越小，表明整個(gè)艙壁的重量越輕。

從式（4）可知，槽條下端列板名義平均厚度f(wàn)w是槽條要素a、c、SC、tf、tw或a、d、sinφ、tf、tw的函數(shù)，而板厚tf、tw又是由艙壁強(qiáng)度決定的，因此，槽條下端列板名義平均厚度是由載荷和槽條幾何形狀共同決定的。

為了找出整個(gè)槽型艙壁下端列板名義平均厚度與槽條要素a、c、SC、tf、tw或a、d、sinφ、tf、tw變化關(guān)系，下面以某大型散貨船槽型橫艙壁為例，分幾種情況進(jìn)行研究。散貨船主尺度L×B×D = 294m×50m×24.9m，雙層底高度2.6m，底墩頂板距基線高度7.18m，頂墩底板距基線高度21.4m，甲板梁拱0.93m。貨艙槽型艙壁尺寸 a×d×φ=1.25m×1.25m×73°。

4.1 艙壁下端列板名義平均厚度與槽條面板寬度的關(guān)系

假定槽條要素d、φ不變，利用船級(jí)社現(xiàn)有的CSR規(guī)范計(jì)算軟件，得出槽型艙壁下端列板名義平均厚度與槽條面板寬度a的變化關(guān)系，如圖4所示。

從圖4可以看出，當(dāng)面板寬度為1.25m時(shí)，顯而易見(jiàn)艙壁下端剖面面積最小，整個(gè)艙壁重量將會(huì)最輕。增加面板寬度，其厚度也會(huì)同時(shí)增加，因而會(huì)引起艙壁下端剖面面積增大；僅減少面板寬度，會(huì)引起腹板數(shù)量的增加，由于腹板尺寸不變，艙壁下端剖面面積并不會(huì)減小，反而會(huì)增大。

4.2 艙壁下端列板名義平均厚度與槽條深度的關(guān)系

假定槽條要素a、φ不變，利用同樣的方法，可得出槽型艙壁下端列板名義平均厚度與槽條深度d的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖4 槽型艙壁下端剖面面積與槽條面板寬度的關(guān)系

圖5 槽型艙壁下端剖面面積與槽條深度的關(guān)系

從圖5中可以看出，當(dāng)槽條深度約為0.76m時(shí)，艙壁下端剖面面積最小，此時(shí)整個(gè)艙壁重量會(huì)最輕。由于此時(shí)槽條抗彎能力或抗剪切能力不能滿足規(guī)范要求，槽條需要在滿足局部強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上較多地增大板厚，因此整個(gè)艙壁的重量不但不下降，反而會(huì)增加。增大槽條深度，槽條腹板寬度增大，其厚度也會(huì)同時(shí)增大。如果腹板寬度未超過(guò)面板寬度，艙壁下端的厚度將由槽條面板厚度決定，整個(gè)艙壁重量將隨腹板寬度的增加而平緩增加；如果腹板寬度超過(guò)面板寬度，艙壁下端的厚度將由腹板厚度決定，此時(shí)增大腹板寬度，整個(gè)艙壁的重量將會(huì)迅速增加。

4.3 艙壁下端列板名義平均厚度與夾角的關(guān)系

假定槽條要素a、d不變，利用同樣的方法，也可得出槽型艙壁下端列板名義平均厚度與夾角 φ（槽條腹板與面板夾角）的變化關(guān)系，如圖6所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)槽深和面板寬度不變時(shí)，槽條板厚隨面板和腹板的夾角增大而增大，因而整個(gè)艙壁的重量也隨之增大。這是因?yàn)槊姘搴透拱宓膴A角增大了，在槽深不變時(shí)，腹板寬度增大了，導(dǎo)致槽條板厚增大，艙壁重量增加。這一點(diǎn)可從式（6）的Aw(單位深度艙壁下端剖面面積)的表達(dá)式中可以很直觀地看出。

式（6）中，Aw與（a+c cosφ）成反比關(guān)系，當(dāng)φ＝0°，cosφ = 1，此時(shí)Aw的值最??；當(dāng)φ＝90°，cosφ = 0，此時(shí)Aw的值最大。

圖6 槽型艙壁下端剖面面積與夾角的關(guān)系

5 連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

槽型艙壁有許多重要的連接節(jié)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意，如：槽條的彎曲半徑、槽條與頂墩的連接、槽條與底墩的連接、底墩斜板與內(nèi)底的連接等。

