系泊設備及結構加強的規(guī)范分析及應用

張冠楠 孫慧莉

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

船舶在營運中經常要進行拖帶和系泊作業(yè)，故拖帶和系泊設備要承受較大的載荷。為保證船舶在使用過程中的安全，需要對拖帶和系泊設備及其相連的船體支撐結構進行強度分析。

系泊設備系指船舶正常系泊作業(yè)時所用的系纜樁與纜柱、系纜器、立式滾輪、導纜孔以及用于正常拖帶作業(yè)的拖樁、拖纜孔等類似設備。船體支撐結構系指上部或內部安裝船用配件并直接承受作用在船用配件上的力的部分船體結構，如與之相連的橫梁、縱桁、支柱和艙壁等。通常，拖帶和系泊設備為標準件，根據(jù)規(guī)范［1-3］要求選取，能夠滿足結構強度要求，所以只要分析拖帶與系泊設備支撐結構的強度即可。

本文以1 100 TEU（錦江）集裝箱船為例，從舾裝和結構兩方面對系泊設備及結構加強進行了系統(tǒng)的闡述，希望對以后的工作有一定的指導作用。

1 實船相關參數(shù)

1 100 TEU（錦江）集裝箱船為單機單槳尾機型船，主要參數(shù)如下：

計算船長 138.86 m

垂線船長 139.6 m

型 寬 23.25 m

型 深 11.5 m

結構吃水 8.5 m

2 舾裝數(shù)

舾裝數(shù)是用來確定船上錨泊設備的主要依據(jù)。它表征作用在錨泊船舶上的外力，即風壓力、水阻力，以及波浪使船舶搖動產生的慣性力。根據(jù)IACS規(guī)定，海船的錨泊和系泊設備應根據(jù)舾裝數(shù)N配備設備。舾裝數(shù) N 按式（1）、（2）計算：

式中：Δ——夏季載重線下的型排水量，t；

B——船寬，m；

H——從夏季載重水線到最上層艙室頂部的有效高度，對最下層的層高Hi從上甲板中心線量起，或具有不連續(xù)上甲板時，從上甲板的最低線及其平行于升高部分甲板的延伸線量起；

A——船長范圍內夏季載重水線以上的船體

部分和上層建筑以及各層寬度大于B/4的甲板室的測投影面積的總和（對于系泊計算，甲板上有貨物的情況下，甲板貨的側投影面積也要計入，m2；

a——從船中夏季載重水線至上甲板的距離，m；

Hi——各層寬度大于B/4的艙室，在其中心線處量計的高度，m

根據(jù)舾裝數(shù)，按照規(guī)范要求的標準查得所選取的拖索和系索的公稱破斷強度，進而得到拖索和系索的設計載荷。對于本船，A=2 045，N=2 062，最終配備如下：

鋼絲繩拖索：1根，長220 m，破斷力1 169 kN；

聚丙烯系纜索：8根，每根長190 m，破斷力402.1 kN。

3 設計載荷的確定

在船首、舷側和船尾用于系泊/拖帶的設備必須布置在作為甲板結構一部分的縱桁、橫梁等構件上，以便有效的分布系泊/拖帶力。對于巴拿馬導纜孔等設備，如能提供強度計算以證明能滿足特定的服務要求，其他形式的布置也可接受。

