IACS統(tǒng)一要求對(duì)超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

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

近年來(lái)，集裝箱船的大型化趨勢(shì)日益明顯[1]。超厚板和超高強(qiáng)度鋼板的廣泛應(yīng)用使得超大型集裝船的剛度問(wèn)題日益凸顯，2007年MSC的“Napoli”號(hào)和2013年MOL的“Comfort”號(hào)[2-3]兩次海損事故使業(yè)內(nèi)人士重新審視集裝箱船的總強(qiáng)度問(wèn)題，尤其是后者的事故，船體斷為兩截，無(wú)法自航，最終沉沒(méi)。為了有效防止此類事故的再次發(fā)生，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)相繼頒布了針對(duì)集裝箱船超高強(qiáng)度厚板的URS33要求[4]、針對(duì)集裝箱船總強(qiáng)度問(wèn)題的URS11A[5]要求及針對(duì)集裝箱船有限元分析的URS34要求[6]。前者于2014年1月1日生效，后兩者于2016年7月1日生效。這些統(tǒng)一要求已逐步被各船級(jí)社吸收入各自的規(guī)范并加以執(zhí)行。

本文將結(jié)合MARIC設(shè)計(jì)的兩型20 000 TEU級(jí)超大型集裝箱船討論新要求對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，其中20 000 TEU滿足了URS33的要求，21 000 TEU盡管根據(jù)合同簽訂時(shí)間不需要滿足URS11A和URS34，但船東額外提出，要求該船滿足新要求，因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中21 000 TEU同時(shí)滿足了URS11和URS11A及URS34，這為本文進(jìn)行IACS要求的比較提供了較好的平臺(tái)。兩型船舶的主尺度見(jiàn)表1。

表1 兩型船舶主要參數(shù) m

1 URS33的影響

URS33統(tǒng)一要求主要是對(duì)集裝箱船上使用超厚高強(qiáng)度鋼做了規(guī)定，提出了止裂設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在是否需要止裂鋼，而唯一的條件取決于艙口圍板側(cè)板結(jié)構(gòu)。根據(jù)URS33要求，只有當(dāng)艙口圍側(cè)板使用厚度超過(guò)85EH40或50EH47的板材時(shí)，才需要對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)使用止裂鋼。如果艙口圍結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到使用止裂鋼的要求，船上其余位置，即使使用了厚度超過(guò)85EH40或50EH47的板材也不需要考慮使用止裂鋼。

20 000 TEU集裝箱船在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于型深相對(duì)較矮，剖面模數(shù)較難滿足，因此在艙口圍區(qū)域采用了80EH47的高強(qiáng)度鋼材，根據(jù)URS33要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的止裂設(shè)計(jì)。在實(shí)際止裂設(shè)計(jì)過(guò)程中有A和B兩種選項(xiàng)，相較于選項(xiàng)A，選項(xiàng)B對(duì)于焊接和探傷有更高的要求，從設(shè)計(jì)及建造的角度，目前國(guó)內(nèi)的船廠較傾向于選項(xiàng)A的方案。根據(jù)選項(xiàng)A的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要在主甲板和縱向艙口圍側(cè)板使用止裂鋼，見(jiàn)圖1，同時(shí)要求縱向艙口圍板的分段縫與主船體的分段縫在縱向范圍至少錯(cuò)開(kāi)300 mm，見(jiàn)圖2。

20 000 TEU還首次使用了國(guó)產(chǎn)止裂鋼[7]。

2 URS11A的影響

URS11A要求的推出取代了已長(zhǎng)期使用的URS11要求，關(guān)于新老要求的差別已有不少研究[8]，這里不再贅述?？紤]以21 000 TEU作為實(shí)例，在評(píng)估范圍(0.2L～0.75L)內(nèi)沿船長(zhǎng)取30個(gè)橫剖面進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)與URS11的對(duì)比，從船體梁總縱強(qiáng)度、船體梁剛度、剪切強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度要求等方面分析URS11A對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及船體重量的影響。

2.1 船體梁強(qiáng)度

船體梁強(qiáng)度涵蓋了船體梁彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及船體梁剛度等方面，URS11A對(duì)船體梁強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在引入了凈厚度的概念，修改了評(píng)估船體總縱屈服強(qiáng)度、船體梁剛度的衡準(zhǔn)。

