超大型集裝箱船綁扎橋選型及設(shè)計探討

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(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

由于甲板上堆放的集裝箱層數(shù)一般不超過7層，中小型集裝箱船(主要是4 000 TEU及以下)的綁扎橋設(shè)計選型，綁扎橋多采用1層箱高綁扎橋。萬箱級的集裝箱船，由于甲板上堆放的集裝箱層數(shù)一般為9層，綁扎橋多采用2層箱高綁扎橋。對于20 000 TEU左右的超大型箱船，甲板上堆放的集裝箱層數(shù)一般為11層，甚至12層，綁扎橋基本采用3層箱高綁扎橋。已經(jīng)在韓國交付的20 000 TEU級集裝箱船上，甚至已采用4層箱高綁扎橋。近幾年來，為了最大程度利用甲板上的裝載能力，提高最大堆重或者改善堆重分布，中小型集裝箱船的綁扎橋也有2層高綁扎橋方案，萬箱級的集裝箱船采用3層箱高綁扎橋。

關(guān)于綁扎橋綁扎力計算，各船級社要求不同，考慮到大型集裝箱船入級DNVGL較多，因此，結(jié)合DNVGL 2016年版規(guī)范[1-2]展開討論。

目標(biāo)船型為中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院研發(fā)設(shè)計的20 000 TEU集裝箱船。該船雙島布置，全船共94 BAY，艙內(nèi)可裝載8 475 TEU，露天甲板名義裝載不少于11 644個 TEU。由于貨艙中間區(qū)域為典型位置，故選取中間貨艙42 BAY、40 ft進(jìn)行研究計算，包括綁扎橋強度計算等。

1 綁扎橋平臺層數(shù)

對于超大型集裝箱船綁扎橋，由于甲板/艙蓋堆箱層數(shù)多為11層，綁扎橋趨勢為3層箱高綁扎橋[3]。采用DNVGL綁扎計算軟件，對比1～4層箱高綁扎橋?qū)τ诩装遄畲蠖阎氐挠绊憽Ｆ渲?，超大型箱船的航區(qū)選取了目前主流的亞歐航線，綁扎方式采用目前流行的外綁形式，見表1。

表1 不同層高綁扎橋最大堆重

由表1可見，1層箱高綁扎橋及2層箱高綁扎橋，如果選擇外綁形式，最外側(cè)集裝箱由于受風(fēng)載影響，不能達(dá)到堆放11層數(shù)的要求。只有綁扎橋平臺高度有3層，才能夠滿足最大堆放層數(shù)。對于最大堆重，3層箱高綁扎橋與4層箱高綁扎橋相差17 t。就堆放層數(shù)而言，3層箱高綁扎橋和4層箱高綁扎橋均可以達(dá)到12層甲板集裝箱堆放層數(shù)，但是需要考慮最外側(cè)風(fēng)載荷對于集裝箱的影響。因此，對于超大型集裝箱船，綁扎橋選擇3層箱高及以上，才能滿足堆放層數(shù)使用需求。

2 綁扎形式

綁扎形式分為內(nèi)綁和外綁。內(nèi)綁形式主要用于中小型集裝箱船應(yīng)用，外綁主要用于大型集裝箱船，在有些中小型新建船舶上也在嘗試著用外綁形式。內(nèi)綁及外綁的綁扎形式見圖1[2]。

根據(jù)綁扎計算分析，內(nèi)綁形式會導(dǎo)致集裝箱箱腳底部壓力增加，超出最大許用要求，而綁扎桿本身受力并沒有達(dá)到極限，一般僅達(dá)到50%左右。在2012年出現(xiàn)了外綁形式。采用外綁，可以很大程度上緩解集裝箱箱腳底部壓力，從而增大最大堆重極限，但是，隨著最近幾年逐步深入研究，集裝箱扭索的間隙問題制約了最大堆重的工況。外綁的最大堆重與內(nèi)綁的最大堆重差距也沒有最開始流行外綁時那么大，尤其是外綁綁扎桿2層分布的情況，第1層綁扎桿受力較小，第2層綁扎桿受力較大，故對整個綁扎橋的強度不利。當(dāng)然，外綁綁扎桿均設(shè)置在同一層，綁扎桿受力和堆重都會改善，但是綁扎桿相互沖突比較嚴(yán)重，初期的綁扎實驗壓力較大，后期綁扎橋眼板的修改量也會增加。同時，碼頭工人在操作時，需要按照一定的順序進(jìn)行拆卸和綁扎操作，增大了碼頭工人的工作量。

