船用帶纜樁選型方法探討

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

隨著動(dòng)力和載重的不斷提升，船舶在進(jìn)行系泊、拖帶等操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大載荷，這就要求船上有合適強(qiáng)力點(diǎn)用于吸收載荷以避免對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。最新的UR A2(2016)規(guī)定了帶纜樁拖帶和帶纜2種受力情況，但除了ISO 13795—2012略有提及外，其他標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有更新，船廠在進(jìn)行帶纜樁選型時(shí)會(huì)存在局限性。如何在滿足強(qiáng)度要求的情況下，選取體積小、質(zhì)量輕的帶纜樁，成為優(yōu)化船舶舾裝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。為此，在充分理解帶纜樁規(guī)范要求及ISO標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)的力學(xué)模型上，從工程學(xué)角度，通過(guò)優(yōu)化帶纜樁外形結(jié)構(gòu)、利用強(qiáng)度公式核算，提出選型方法，用于支持帶纜樁的選型設(shè)計(jì)。

1 方案思路

根據(jù)長(zhǎng)期工程實(shí)踐，總結(jié)帶纜樁的選型流程見(jiàn)圖1。

2 帶纜樁結(jié)構(gòu)形式

目前常用的帶纜樁結(jié)構(gòu)形式主要有2型，見(jiàn)圖2。主體均為薄壁圓筒，主要差別在于基座補(bǔ)強(qiáng)形式。

以DIN標(biāo)準(zhǔn)為代表(A型)的帶纜樁結(jié)構(gòu)緊湊,筒體內(nèi)部設(shè)置補(bǔ)板，纜樁底座也相應(yīng)簡(jiǎn)化，在相同筒體外徑、間距的情況下，筒體高度相對(duì)較低。簡(jiǎn)化底座、降低高度能夠節(jié)省鋼材，也有利于空船重量的降低。

以JIS標(biāo)準(zhǔn)為代表(B型)的帶纜樁有矩形底座，對(duì)纜樁筒體的補(bǔ)強(qiáng)形式為外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)材。優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較大，但對(duì)于帶纜甲板空間小而舾裝數(shù)較大的船舶，布置這種纜樁將有很大困難。

一般推薦使用A型帶纜樁。

3 帶纜樁強(qiáng)度

帶纜樁作為受力構(gòu)件可以看作是一端固定的薄壁圓筒，應(yīng)根據(jù)纜繩作用點(diǎn)不同進(jìn)行分類討論并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.1 彎曲校核

當(dāng)纜繩的作用點(diǎn)離纜樁根部較遠(yuǎn)時(shí)，可以將帶纜樁視作懸臂梁處理，根據(jù)彎曲正應(yīng)力公式：

其中:σa為許用彎曲正應(yīng)力，數(shù)值上等于材料屈服強(qiáng)度；Da為筒體外徑；da為內(nèi)徑。

代入即得到彎曲校核公式：

(1)

式中:PB為構(gòu)件截面因受彎達(dá)到許用正應(yīng)力時(shí)施加在構(gòu)件上的載荷。為方便描述，簡(jiǎn)稱為許用彎曲載荷;H為纜繩作用點(diǎn)的高度。

3.2 剪切校核

帶纜樁作用點(diǎn)離根部較近，此時(shí)帶纜樁已經(jīng)不能認(rèn)為是細(xì)長(zhǎng)梁，必須進(jìn)行彎曲剪應(yīng)力的校核。帶纜樁筒體為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，這種結(jié)構(gòu)適用環(huán)形截面梁的彎曲剪應(yīng)力計(jì)算公式。

(2)

式中：δ為纜樁筒體厚度。

受力模型如圖3所示，其中：

剪切力Q=PS；Ro為帶纜樁筒體內(nèi)外半徑的平均值；

式中:PS為構(gòu)件截面因受剪達(dá)到許用切應(yīng)力時(shí)施加在構(gòu)件上的載荷。為方便描述，簡(jiǎn)稱為許用剪切載荷。

則剪切校核公式為

(3)