5.1 槽條彎曲半徑的合理選擇

對(duì)于槽條的彎曲半徑R，規(guī)范僅要求不小于艙壁板實(shí)際建造厚度的3倍。對(duì)于散貨船槽型艙壁，其建造厚度一般不會(huì)超過(guò)30mm，因此，彎曲半徑一般選為R=100mm即可。但這個(gè)彎曲半徑，對(duì)于15 萬(wàn)噸級(jí)以上的散貨船，因槽型艙壁厚度較大，且板列之間可能存在較大的板厚差，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)水平拼板焊縫在彎曲加工后，焊縫彎曲部位出現(xiàn)了較多的橫向裂紋[7]，見(jiàn)圖7、8。

圖7 槽型艙壁拼板加工

圖8 拼板焊縫彎曲加工后出現(xiàn)的橫向裂縫

從圖8可以看出，這些裂紋的出現(xiàn)沒(méi)有明顯的規(guī)律可循，大小、深淺不一，有的開(kāi)口相當(dāng)大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度。雖然這些裂紋沒(méi)有什么明顯規(guī)律可循，但總是出現(xiàn)在彎曲加工受拉的一面，而且大都集中在線應(yīng)變最大的曲率部位，受壓面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋等缺陷。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和深入分析得出：受拉的一面出現(xiàn)裂縫，其原因是槽型艙壁板在彎曲加工時(shí)，拼板焊縫的實(shí)際伸長(zhǎng)率超過(guò)了焊接材料的允許伸長(zhǎng)率，導(dǎo)致焊縫無(wú)法承受過(guò)大的拉伸而出現(xiàn)裂紋。圖9為槽條彎曲詳圖，可以證明，當(dāng)彎曲角度一定時(shí)，彎曲半徑越小，受拉面線應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

從圖9可以得出，槽條受拉面的線應(yīng)變?yōu)椋?/p>

從式（7）可以看出，當(dāng)R較大時(shí)，線應(yīng)變較?。划?dāng)R較小時(shí)，線應(yīng)變較大。因此，要減小線應(yīng)變，控制裂紋的出現(xiàn)，就必須加大彎曲半徑。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)彎曲半徑為板厚的4.5倍以上時(shí)，拼板焊縫處不再出現(xiàn)彎曲裂紋了。

5.2 底墩頂板與水平面傾斜角度的合理選擇

當(dāng)貨艙槽型艙壁下設(shè)置底墩時(shí)，底墩頂板與水平面的角度，不僅取決于槽條下端的剖面模數(shù)，還要看底墩前后側(cè)壁是豎直的還是傾斜的。從強(qiáng)度上說(shuō)，底墩頂板與水平面成45°時(shí)最有利，平行于水平面時(shí)最差。從制造工藝上說(shuō)，當(dāng)?shù)锥涨昂髠?cè)壁一豎直、一傾斜時(shí)，頂板與水平面成45°角，對(duì)裝配和焊接都無(wú)問(wèn)題。但當(dāng)?shù)锥涨昂髠?cè)壁都為傾斜時(shí)，頂板如果也與水平面成45°角，因?yàn)楹笮卑迮c頂板形成的夾角很小，當(dāng)這個(gè)角度β＜30°時(shí)，就會(huì)給焊接和裝配對(duì)中檢查帶來(lái)了很大的困難，此時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，見(jiàn)圖10。

圖9 槽條彎曲

圖10 底墩前后側(cè)壁及頂板

為了解決底墩頂板與后斜板角度太小的問(wèn)題，可將底墩后側(cè)壁改為豎直結(jié)構(gòu)，或?qū)⒌锥枕敯甯臑樗?。?dāng)然，也可將底墩頂板與水平面的角度改為0～45°之間的某個(gè)角度，但這種設(shè)計(jì)并不利于生產(chǎn)。還有一種比較理想的方法，就是將底墩頂板與后斜板合并為一個(gè)整體，頂板與后斜板通過(guò)冷壓加工形成一個(gè)圓角過(guò)渡。但這種方法是有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)镃SR規(guī)范中明確規(guī)定：前后側(cè)壁在底墩頂板與內(nèi)底板之間不得有任何折邊，且槽型面板應(yīng)與前后側(cè)壁對(duì)齊。

6 結(jié) 語(yǔ)

槽型艙壁是散貨船中十分重要的結(jié)構(gòu)，合理選擇槽條要素，既可以降低結(jié)構(gòu)重量，又能提高船廠效益和船舶的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。槽型艙壁的設(shè)計(jì)，在滿足規(guī)范要求的強(qiáng)度下，不僅要考慮減重，還要考慮生產(chǎn)加工的工藝性，合理設(shè)計(jì)、處理相關(guān)的細(xì)部節(jié)點(diǎn)，也是一項(xiàng)相當(dāng)重要的工作。

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