特定航線江海直達商品車滾裝船結(jié)構(gòu)強度 技術(shù)標準分析

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(中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

江海直達運輸作為一種便捷高效、綠色經(jīng)濟的運輸方式而廣受歡迎。鐵礦石、煤炭、集裝箱、油化品和商品車共同構(gòu)成了江海直達運輸五大產(chǎn)品體系[1]。2016年4月，國務院批復設立“舟山江海聯(lián)運服務中心”，CCS武漢所為支持洋山和舟山為“龍眼”的集裝箱和鐵礦砂江海聯(lián)運服務中心的建設，針對特定航線研發(fā)制定了適用于散貨船和集裝箱船的《特定航線江海直達船舶建造規(guī)范》(以下簡稱《特規(guī)》)。2017年4月，交通部發(fā)布了“關于推進特定航線江海直達運輸發(fā)展的意見”，明確在特定航線相關技術(shù)標準中增加商品車滾裝船的技術(shù)要求。

本文遵循特定航線江海直達船舶技術(shù)標準的制定理念和研發(fā)體系，通過梳理滾裝船型的結(jié)構(gòu)特點以及車輛負荷的作用形式，分析商品車滾裝船特有的結(jié)構(gòu)問題，提出規(guī)范解決方案，重點闡述特定航線江海直達商品車滾裝船結(jié)構(gòu)強度技術(shù)標準制定過程中的基本思想和關鍵問題。

1 船型特征

1.1 商品車滾裝船結(jié)構(gòu)特點

商品車滾裝船為一類專門用于運輸車輛的船舶，從載運車型的不同，一般分為PCC和PCTC兩種。PCC僅用于運輸轎車，越野車和商務車等，通常車型和車重較小，單軸負荷不會超過20 kN；PCTC還可運輸大客車，重卡和集裝箱等，通常車型和車重較大，單軸負荷或可達百余kN。商品車滾裝船因其載運貨物的特殊性，其結(jié)構(gòu)特點也有特殊性[2]。

1)為了便于車輛的裝卸，車輛艙多為水平分隔，多數(shù)不設或少設橫艙壁。

2)內(nèi)河商品車滾裝船在干舷甲板以上多采用開敞式車輛艙，海上車輛運輸船多采用封閉式車輛艙。

3)滾裝船貨艙容積比相同載重量的干貨船大。為了降低重心，車輛艙結(jié)構(gòu)尺寸被盡量壓縮。

4)舷側(cè)外板的開口設計導致舷側(cè)外板傳遞剪力的能力減弱。

5)車輛多采用開上開下的裝卸貨方式，故商品車滾裝船貨艙內(nèi)通常設有車輛坡道。

1.2 商品車滾裝船承載特征

1)甲板結(jié)構(gòu)的局部載荷主要為車輛負荷。PCC車輛甲板承受的車輛負荷為2～3 kN/m2，甲板自重負荷約為1～2 kN/m2，車輛甲板貨物負荷與結(jié)構(gòu)自重在同一量級，故結(jié)構(gòu)自重負荷在甲板結(jié)構(gòu)強度計算時不能被忽略。

2)PCC主要載運小型車輛，軸間距在2～3 m之間，輪間距在1.5～2.0 m之間，車輛甲板主要支撐構(gòu)件的跨距一般在7～10 m。當主要支撐構(gòu)件一個跨距內(nèi)承受4個及以上集中載荷的作用時，可以轉(zhuǎn)化為均布載荷對待。所以，PCC車輛甲板主要支撐構(gòu)件按照均布車輛壓力校核結(jié)構(gòu)強度，其中均布車載由甲板載重量與載貨面積決定。

3)車輛甲板次要構(gòu)件的跨距一般在2～3 m，根據(jù)車輛輪間距與構(gòu)件跨距的相對關系，在進行車輛甲板次要構(gòu)件強度校核時，可將輪負荷轉(zhuǎn)化為集中力作用在車輛甲板次要構(gòu)件上。

4)干舷甲板和強力甲板之間的舷側(cè)結(jié)構(gòu)不承受波浪動壓力的作用，僅承受上浪載荷的作用，同時參與總縱強度。

5)由于貨物裝載位置較高，船舶在發(fā)生橫搖時，這些貨物會引起較大的橫向慣性力。而貨艙區(qū)域不設橫艙壁，這些橫向力只能通過舷側(cè)強肋骨向下傳遞，當強肋骨受到橫向力作用而發(fā)生變形時，強橫梁為強肋骨提供轉(zhuǎn)動約束從而一起發(fā)生變形。