式中:τa為許用切應(yīng)力，數(shù)值上等于0.6倍材料屈服強(qiáng)度。

上述式(1)、式(3)中，筒體高度和內(nèi)外徑由帶纜樁結(jié)構(gòu)決定，而許用彎曲及剪切應(yīng)力由材質(zhì)決定。根據(jù)船級(jí)社聯(lián)合會(huì)UR A2(2016)要求，帶纜樁許用彎曲應(yīng)力為100%所用材料屈服點(diǎn)，許用剪切應(yīng)力為60%所用材料屈服點(diǎn)[1]。至此，帶纜樁的許用剪切載荷與許用彎曲載荷均能夠確定。

4 纜繩設(shè)計(jì)載荷

作用在帶纜樁上的纜繩主要有2類用途：系泊和拖帶，2種工況的纜繩設(shè)計(jì)載荷有所不同。

系泊纜繩依據(jù)系泊力選型，系泊力由舾裝數(shù)決定，因此系泊纜繩的工作載荷主要由船舶本身參數(shù)決定。而拖帶主要出現(xiàn)在各類運(yùn)河或港口，由拖輪提供纜繩，所以拖帶的纜繩工作載荷一般由港口或者運(yùn)河當(dāng)局提供。

得到纜繩的工作載荷后，依據(jù)UR A2(2016)的要求，將其乘以1.25倍作為設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行考慮。對(duì)于同時(shí)用于拖帶和系泊的帶纜樁，取大者作為其設(shè)計(jì)載荷。

纜繩的設(shè)計(jì)載荷由其工作載荷惟一確定，只要工作載荷確定，即使選取了最小破斷力更大的纜繩，其設(shè)計(jì)載荷也應(yīng)保持不變，UR A2(2016)中對(duì)此也有明確。

5 帶纜樁設(shè)計(jì)載荷

在確定纜繩的設(shè)計(jì)載荷后，為得到實(shí)際作用在帶纜樁上的設(shè)計(jì)載荷，需討論纜繩的帶纜方式，這里的帶纜方式包含兩方面含義：纜繩作用點(diǎn)高度及纜繩纏繞方式。

5.1 纜繩作用點(diǎn)高度影響

纜繩的作用點(diǎn)高度直接影響纜繩作用在帶纜樁上的彎矩。根據(jù)前述帶纜樁強(qiáng)度的校核說(shuō)明，帶纜樁在受到纜繩作用力時(shí)，其橫截面將出現(xiàn)彎曲和剪切應(yīng)力，其中彎曲應(yīng)力根據(jù)纜繩的作用點(diǎn)而相應(yīng)產(chǎn)生變化，剪切應(yīng)力始終保持不變。以ISO標(biāo)準(zhǔn)、型號(hào)400B、A32帶纜樁為例，繪制作用點(diǎn)高度(H)與彎曲載荷(PB)、剪切載荷(PS)見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)纜繩作用點(diǎn)較低時(shí)，許用彎曲載荷遠(yuǎn)大于許用剪切載荷，此時(shí)纜樁的破壞主要由剪切應(yīng)力引起；隨著纜繩作用點(diǎn)高度增加，帶纜樁的許用彎曲載荷不斷變小，當(dāng)高度H>315 mm后，許用彎曲載荷小于許用剪切載荷，此時(shí)彎曲載荷成為引起帶纜樁破壞的主要因素。換言之，當(dāng)纜繩作用點(diǎn)較低時(shí)，應(yīng)當(dāng)校核帶纜樁的抗剪切能力；纜繩作用點(diǎn)高時(shí)，應(yīng)當(dāng)校核其抗彎曲能力。

5.2 纜繩纏繞方式的影響

纜繩的纏繞方式也影響作用在帶纜樁上的設(shè)計(jì)載荷。纜繩的纏繞方式主要有套環(huán)形式和“8”字帶纜2種。套環(huán)形式多見(jiàn)于拖帶情況，而系泊時(shí)主要采用“8”字帶纜。

對(duì)于套環(huán)形式，如果纜繩的設(shè)計(jì)載荷為F，那么帶纜樁設(shè)計(jì)載荷也為F；而“8”字帶纜會(huì)對(duì)帶纜樁產(chǎn)生2倍的作用力，為防止這種情況發(fā)生，船廠一般使用改善的“8”字帶纜形式，見(jiàn)圖5。