在URS11A中IACS重新定義了波浪載荷的公式，21 000 TEU波浪彎矩和剪力的分布見(jiàn)圖3，其中虛線表示的是URS11A的載荷，而實(shí)線表示的是URS11的載荷。

就彎矩分布圖而言，由于集裝箱船的縱向構(gòu)件尺寸一般由中拱狀態(tài)決定，新老要求差距較小，同時(shí)由于在校核船體梁彎曲強(qiáng)度時(shí)，衡準(zhǔn)由原先的175/k(k為材料系數(shù))提高到了約189/k，這也抵消了部分彎矩增加及采用凈厚度校核所帶來(lái)的不利影響，彎矩變化對(duì)構(gòu)件尺寸影響較小。以艙口圍頂板和船底板為例進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，就船底板而言，對(duì)超大型集裝箱船，原本余量比較大，基于URS11A仍能滿足要求，而對(duì)于艙口圍頂板，在0.25L附近總縱彎曲應(yīng)力無(wú)法滿足要求，這主要是由于URS11A中拱彎矩增加造成的，但應(yīng)力超過(guò)許用值并不多，只需對(duì)艙口圍、主甲板、外板等縱向構(gòu)件略做加強(qiáng)，就可以滿足要求。

對(duì)波浪剪力而言，可以發(fā)現(xiàn)在艏艉處，新老要求的差距比較大，個(gè)別位置的值甚至增加了1倍，圖5是0.2L-0.1 m及0.75L+0.1 m處橫剖面的計(jì)算結(jié)果。雖然URS11A將剪應(yīng)力衡準(zhǔn)由110/k提高到了約120/k，但如果施加URS11A的波浪剪力，外板仍需要在URS11要求的基礎(chǔ)上增加1～4 mm的板厚。

對(duì)于集裝箱船而言，舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)的外板和內(nèi)縱艙壁上的剪應(yīng)力往往比較大，通過(guò)計(jì)算這2個(gè)構(gòu)件的最大剪應(yīng)力來(lái)分析URS11A的影響，見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，內(nèi)縱壁和外板在評(píng)估范圍的艏艉段都無(wú)法滿足URS11A的要求，主要原因還在于波浪剪力較URS11有較大幅度的增加。通過(guò)下文的重量統(tǒng)計(jì)也可以發(fā)現(xiàn)，由于剪切強(qiáng)度不足引起的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)所占比重最大。

URS11A除了規(guī)定了船體梁的彎曲強(qiáng)度外，還對(duì)船體梁的剛度做了要求，原先的URS11只在船中處有剛度要求，而URS11A則在整個(gè)評(píng)估范圍內(nèi)做了要求。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在船體梁剛度上，URS11A并未對(duì)21 000 TEU級(jí)別的集裝箱船產(chǎn)生影響。

2.2 屈曲強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)評(píng)估范圍內(nèi)30個(gè)橫剖面的計(jì)算,全面分析了板格及縱骨的屈曲強(qiáng)度，鑒于篇幅原因，只對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)構(gòu)件的具體計(jì)算結(jié)果不一一列舉。

1)對(duì)于板格屈曲而言，不滿足URS11A要求的位置主要集中在內(nèi)殼縱艙壁上。以往在集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，內(nèi)殼縱艙壁的板厚主要由船體梁剪力或局部強(qiáng)度來(lái)決定，而在URS11A要求下內(nèi)縱壁產(chǎn)生較嚴(yán)重屈曲問(wèn)題，這不僅是因?yàn)镮ACS修改了屈曲計(jì)算的公式，如果我們統(tǒng)計(jì)每個(gè)計(jì)算剖面內(nèi)殼縱壁上不滿足屈曲要求的板所占的百分比(圖8中的實(shí)線，其中去掉了縱艙壁上用以提高剖面模數(shù)的厚度大于20 mm的板)，發(fā)現(xiàn)艏艉段屈曲問(wèn)題較嚴(yán)重。再把波浪剪力附到這張圖上(考慮剪力的絕對(duì)值)，發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明船體梁剪力的增加也是造成屈曲問(wèn)題的重要原因。

