大型集裝箱船橫艙壁結(jié)構(gòu)形式探討

李丹丹 韓 鈺 陳樂昆

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

大型集裝箱船橫艙壁結(jié)構(gòu)形式探討

李丹丹 韓 鈺 陳樂昆

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

橫艙壁作為集裝箱船的重要結(jié)構(gòu)之一，不僅要支撐貨艙導(dǎo)軌，還要支撐其上部的艙口蓋、綁扎橋及上面堆放的集裝箱。與其他船型相比，集裝箱船的甲板具有大開口特性，船的橫向強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度更多地依賴橫艙壁。集裝箱船其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)較為固化，但其橫艙壁的結(jié)構(gòu)形式具有多樣性，文中介紹了集裝箱船橫艙壁的三種主要形式（垂直式、水平式、混合式），并進(jìn)行對(duì)比分析，從而有助于設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)貨艙實(shí)際裝箱情況，選取合適的橫艙壁形式。

集裝箱船；水密橫艙壁；支撐橫艙壁；混合式橫艙壁；橫向強(qiáng)度

引 言

伴隨著集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)的持續(xù)低迷，在安全的前提下，各個(gè)設(shè)計(jì)公司及船廠努力優(yōu)化集裝箱船的設(shè)計(jì)，降低空船質(zhì)量，從而達(dá)到集裝箱船性能指標(biāo)優(yōu)異，以搶占市場(chǎng)。集裝箱船特別是超大型集裝箱船，明顯不同于其他船型：貨艙開口較寬且很長(zhǎng)，整船的橫向強(qiáng)度主要依賴于橫艙壁。船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，尤其是貨艙段的變形也因橫艙壁而得到有效控制。根據(jù)橫艙壁的功能其主要分為水密橫艙壁和支撐橫艙壁兩種。本文分別介紹其各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及一種改進(jìn)的混合型的橫艙壁結(jié)構(gòu)形式。

1 集裝箱船橫艙壁的作用及用途

集裝箱船通常在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（一個(gè)40 ft集裝箱長(zhǎng)度）之間設(shè)置橫艙壁/支撐橫艙壁，一般與橫向艙口圍板對(duì)齊，從而構(gòu)成雙板型的箱型結(jié)構(gòu)，以便更有效裝載及支撐集裝箱；同時(shí)，集裝箱船貨艙區(qū)域的功能化模塊也設(shè)置在橫艙壁范圍內(nèi)。對(duì)于超大型集裝箱船，橫艙壁在垂向范圍內(nèi)，通常從內(nèi)底或貨艙最底部，一直延伸至橫向艙口圍板頂。橫艙壁的前后兩側(cè)設(shè)有集裝箱導(dǎo)軌，方便集裝箱的吊裝，導(dǎo)軌通常延伸至最下層的集裝箱頂部，這樣集裝箱在裝卸貨的時(shí)候都能順著導(dǎo)軌，以確保集裝箱裝卸的準(zhǔn)確高效。當(dāng)船舶縱傾時(shí)，集裝箱通過(guò)導(dǎo)軌將縱向力傳遞至橫艙壁。貨艙區(qū)域船體縱剖面圖如圖1所示。

橫艙壁的頂部支撐著兩側(cè)貨艙的艙口蓋以及綁扎橋，為了能夠多裝箱子，故力求在艙口蓋上堆裝最大層數(shù)和最多堆重的集裝箱，由此產(chǎn)生較大反作用力作用于橫艙壁，制約著橫艙壁的剛度及強(qiáng)度。為了確保艙口蓋上的集裝箱在航行過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榇暗倪\(yùn)動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)及丟失，集裝箱船甲板面上通常設(shè)有綁扎橋。綁扎橋能夠較好地把艙口蓋上最下3～4層的集裝箱系固在船體上。綁扎橋的寬度需滿足CSS（Cargo Stowage and Securing）code［1］中橫向通道的最小要求，這在一定程度上限制了集裝箱船橫艙壁雙板間的最小寬度。

雙板型橫艙壁參數(shù)見表1。

表1 雙板型橫艙壁參數(shù)mm

雙板型橫艙壁內(nèi)需要布置貨艙污水井、壓載艙的管系、進(jìn)入貨艙的梯道、貨艙通風(fēng)管路等功能性模塊，這些布置在一定程度上削弱了橫艙壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)于部分燃油艙/壓載水艙艙容緊張的集裝箱船，會(huì)在水密橫艙壁處設(shè)置燃油深艙/壓載水艙。

2 橫艙壁抗扭設(shè)計(jì)

由于集裝箱船大開口的特性，船體梁會(huì)承受各種載荷下的聯(lián)合作用——靜水彎矩、貨物和不對(duì)稱液艙室布置引起的靜水扭矩、垂向彎矩、水平彎矩等?？梢钥闯鼍哂写箝_口的集裝箱船不僅有縱向的彎曲，扭轉(zhuǎn)變形也是其主要特征之一。而在開口區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)水密橫艙壁和支撐橫艙壁，不但可以增強(qiáng)開口區(qū)域的剛度，也可以抑制船體梁扭轉(zhuǎn)變形。