改善后的“8”字帶纜僅對(duì)纜樁產(chǎn)生1倍纜繩設(shè)計(jì)載荷，這也是OCIMF(石油公司國(guó)際海事論壇)推薦的帶纜形式[2]。

經(jīng)上述說(shuō)明，可以通過(guò)帶纜樁的結(jié)構(gòu)與材料得到帶纜樁的許用彎曲載荷和許用剪切載荷，在獲得纜繩設(shè)計(jì)載荷及帶纜方式信息后，只需根據(jù)纜繩作用點(diǎn)高度選擇需要校核的強(qiáng)度，同時(shí)跟許用載荷進(jìn)行對(duì)比以選出符合強(qiáng)度要求的帶纜樁。下面通過(guò)對(duì)纜繩作用點(diǎn)高度對(duì)比研究，就如何選取進(jìn)行總結(jié)。

1)UR_A2中要求，拖帶和系泊的纜繩，至少應(yīng)當(dāng)考慮作用高度在4/5筒體高度以上，但如果安裝有翼板，則可以將系泊的纜繩作用高度限制在翼板的高度以下。

2)ISO、JIS等標(biāo)準(zhǔn)考慮套環(huán)、單繩“8”字帶纜的纜繩的作用點(diǎn)高度在4/5筒體高度處，而雙繩“8”字帶纜的作用點(diǎn)在筒體根部，這也是為了避免校核雙繩“8”字帶纜這種極端情況下的彎曲應(yīng)力，因?yàn)檫@將大大增加纜樁所需的最低強(qiáng)度。

6 帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)及使用方法介紹

目前常見(jiàn)的帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)有DIN 82607—1995，ISO 13795—2012，JIS F2001—1995[3-5]。但上述標(biāo)準(zhǔn)只有ISO 13795—2012進(jìn)行過(guò)更新，選擇面小，無(wú)法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性選擇。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，各類標(biāo)準(zhǔn)存在對(duì)帶纜樁強(qiáng)度要求偏高或拖帶載荷缺失的問(wèn)題[6]，若船廠完全根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型，不僅會(huì)因?yàn)檫x取的帶纜樁規(guī)格高于實(shí)際需要而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，也會(huì)使得帶纜甲板空間局促，影響前期的布置以及后期的使用。因此，有必要聯(lián)系帶纜樁使用實(shí)際，結(jié)合選型經(jīng)驗(yàn)，制定自己合適的標(biāo)準(zhǔn)。

帶纜樁的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)包含兩個(gè)核心內(nèi)容：指導(dǎo)制作的結(jié)構(gòu)形式；指導(dǎo)設(shè)計(jì)選型的許用載荷。

6.1 帶纜樁的載荷信息

確定帶纜樁外形后，計(jì)算其許用剪切載荷與許用彎曲載荷。但選型時(shí)，設(shè)計(jì)者入手的信息往往是纜繩破斷力或者港口、拖輪提供纜繩的工作載荷，為方便選型，帶纜樁許用載荷需要轉(zhuǎn)化為纜繩設(shè)計(jì)載荷，這就需要考慮不同的帶纜模型。綜合各國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]以及上述分析，NDS標(biāo)準(zhǔn)考慮工程實(shí)用性，將帶纜樁的帶纜情況歸納為4類，見(jiàn)表1和圖6。

表1 帶纜方式對(duì)比表

上述帶纜方式根據(jù)規(guī)范要求，都需要考慮纜繩作用點(diǎn)至少在4/5纜樁筒體高度以上，所以應(yīng)當(dāng)校核帶纜樁的抗彎曲能力。纜繩以套環(huán)方式或推薦的“8”字帶纜系固時(shí)，纜繩上的力與作用在纜樁上的力大小相等，故纜繩設(shè)計(jì)載荷即為許用彎曲載荷PB，而常規(guī)單繩“8”字帶纜時(shí)，纜繩上的力為作用在纜樁上的力的2倍，因此可以承受的纜繩設(shè)計(jì)載荷為許用載荷的1/2。所以制定的標(biāo)準(zhǔn)中需要反映以下信息。