6)商品車滾裝船方形系數(shù)較小，載貨面積大，在各種裝載狀態(tài)下，靜水彎矩一般為中拱狀態(tài)。

1.3 商品車滾裝船結(jié)構(gòu)強度技術(shù)標準要點

基于特定航線技術(shù)標準研發(fā)的體系和理念，在制定特定航線江海直達商品車滾裝船結(jié)構(gòu)強度技術(shù)標準時，需重點考慮下技術(shù)問題。

1)車輛甲板技術(shù)標準。

2)舷側(cè)結(jié)構(gòu)技術(shù)標準。

3)車輛艙有限元計算方法。

4)總縱強度補充要求，貨艙內(nèi)車輛坡道和跳板等特殊結(jié)構(gòu)的技術(shù)標準。

2 技術(shù)要點

2.1 車輛甲板結(jié)構(gòu)

車輛甲板結(jié)構(gòu)主要包括甲板板、甲板強橫梁、甲板縱桁、甲板縱骨。甲板結(jié)構(gòu)技術(shù)標準的制定，主要根據(jù)車輛甲板結(jié)構(gòu)的布置和承載特點，以單軸負荷不超過20 kN的車輛為分析對象，對比國內(nèi)外相關技術(shù)標準，得到特定航線的相關技術(shù)標準。標準制定思路及技術(shù)標準體系見表1。

表1 車輛甲板結(jié)構(gòu)技術(shù)要點

甲板結(jié)構(gòu)技術(shù)標準制定的關鍵問題在于根據(jù)車輛與甲板結(jié)構(gòu)的相對關系，合理確定車輛載荷的作用形式。對于車輛甲板板厚的要求，CCS[3-5]、LR[6]、DNV.GL[7]、BV[8]等技術(shù)標準均采用同一理論基礎，即四周剛性板上與輪印面積相同的區(qū)域作用1個均布載荷，載荷的大小以車軸負荷的形式體現(xiàn)，板厚t控制公式的基本形式為

式中：K為材料系數(shù)；P為軸負荷；C為腐蝕厚度。

對于車輛甲板構(gòu)件，各技術(shù)標準的理論基礎均為梁理論，關鍵點在于車輛負荷的假定原則。對于甲板主要構(gòu)件，DNV.GL和BV規(guī)范中提出將PCC的車輛負荷假定為均布載荷，PCTC假定為集中載荷。同時由于車輛形式和作用位置的復雜性，均采用通過有限元直接計算優(yōu)化設計的控制體系。由于特定航線技術(shù)標準僅針對載運轎車等小型車輛的PCC，因此，具備從理論上分析甲板構(gòu)件的基礎，故采用車載疊加結(jié)構(gòu)自重的均布載荷作用下的單跨梁理論制定規(guī)范標準，以指導初始設計，同時輔以有限元直接計算保證橫向強度，但作為保證最低安全的規(guī)范標準不能被取代。對于甲板次要構(gòu)件，各技術(shù)標準均采用集中軸負荷下的單跨梁理論，故特規(guī)標準制定中沿用這一體系，針對所載運的車型給出規(guī)范標準。

2.2 舷側(cè)結(jié)構(gòu)

干散貨船一般為單甲板船，商品車滾裝船為具有多層連續(xù)甲板的船舶，一般強力甲板以下還有一層連續(xù)的干舷甲板結(jié)構(gòu)，故根據(jù)舷側(cè)結(jié)構(gòu)的承載特點和布置方式，將特定航線江海直達商品車滾裝船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)劃分為3個區(qū)域進行分析。標準制定的基本思路和技術(shù)要求見表2。