內(nèi)綁與外綁形式的主要優(yōu)缺點對比見表2。

表2 內(nèi)綁與外綁形式對比

3 綁扎橋結(jié)構(gòu)形式

3.1 傳統(tǒng)方管剪力墻形式綁扎橋

此形式為最原始的綁扎橋結(jié)構(gòu)形式，較適用于1層綁扎橋。結(jié)構(gòu)設(shè)計形式簡單，占用船舶空間位置較小，除方管位置和剪力墻位置外，其余位置均可以與艙口蓋及其附件共用，對于橫艙壁寬度要求較低。重量雖然較重，但是由于綁扎橋數(shù)量少，綁扎平臺不多，設(shè)計簡單，受力情況好，綁扎橋總體重量增加不大。因此在中小型船舶上，使用很廣泛。傳統(tǒng)方管形式綁扎橋見圖2。

3.2 A架形式綁扎橋

對于萬箱級別集裝箱船，綁扎橋平臺高度基本為2層或者3層，船寬比較寬，綁扎橋的數(shù)量較多。在滿足強度要求的情況下，對于綁扎橋減重要求也越來越高，因此出現(xiàn)了將剪力墻取消，由方管代替，并且每兩個箱位設(shè)置一根方管等措施。與傳統(tǒng)方管剪力墻形式綁扎橋相比，重量可以減少10%左右。但是由于方管代替剪力墻后，方管幾乎占據(jù)了整個綁扎橋的寬度方向位置，艙口蓋及附件必須要在綁扎橋整個區(qū)域范圍之外，之前的共用空間消失，會導(dǎo)致橫艙壁寬度增加，從而增加船長和船舶重量。因此，近期設(shè)計的集裝箱船較少選用此形式。A架形式綁扎橋見圖3。

3.3 改進(jìn)方管剪力墻形式綁扎橋

對于超大型集裝箱船(20 000 TEU級)，綁扎橋平臺層數(shù)增加到3層，個別箱船甚至在考慮增加到4層。改進(jìn)方管剪力墻形式綁扎橋，主要是結(jié)合A架綁扎橋和傳統(tǒng)方管剪力墻形式理念，適當(dāng)?shù)臏p輕綁扎橋重量，同時綁扎橋占用空間也比較小。此形式綁扎橋重量方面減輕約5.5%，結(jié)構(gòu)形式見圖4。

3.4 板式綁扎橋

板式綁扎橋是用板及型材設(shè)計的綁扎橋，方管由工字梁替代，工字梁和剪力墻及平臺形成了一個整體構(gòu)件。由于工字梁的重量較方管重量輕，板格化設(shè)計也可以適當(dāng)?shù)販p輕板厚，優(yōu)化受力。此形式綁扎橋重量減輕約10%左右，結(jié)構(gòu)形式見圖5。

3.5 綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計趨勢

板式結(jié)構(gòu)綁扎橋占用空間與傳統(tǒng)方管剪力墻形式綁扎橋相同，但在重量上更輕，因此更加適合超大型箱船對于重量及空間的要求。

另外，綁扎橋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計需要與艙口圍結(jié)構(gòu)設(shè)計有機地結(jié)合在一起，既可以控制綁扎橋的重量，又可以控制艙口圍處對于綁扎橋的加強重量，從而達(dá)到真正減輕重量的目的。

4 規(guī)范規(guī)則要求

綁扎橋平臺高度，綁扎形式及結(jié)構(gòu)形式確定后，需要進(jìn)行滿足船級社要求的規(guī)范及強度校核。

4.1 CSS CODE

對于2016年1月1日敷設(shè)龍骨的船舶，CSS CODE[4]是必須滿足的要求。其主要針對碼頭工人安全操作進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，包括綁扎空間的要求，通道空間的要求，綁扎橋舾裝件的要求等。由于這個規(guī)范已經(jīng)實施了一段時間，有很多相關(guān)論文對此規(guī)范進(jìn)行了分析[5-7]，這里不贅述。

4.2 強度計算

以20 000 TEU集裝箱船的典型綁扎橋為例，采用有限元軟件MSC/PATRAN建模、 MSC/NASTRAN計算[8]，進(jìn)行綁扎橋強度的計算分析。

4.2.1 有限元模型

有限元模型包括綁扎橋主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如立柱、剪力墻、連接肘板等，而綁扎眼板、立柱導(dǎo)向貼板等不影響總體強度的綁扎附件未作考慮。綁扎橋主體結(jié)構(gòu)中，第2、第3、第4和第5層綁扎橋平臺及平臺下的橫向和縱向加強肘板，采用板單元模擬；第一層平臺由于采用格柵形式，不影響總體強度，故未體現(xiàn)在模型中，平臺支撐角鋼采用板單元模擬；橫向支撐結(jié)構(gòu)中，綁扎橋立柱、剪力墻及其加強筋采用板單元模擬。板單元基本大小約為100 mm×100 mm，綁扎橋有限元模型見圖6。