集裝箱船水密橫艙壁和支撐橫艙壁通常在其頂部設(shè)置由雙向板架構(gòu)成的橫向抗扭箱，并在端部設(shè)置大型肘板與縱艙壁連接，用以提供足夠的強(qiáng)度來(lái)承受由船體梁扭轉(zhuǎn)而引起的扭矩。橫向抗扭箱的抗扭強(qiáng)度取決與雙向板架的高度及雙向板的厚度。

橫艙壁的抗扭能力可通過(guò)計(jì)算分析彎扭合成應(yīng)力來(lái)校核。彎矩合成應(yīng)力可使用BV的Mars2000軟件進(jìn)行分析，在剖面計(jì)算時(shí)迭加上翹曲應(yīng)力，求得總的合成應(yīng)力，并將總合成應(yīng)力同許用應(yīng)力比較，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求。最后可采用全船有限元分析的扭合成應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

船體薄壁梁模型以及全船有限元模型參見圖2、圖3。

3 水密橫艙壁及支撐橫艙壁形式

集裝箱船的橫艙壁通常分為水密橫艙壁和支撐橫艙壁。水密橫艙壁的一側(cè)是一個(gè)完整的水密板架，另一側(cè)則為桁架形式；而支撐艙壁的兩端均為桁架式。

由于船舶的破艙穩(wěn)性的要求，集裝箱船設(shè)有多道水密橫艙壁。通常為縱向每2個(gè)40 ft集裝箱長(zhǎng)度處設(shè)一道水密艙壁，有的超大型集裝箱船每3個(gè)40 ft集裝箱長(zhǎng)度設(shè)一道水密艙壁。水密橫艙壁通常作為貨艙的邊界，將集裝箱船劃分為若干個(gè)貨艙。水密橫艙壁作為集裝箱船最主要的受力構(gòu)件之一，保證集裝箱船的垂向強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度［2］及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，同時(shí)水密橫艙壁還需要能夠承受在貨艙破損狀態(tài)下的水壓力。

支撐橫艙壁位于兩道水密橫艙壁之間，不同于水密橫艙壁，其雙板型兩側(cè)均為敞開式的桁架。故支撐橫艙壁無(wú)論在垂向還是橫向都比水密橫艙壁的承載能力弱。

根據(jù)橫艙壁平臺(tái)/桁材的布置形式，可分為垂向式、水平式和混合式。

3.1 垂向式

垂向式是在每個(gè)橫向箱位向都設(shè)置垂直桁，每2～3個(gè)集裝箱高度處設(shè)置水平平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式。其水平的結(jié)構(gòu)平臺(tái)個(gè)數(shù)明顯少于垂直桁個(gè)數(shù)，該結(jié)構(gòu)形式能夠承受較大的垂向載荷。垂向式的橫艙壁（見圖4）在超大型集裝箱船上運(yùn)用較廣［3］。由于水密橫艙壁要承擔(dān)船舶破艙水壓力，水密橫艙壁的下部分一般采用垂向式的結(jié)構(gòu)形式。部分船的支撐橫艙壁下部也采用垂向式的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 水平式

水平式是指在高度方向每個(gè)箱位間都設(shè)置水平平臺(tái)，橫向每隔若干個(gè)箱寬處設(shè)置垂直桁的結(jié)構(gòu)形式。其水平的結(jié)構(gòu)平臺(tái)個(gè)數(shù)大于垂直桁個(gè)數(shù)，該結(jié)構(gòu)形式的單個(gè)垂直桁承受更大的載荷，其構(gòu)件尺寸會(huì)大很多。水平式橫艙壁結(jié)構(gòu)形式多用于貨艙裝有冷藏集裝箱的情況［3］，每層設(shè)有結(jié)構(gòu)平臺(tái)，方便冷箱集裝箱的調(diào)控，參見下頁(yè)圖5。

3.3 混合式

混合式是介于垂直式和水平式之間，水平平臺(tái)和垂直桁均是每隔一個(gè)箱位間設(shè)置。由于平臺(tái)及垂直桁的總數(shù)量較少，該結(jié)構(gòu)形式的橫艙壁的質(zhì)量相對(duì)較輕。參見圖6。

4 改進(jìn)的混合式橫艙壁

混合式的橫艙壁作為較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，在超大型集裝箱船中尚未廣泛運(yùn)用。不過(guò)，混合式的橫艙壁雖然質(zhì)量較輕，但對(duì)建造精度要求較高。由于混合式橫艙壁自身平臺(tái)及垂直桁較少、間距較大，通常間隔大于5 m；另一方面超大型集裝箱船的橫艙壁普遍很高、很寬，通常高度近30 m，單個(gè)橫艙壁分段寬度近20 m。對(duì)于單片橫艙壁分段，無(wú)論是運(yùn)輸、翻身、吊裝還是大合攏，控制橫艙壁的變形，提高建造精度一直是個(gè)難題。