3.1 系泊

在系泊計算中，作用于船舶設備及船體支撐結構的設計載荷應為按舾裝數(shù)對應的系索破斷強度的1.25倍，除非使用者申請了更大的安全工作載荷（SWL）。

絞車等船體支撐結構的設計載荷按1.25倍預計最大剎車拉力選取，對絞盤來說按1.25倍絞盤最大卷進拉力選取。系泊設備的SWL不超過設計載荷的80%。

對于本船，系泊設備的安全工作載荷FSWL=402.1 kN；設計載荷（DL）FDL=402.1×1.25=502.6 kN。

3.2 拖帶

一般情況下，拖帶分為正常拖帶，伴航拖帶和應急拖帶。除非使用者特別申請更大的SWL。拖帶設備的最小設計載荷根據(jù)IACS規(guī)定按下要求確定：

1）用于正常拖帶操作（如港區(qū)／調遣）的設計載荷應為拖帶與系泊布置圖內標示的最大預計拖帶載荷（如系柱靜拖力）的1.25倍；

2）對于其他拖帶（伴航），根據(jù)船舶的舾裝數(shù)取相應的拖纜公稱破斷拉力。此工況僅適用于首樓甲板上的主拖帶設備，通常布置在首樓甲板的中心線上。通常情況下，這里的其他拖帶工況應理解為僅用拖帶纜繩正向拖帶的情形。

3）應急拖帶中，對于載重噸大于20 000 t小于50 000 t的船舶，SWL最小為1 000 kN；對于載重噸大于50 000 t的船舶，SWL最小為2 000 kN。SWL定義為拖索的最小破斷拉力的0.5倍，應足夠承擔任意方向的拖帶，如拖索指向左右舷并與船體中心線水平成90°的夾角同時垂直方向成30°。

對于本船，僅有正常拖帶工況，單根拖索的安全工作載荷FSWL=633 kN；設計載荷FDL=633×1.25=791.25 kN。

3.3 注意事項

1）在系泊計算中，評估橫向風載荷、拖輪布置和系索/拖索選擇時應計入包括甲板貨最大堆裝貨物的側投影面積；

2）IACS中有關拖索和系泊索的破斷拉力必須強制執(zhí)行，以便于確定拖帶和系泊設備及其支撐結構的設計載荷；

3）IACS規(guī)定單根系索的破斷強度超過490 kN時，如果船上所有系索破斷載荷的總和不小于規(guī)定的總載荷，可以增加相應的系索數(shù)量同時減小系索的破斷強度。系索的數(shù)量應不少于6根并且單根系索的強度不小于490 kN；

4）GL規(guī)范中對SWL進行了進一步修正，即FSWL′=（0.8/1.5）×設計載荷。

3.4 巴拿馬運河的規(guī)定

巴拿馬型導纜孔和帶纜樁的結構加強應該使用拖帶產生的載荷。單個導纜孔的設計載荷為445 kN，雙導纜孔的設計載荷為628 kN。一般情況下，對于巴拿馬型導纜孔和帶纜樁的設計載荷為SWL。

用于標準系泊/拖帶并且需要滿足巴拿馬運河規(guī)定的導纜孔和帶纜樁，設計載荷取大者。

4 模型與計算結果

4.1 模型

本文采用3D-BEAM軟件對系泊設備甲板進行了模擬梁系的建模：X軸沿船體縱向指向船首，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿船體型深方向向上。

將甲板橫梁、縱桁、系泊設備下的加強構件建立梁模型，甲板作為梁的帶板，甲板下圍壁簡化為對梁的簡支約束。船中處各節(jié)點施加中面約束；與端部橫艙壁以及舷側外板相連的梁節(jié)點施加剛固約束。

將船用設備（帶纜樁、導纜滾輪、導纜孔等）簡化為剛性梁，梁一端為載荷作用點，另一端為設備底座覆蓋范圍內的船體梁節(jié)點。

絞車基座模擬為梁，基座面板視為梁的帶板，腹板視為梁的腹板；在基座有螺栓孔的位置處建剛性梁將基座與船體支撐結構相連接；在絞車滾筒頂端出繩處建剛性梁，并將其與絞車基座螺栓組位置連接，根據(jù)系泊設備布置圖將絞車載荷施加于剛性梁的相應位置上（首部錨機和絞車為一體，故在此不作討論）。