PB=2×Designload(常規(guī)“8”字帶纜)=

Designload(套環(huán))=Designload(推薦“8”字帶纜)

雙繩“8”字帶纜，因?yàn)橄倒逃趲Ю|樁根部，根據(jù)上文分析，應(yīng)以許用剪切載荷為準(zhǔn)。此時(shí)纜繩上的力為作用在帶纜樁上的力的4倍，所以設(shè)計(jì)載荷為許用剪切載荷的1/4，即

PS=4×Designload(雙繩常規(guī)“8”字帶纜)

6.2 帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)使用注意點(diǎn)

在設(shè)定帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，建議給出不同帶纜情況下的許用纜繩設(shè)計(jì)載荷。但是在實(shí)際操作中，推薦以Designload(套環(huán))或Designload(推薦“8”字帶纜)為準(zhǔn)進(jìn)行選型，原因如下。

1)常規(guī)“8”字帶纜形式對(duì)帶纜樁產(chǎn)生的作用力為2倍纜繩設(shè)計(jì)載荷，不推薦使用，在帶纜布置圖紙中需要明確標(biāo)示，并且纜樁上也制作了相應(yīng)銘牌以防止船員誤操作，見(jiàn)圖7。

2)雙繩“8”字帶纜情況極端，很少使用，通常不予考慮。

6.3 帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)性考慮

由于DIN標(biāo)準(zhǔn)中最大外徑為320 mm，當(dāng)前船舶很少使用320 mm以下規(guī)格帶纜樁，現(xiàn)將ISO、JIS及我司新制定的標(biāo)準(zhǔn)(NDS)中常用的名義型號(hào)500的帶纜樁信息列出如下，方便比較。

由表2可見(jiàn)，同型號(hào)的帶纜樁，ISO、NDS比JIS重量輕，尺寸??；同重量的帶纜樁，NDS比ISO所承受的載荷稍大。

表2 帶纜樁標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

7 結(jié)論

帶纜樁的選型涉及纜樁強(qiáng)度計(jì)算、帶纜方式和纜繩設(shè)計(jì)載荷的確定等，其核心是強(qiáng)度和載荷的比較，因?yàn)閹Ю|系統(tǒng)的多樣性間接導(dǎo)致了選型的復(fù)雜。制定標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中應(yīng)盡可能地覆蓋這種多樣性，并且將結(jié)果詳盡地制作成表格提供給設(shè)計(jì)者，以免設(shè)計(jì)者重復(fù)進(jìn)行類似的計(jì)算工作。

根據(jù)推薦方法進(jìn)行帶纜樁選型，可以確保帶纜樁強(qiáng)度符合要求，而強(qiáng)度校核是選型最基礎(chǔ)也最重要的一步，帶纜樁作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品，強(qiáng)度與其尺寸一一對(duì)應(yīng)，往往無(wú)法滿足實(shí)船的全部需求?？紤]經(jīng)濟(jì)性，選擇半徑小的帶纜樁，可能導(dǎo)致彎曲半徑不滿足纜繩要求[6]；另外，標(biāo)準(zhǔn)的底座也可能因在卷筒上方出繩而不夠高。諸如此類問(wèn)題，都需要設(shè)計(jì)者在作業(yè)過(guò)程中細(xì)心考慮，方能妥善完成帶纜樁的選型工作。

[1] IACS UR A2, Shipboard fittings and supporting hull structures associated with towing and mooring on conventional ships[S].2016.

[2] Ships and marine technology-ship’s mooring and towing fittings-welded steel bollards for sea-going vessels：ISO 13795—2012[S].ISO,2012.

[3] DIN 82607—1995，Bollard [S].DIN,1995.

[4] JIS F規(guī)格集(船體)：JIS F2001—1995，Bollard [S].財(cái)團(tuán)法人 日本船舶標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，2001.

[5] 倪偉平,江曉玲.船舶系泊屬具標(biāo)準(zhǔn)梳理分析[J].船舶設(shè)計(jì)通訊,2014(2)：82-86.

[6] 李江波,沈正湘,韓樹(shù)剛,等.船舶高負(fù)荷帶纜樁設(shè)計(jì)方法[J].船海工程,2015(2)：47-50.