由于混合式橫艙壁的平臺(tái)及垂直桁是每隔一個(gè)箱位處設(shè)置，這樣必然會(huì)在中間出現(xiàn)空缺部分，導(dǎo)軌無(wú)法有效地支持在橫艙壁上，致使導(dǎo)軌變形［4］。通常在兩個(gè)垂直桁之間設(shè)置角鋼（見圖6），并在導(dǎo)軌相應(yīng)固定處沿縱向方向加強(qiáng)，但這同時(shí)也帶來(lái)了一定缺陷。

集裝箱船為大開口型船舶，在斜浪工況下的扭轉(zhuǎn)變形較大，橫艙壁作為抗扭的主要受力構(gòu)件，會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。橫艙壁的垂直桁構(gòu)件相對(duì)較強(qiáng)，連接其上的角鋼自身強(qiáng)度較弱，且受制于連接形式，容易產(chǎn)生疲勞問題。若要解決連接處的疲勞問題，就需要一種新的結(jié)構(gòu)形式取代原先的角鋼。

改進(jìn)的混合式橫艙壁將傳統(tǒng)的角鋼連接改為T型材連接（見圖7）。其優(yōu)勢(shì)在于，T型材面板與垂直桁面板相連時(shí)，可以增設(shè)軟趾，并可根據(jù)計(jì)算結(jié)果局部嵌入厚板或?qū)④浿悍糯蟆?/p>

5 改進(jìn)的混合式橫艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

本文結(jié)合我院開發(fā)設(shè)計(jì)的某超大型集裝箱船，依據(jù)GL 2015年規(guī)范［5］中關(guān)于艙段有限元的要求，運(yùn)用Posiedon軟件對(duì)改進(jìn)混合式艙壁進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，參見圖8—圖10。為計(jì)算方便，取半寬模型，縱向取1/2+1+1/2范圍，模型邊界、計(jì)算工況及應(yīng)力、屈曲衡準(zhǔn)參考相應(yīng)規(guī)范要求。

艙段有限元分析計(jì)算工況見表2。

表2 艙段有限元分析計(jì)算工況

改進(jìn)的混合式橫艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形量統(tǒng)計(jì)值參見表3。

表3 改進(jìn)的混合式橫艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形量統(tǒng)計(jì)表

在考慮集裝箱對(duì)橫艙壁作用力的情況下，改進(jìn)的混合式橫艙壁結(jié)構(gòu)經(jīng)由有限元分析計(jì)算可知，應(yīng)力值及相對(duì)變形量均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

集裝箱船橫艙壁的結(jié)構(gòu)形式一般分為水平式、垂直式和混合式，可根據(jù)貨艙實(shí)際裝箱情況，選取合適的橫艙壁形式。在貨艙內(nèi)不考慮裝運(yùn)冷藏集裝箱的情況下，采用混合式的橫艙壁形式，更能減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

改進(jìn)的混合式橫艙壁由于主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件間距加大，給工廠的施工建造中控制變形量帶來(lái)一定的難度，但其以下優(yōu)點(diǎn)顯而易見：

（1）混合式橫艙壁由于平臺(tái)或垂直桁數(shù)量較少，相對(duì)結(jié)構(gòu)較輕。在滿足相等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提下，對(duì)于單個(gè)橫艙壁，混合式比垂直式減輕5%左右，比水平式減輕8%左右。

（2）改進(jìn)的混合式橫艙壁，運(yùn)用T型材連接形式替代傳統(tǒng)角鋼連接形式，能很好地解決節(jié)點(diǎn)連接處的疲勞問題。

［1］ IMO. Code of Safe Practice for Cargo Stowage and Securing［S］. 2011.

［2］ 韓鈺，陳磊，王偉飛，等.超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 船舶與海洋工程，2015（4）：10-17.

［3］ 陳皓，李文賀，彭貴勝. 超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析［J］. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2015（1）：32-36.

［4］ 劉保華，郭俊林，呂紫維，等. 超大型集裝箱船導(dǎo)軌架分段階段安裝技術(shù)研究［J］. 造船技術(shù)， 2015（5）：46-51.

［5］ GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2015.

Discussion on structure type of transverse bulkhead of

large container vessel
LI Dan-dan HAN Yu CHEN Le-kun (Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The transverse bulkhead, as one of the most important structures of a container vessel, not only supports the container guide rail, but also the hatch covers, the lashing bridges and the containers above the deck in comparison with other ship types, the larger openings on the deck of the container vessel lead the transverse and torsion strength of the ship more dependent upon the transverse bulkheads. Other regions of the container vessel have relatively fi xed structure type, while the transverse bulkhead has various structure type. This paper introduces and compares the three main structure types of the transverse bulkhead of the container vessel, i.e. vertical type, horizontal type and mixed type. It will help the designers to select the appropriate structure type for the transverse bulkhead according to the actual packing situation of the cargo hold.

container vessel; watertight transverse bulkhead; support transverse bulkhead; mixed type transverse bulkhead; transverse strength

U663.4

A

1001-9855（2017）04-0047-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.047

工信部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃支持項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝［2016］25號(hào)）

2016-11-18；

2016-12-23

李丹丹（1978-），女，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

韓 鈺（1980-），男，碩士，研究員。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

陳樂昆（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。