4.2 構件尺寸

將原系泊加強結構簡化為梁模型，即甲板及其他結構構件，采用構件帶帶板的形式進行簡化，導纜器、帶纜樁和立式滾輪以剛性梁代替。計算采用結構凈尺寸進行，即模型中的構件尺寸為實際尺寸減去2 mm腐蝕增量。鋼材的物理參數(shù)如下：楊氏模量E=2.06×105（N/mm2）；泊松比 μ=0.3。

4.3 應力衡準

根據(jù)IACS及船級社規(guī)范規(guī)定，許用正應力為100%所用材料的屈服點；許用剪切應力為60%所用材料的屈服點。

式中：K——材料系數(shù)；

σy——材料屈服強度，N/mm2

本文為K=1，σy=235 N/mm2。不考慮應力集中因素。正應力包括彎曲應力和因剪切應力產生的軸向應力。

4.4 加載和計算

系泊/拖帶載荷的作用點應是系索/拖索的附著點或系索/拖索方向的變化處，設計載荷應根據(jù)拖帶和系泊布置圖里的纜繩方向進行加載。由于篇幅原因，僅選取典型工況進行示例校核：

1）拖帶工況下帶纜樁承受的載荷按纜繩方向在全局坐標系下分解，通過剛體梁連接到甲板梁節(jié)點上。如圖1所示，單根系索上的載荷為791.25 kN，得出F1x=731 020 N，F(xiàn)1y=-302 799 N。計算得出最大正應力［σ］=149 N/mm2，最大剪應力［τ］=49 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

圖1 拖帶工況帶纜樁受力分解圖

圖2 系泊工況絞車受力分解圖

2）設計載荷在全局坐標系下分解得到系羊角導纜器上承受的載荷為（見圖2）：舷側導纜孔上承受的載荷為F1x=829 054 N，F(xiàn)1y=382 199 N；絞車上承受的載荷為：F2x=206 038 N，F(xiàn)2y=458 454 N；舷側羊角導纜器上承受的載荷為：F3x=242 570 N，F(xiàn)3y=115 700 N。計算得出最大正應力［σ］=186 N/mm2，最大剪應力［τ］=85 N/mm2，滿足規(guī)范要求。

5 結語

篇幅有限，雖未能將所有系泊工況一一列出詳細說明，但已可得到如下經驗。

1）在船舶進行拖帶操作時，由于拖力較大，故拖樁附近的船體結構會產生較大的應力。為保證拖帶操作的安全，必須保證這一區(qū)域的船體結構有足夠的強度。在實際情況下，拖力普遍較大，拖樁附近的船體結構受力往往也都會超出許用應力值，需要進行局部加強。

2）考慮到縱向受力相對較大，加強時重點在縱向結構。

3）在系泊工況下，由于系索本身的破斷力相對較小，所以作用在導纜孔、導纜滾輪、帶纜樁等系泊設備上的載荷會相對比較小，相應產生的應力也較小。

4）為保證滿足結構強度，在布置拖帶與系泊設備時，要注意以下幾點：

（1）盡量將拖帶與系泊設備布置在強構件上或強構件較為密集的區(qū)域；

（2）出現(xiàn)2根系索牽引時，要盡量使2根系索間的夾角變大，避免產生過大的合力；

（3）在系索牽引的方向上盡量設有強橫梁或縱桁，或作類似加強；

（4）盡量降低拖力和系泊力的作用點，以減小彎矩；

（5）立柱導纜器的高度要按照現(xiàn)場拉線確定，使得繞過的纜繩盡量在一個平面上。

系泊設備作為船舶設備里不可或缺的一部分，其結構加強需要滿足IACS及各船級社的規(guī)范要求。本文通過對舾裝和結構的規(guī)范論述希望能讓讀者對系泊及其結構加強有一個更全面的認識和深刻的理解。

［1］IACSUR-A.Requirements Concerning Mooring，Anchoring and Towing［S］.2007.

［2］中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范［S］.2009.

［3］GL 船 級 社.RULESFOR CLASSIFICATION AND CONSTRUCTION［S］.2009.