模型的總體坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，“橫向”指船寬方向，“縱向”指船長方向，“垂向”指型深方向。

4.2.2 邊界條件

在綁扎橋與艙口圍板、立柱連接處限制結(jié)構(gòu)單元的線位移和轉(zhuǎn)角，見圖7。

4.2.3 加載方式

DNVGL新版規(guī)范[1]對綁扎橋強度校核的建議包括以下3種工況。

1)工況1：僅綁扎橋靠艏側(cè)綁扎眼板受力。

2)工況2：僅綁扎橋靠艉側(cè)綁扎眼板受力。

3)工況3：兩側(cè)綁扎眼板均受力。

DNVGL新版規(guī)范已提出，在校核綁扎橋強度時，應(yīng)按集裝箱系固手冊中可能出現(xiàn)最大綁扎力的工況進(jìn)行加載，如果綁扎橋的設(shè)計階段初步的系固手冊不能提供，應(yīng)根據(jù)出現(xiàn)最大堆重的工況來計算綁扎力。該規(guī)范的實施時間是在20 000 TEU入級事宜簽署之后，且20 000 TEU的相關(guān)設(shè)計采用的是GL老版規(guī)范[9]，故計算分析的綁扎力仍按照原GL規(guī)范相關(guān)要求選取，即綁扎力為140 kN?；?40 kN設(shè)計的綁扎橋，如果在后期校核時出現(xiàn)局部應(yīng)力較大的情況，只需對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整加強即可。綜上所述，計算載荷采取140 kN，綁扎桿角度約為45°，且選取了應(yīng)力水平較高的工況3[10]。

4.2.4 計算結(jié)果

以上工況下計算所得最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大合成應(yīng)力與相應(yīng)許用應(yīng)力的比較見表3，其中綁扎橋結(jié)構(gòu)為AH36鋼。限于篇幅，僅列出綁扎橋合成應(yīng)力分布云圖，見圖8?？梢?，綁扎橋的結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

表3 強度計算結(jié)果 MPa

5 綁扎橋經(jīng)濟(jì)性

隨著甲板上集裝箱堆放層數(shù)越來越高，集裝箱綁扎點也越來越高，因此綁扎橋的高度也越來越高。綁扎橋越高，顯而易見綁扎橋的重量上升也很快。一般而言，2層箱高綁扎橋重量較1層箱高綁扎橋重量至少增加35%，3層箱高綁扎橋較2層箱高綁扎橋增重至少35%以上。用綁扎橋的重量大幅度增加換來的最大堆重增加和綁扎層數(shù)增加，性價比是否高，需要認(rèn)真分析對比。

選用20 000 TEU集裝箱船為研究對象，對綁扎橋重量、最大堆重和堆放層數(shù)進(jìn)行對比，其中綁扎形式采用外綁。具體見表4。

表4 不同層數(shù)綁扎橋?qū)Ρ?/p>

從表4可以看出，雖然4層箱高綁扎橋的最大堆重比3層箱高提高了17 t，但4層箱高綁扎橋比3層箱高綁扎橋重約34 t，全船綁扎橋重量增加了約918 t。因此，綁扎橋高度的選擇需從多方面考慮，除了最大堆重、堆放層數(shù)要求之外，還有空船重量的考核指標(biāo)以及船東的意愿需求等。

6 結(jié)論

1)綁扎橋從最初選型到最后設(shè)計方案的確定，需要根據(jù)最大堆重及甲板集裝箱堆放層數(shù)的設(shè)計輸入要求，針對典型裝載工況，從綁扎計算分析入手，依靠計算支撐，選擇合適的綁扎橋?qū)訑?shù)及綁扎方式。

2)選取合適的綁扎橋結(jié)構(gòu)形式，能夠優(yōu)化綁扎橋結(jié)構(gòu)重量和綁扎橋的占用空間，方便維護(hù)。

3)基于既滿足規(guī)范規(guī)則的要求又能減輕結(jié)構(gòu)重量的理念設(shè)計出的綁扎橋，才是最合理、最經(jīng)濟(jì)、最實用的。

[1] DNVGL. Rules for classification: container ships[S]. Norway:DNVGL,2016.

[2] DNVGL. Class guideline: container securing[S].Norway:DNVGL,2016.

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[4] IM0.MSC.1/Circular.1352-Amendments to the code of safe practice for cargo stowage andsecuring(CSS code)[S]. IM0,2010.

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[7] 鄧愷,張代龍,龍潺.CSS規(guī)則修正案解讀及其對集裝箱船設(shè)計的影響[J].船舶與海洋工程,2014(2):53-57.

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