2)對(duì)于縱骨屈曲而言，不滿足URS11A要求的位置主要集中在二甲板上縱向抗扭箱內(nèi)外板和內(nèi)殼縱艙壁上的縱骨，以往這些構(gòu)件由于位于空艙內(nèi)，無(wú)需考慮液艙的局部載荷，同時(shí)由于離水線較遠(yuǎn)，舷外水壓力的載荷也比較小，因此，往往結(jié)構(gòu)尺寸的要求也比較小。而在URS11A生效后，屈曲強(qiáng)度成為決定這些構(gòu)件尺寸的主要因素，通過(guò)21 000 TEU的計(jì)算，相較URS11，這些構(gòu)件幾乎在整個(gè)評(píng)估范圍內(nèi)都需要加強(qiáng)。

2.3 重量影響

為了滿足URS11A的要求對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，表2為各分項(xiàng)重量的占比。由表2可見(jiàn)，船體梁剪切強(qiáng)度引起的重量增加占到了一半以上，而前文也提到板格屈曲的原因也是由于剪力的增加，這兩者相加占到了75%左右，因此波浪剪力的增加是造成結(jié)構(gòu)重量增加的主因，對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響較大。

表2 各項(xiàng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)重量占比 %

3 URS34的影響

URS34是關(guān)于采用有限元方法進(jìn)行集裝箱船強(qiáng)度評(píng)估時(shí)的要求，其中對(duì)艙段有限元的載荷工況做了最低要求。以21 000 TEU為例分析URS34與主要船級(jí)社規(guī)范[9-10]在進(jìn)行艙段有限元分析時(shí)工況的異同。規(guī)范近似工況比較見(jiàn)表3。

表3 URS34與某船級(jí)社規(guī)范艙段有限元工況對(duì)比

注：表中的集裝箱裝載因子數(shù)值越大箱重越重。

在表3中，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于40 ft重載不是構(gòu)件尺寸的決定工況，因此不做討論。而20 ft重載與40 ft輕載，參數(shù)幾乎相同，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看差別不大。而對(duì)于隔艙裝載，URS34與船級(jí)社規(guī)范相比，僅是艙內(nèi)集裝箱略輕一些，由于隔艙裝載在計(jì)算時(shí)船體梁是中拱狀態(tài)，集裝箱可以抵消一部分船體梁變形，因此箱子重一些較有利，從結(jié)果也可以看出URS34要求更高，該工況是造成結(jié)果差異的主要原因。

采用URS34的計(jì)算工況后，屈服應(yīng)力超過(guò)衡準(zhǔn)的位置全部集中在底縱桁靠近水密艙壁位置處，而屈曲不滿足衡準(zhǔn)的位置集中在內(nèi)底板、外底板和內(nèi)殼縱艙壁個(gè)別板格上，見(jiàn)圖9、10。

對(duì)于屈服不滿足要求的底縱桁采取加厚嵌入板的方式解決，對(duì)于屈曲不滿足要求的板格首先考慮增加屈曲筋，而后考慮增加板厚。通過(guò)最后的統(tǒng)計(jì)，為了滿足URS34要求，所產(chǎn)生的重量增加相較原艙段的重量幾乎可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

1)對(duì)于URS33要求，主要影響在艙口圍板側(cè)板采用85EH40或50EH47及以上厚度的鋼材時(shí)，需考慮采用止裂鋼，同時(shí)采取相應(yīng)的止裂設(shè)計(jì)。

2)對(duì)于URS11A要求，在實(shí)船設(shè)計(jì)過(guò)程中，波浪彎矩的變化并未對(duì)結(jié)構(gòu)造成太多的影響，彎曲應(yīng)力衡準(zhǔn)的提高基本可以抵消凈厚度和波浪彎矩增加帶來(lái)的不利影響。而波浪剪力的變化對(duì)船體結(jié)構(gòu)尺寸影響較大，不僅造成了部分結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力無(wú)法滿足要求，同時(shí)也是造成板格屈曲的主因。

3)通過(guò)21 000 TEU的驗(yàn)證性計(jì)算，為了滿足URS11A要求，需要增加額外重量。作為主要誘因，由于波浪剪力的大幅增加，個(gè)別板格增加的厚度較大，需要引起重視。

4)對(duì)于艙段有限元，現(xiàn)有船級(jí)社規(guī)范所要求的計(jì)算工況基本涵蓋了URS34的要求，URS34所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)重量較小。

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[9] Rules for Classification and Construction Ship Technology[S].DNVGL,2015.

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