舷側(cè)結(jié)構(gòu)技術(shù)標準的制定需要把握兩個關鍵問題：干舷甲板至強力甲板之間舷側(cè)結(jié)構(gòu)的外載形式和參與總縱強度的需求；舷側(cè)構(gòu)件是船體內(nèi)唯一有效傳遞橫向載荷的結(jié)構(gòu)。因干舷甲板至強力甲板之間的舷側(cè)外載主要為上浪載荷，故根據(jù)上浪位置將舷側(cè)結(jié)構(gòu)分為艏樓，橋樓艉樓分別制定技術(shù)標準，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計；同時必須對這一區(qū)域舷側(cè)的開孔加以限制，以保證其參與總縱強度的有效性[9]，從而控制船舶的總強度；另外，因舷側(cè)外板被大量開孔，且貨艙內(nèi)缺少橫向支撐結(jié)構(gòu)，僅有舷側(cè)構(gòu)件傳遞載荷，故相較于其他船舶，舷側(cè)主要構(gòu)件及次要構(gòu)件均有額外加強的要求，主要構(gòu)件還需通過有限元直接計算驗證。

2.3 車輛艙結(jié)構(gòu)有限元直接計算要求

特定航線江海直達商品車滾裝船甲板層數(shù)較多，上層建筑豐滿，車輛艙因其功能需要僅設置部分支柱作為甲板強構(gòu)件的支持，舷側(cè)外板大量開口，船舶的局部強度需要進行有限元直接計算校核。商品車滾裝船直接計算的目的在于評估主要構(gòu)件在局部載荷工況下的結(jié)構(gòu)強度，包括強橫梁、甲板縱桁、強肋骨、實肋板、船底縱桁及支柱等結(jié)構(gòu)。通常采用貨艙區(qū)有限元模型進行分析，主要的技術(shù)要點見表3。

表2 舷側(cè)結(jié)構(gòu)技術(shù)要點

表3 直接計算評估技術(shù)要點

通過對一艘1500車舟山—武漢商品車滾裝船貨艙區(qū)域有限元驗算表明，對于商品車滾裝船，橫搖工況一般為其最危險工況；相較于封閉式車輛艙，開敞式車輛艙的設計會削弱船體強度，通常需要采用高強度鋼以達到控制構(gòu)件尺寸的目的。

2.4 其他補充要求

1)總縱強度。針對舷側(cè)大量開孔的設計，補充船體梁剖面模數(shù)計算對開孔的折減原則；當靜水彎矩均為中拱狀態(tài)時，補充計算工作應力時合成中垂彎矩的選取原則。

2)車輛坡道技術(shù)。車輛坡道主要供車輛在船艙內(nèi)的上下裝卸，故可按照車輛甲板的技術(shù)標準，同時補充對車輛坡道角度的限制要求。

3)舷門技術(shù)?；谔囟ê骄€船舶干舷較小以及碼頭建設的實際情況，舷門一般設置在干舷甲板以上。舷門作為舷側(cè)結(jié)構(gòu)的組成部分，應與該區(qū)域的舷側(cè)結(jié)構(gòu)強度相當。同時，舷門如兼做跳板使用，還應滿足跳板的相關強度標準和檢驗維護要求。

3 結(jié)論

1)現(xiàn)有特定航線江海直達技術(shù)標準僅適用于散貨船和集裝箱船，而商品車滾裝船與散貨船和集裝船有著明顯不同的結(jié)構(gòu)型式，且特定航線江海直達商品車滾裝船兼具內(nèi)河滾裝船和海上車輛運輸船的結(jié)構(gòu)特點，載荷基礎為實際航行水域的風浪條件，故本文研究內(nèi)容填補了特定航線江海直達商品車滾裝船的標準空白，相關結(jié)論已納入《特定航線江海直達船舶建造規(guī)范》(2018)。

2)PCC與PCTC兩種滾裝船因載運車型的不

同表現(xiàn)出不同的承載特點，故車輛艙甲板主要支撐構(gòu)件的力學模型簡化原則不同。對于PCC船，甲板主要構(gòu)件的車輛載荷可簡化為均布力，同時疊加甲板結(jié)構(gòu)自重。但此種簡化原則不能涵蓋PCTC船的風險，PCTC的技術(shù)標準應在集中負荷力學模型的基礎上進一步研究。

3)商品車滾裝船為典型的雙甲板結(jié)構(gòu)，即強力甲板以下還有貫通連續(xù)甲板結(jié)構(gòu)，通過分析這一結(jié)構(gòu)型式的承載特點，以分區(qū)的理念分別制定舷側(cè)結(jié)構(gòu)技術(shù)標準，以達到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計，同時限制強力甲板與干舷甲板之間的開口，以保證總縱強度。