超大型集裝箱船剪力墻式綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化探討

孔小兵 張海瑛 張 鼎

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

引 言

當(dāng)前，為減小單箱的運(yùn)輸成本，集裝箱船向超大型化發(fā)展［1］，甲板上堆裝了更多的集裝箱，目前由我院研發(fā)設(shè)計(jì)的20000 標(biāo)準(zhǔn)箱級(jí)別的超大型集裝箱船甲板上集裝箱為11 層， 22000 標(biāo)準(zhǔn)箱級(jí)別的超大型集裝箱船甲板上集裝箱達(dá)到12 層，隨著裝箱層數(shù)增加，堆裝在甲板上的集裝箱受到的風(fēng)、浪、船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力等外載荷更大，有傾覆的危險(xiǎn)，這需要保證其有足夠可靠的綁扎系統(tǒng)。

綁扎橋是集裝箱船貨物綁扎系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，伴隨著超大型集裝箱船甲板堆重和裝箱層數(shù)的增加［2］，綁扎橋?qū)訑?shù)也增加到三層和四層，相對(duì)于一層和兩層綁扎橋而言，三層和四層綁扎橋的結(jié)構(gòu)性能需要更多研究。綁扎橋的設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)性能、穩(wěn)定性等，而基于既滿足規(guī)范規(guī)則的要求又能減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的理念設(shè)計(jì)出的綁扎橋，才是最合理、最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的［3］。

本文以某20000 標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝型船的綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化為目標(biāo)，基于DNV·GL 船級(jí)社規(guī)范對(duì)該綁扎橋進(jìn)行了有限元數(shù)值計(jì)算分析，探究剪力墻布置位置、剪力墻開(kāi)孔形式和大小對(duì)于結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 超大型集裝箱船剪力墻式綁扎橋

綁扎橋是指甲板上的橫向升高平臺(tái)，艙口蓋和甲板上的集裝箱可通過(guò)綁扎索具固定到綁扎橋上。目前，應(yīng)用于超大型集裝箱船的綁扎橋結(jié)構(gòu)形式主要有剪力墻式和桁架結(jié)構(gòu)形式［4］。剪力墻式綁扎橋的主體結(jié)構(gòu)由立柱、剪力墻、平臺(tái)圍板、肘板、欄桿等組成，典型的剪力墻式綁扎橋如圖1 所示，其在強(qiáng)度、剛度方面的表現(xiàn)更好，本文主要對(duì)剪力墻式綁扎橋進(jìn)行研究。

圖1 典型的剪力墻式綁扎橋

1.1 立 柱

立柱一般選取200 mm×200 mm 的方管或者是300 mm× 200 mm 的方管，立柱的布置與集裝箱布置相關(guān)。立柱為綁扎橋受力的主要構(gòu)件，設(shè)置的位置及數(shù)量與綁扎橋的強(qiáng)度及剛度有很大的關(guān)系。

1.2 剪力墻

綁扎橋主要承受船舶的橫向慣性載荷，而其橫向載荷主要由剪力墻承擔(dān)，合理布置剪力墻對(duì)綁扎橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一般而言，剪力墻沿船中對(duì)稱布置，剪力墻布置的數(shù)量根據(jù)甲板集裝箱布置確定。

2 超大型集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中的主要流程如下：

圖2 綁扎橋優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

第一步：根據(jù)集裝箱甲板堆重確定對(duì)綁扎橋進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，主要確定綁扎橋平臺(tái)高度，綁扎眼板布置位置，甲板舾裝件等信息，然后完成綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第二步：建立綁扎橋結(jié)構(gòu)有限元模型，有限元模型所使用的單元類型、網(wǎng)格大小應(yīng)滿足船級(jí)社規(guī)范。

第三步：計(jì)算綁扎眼板上的綁扎力并加載到綁扎橋上，計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

第四步：校核結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度評(píng)估衡準(zhǔn)，如果未滿足規(guī)范要求則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行從新優(yōu)化設(shè)計(jì)，依次循環(huán)直到設(shè)計(jì)完成。

2.2 綁扎橋結(jié)構(gòu)有限元模型及邊界條件

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，采用的方法主要是基于有限元數(shù)值模擬的方法。DNV·GL 船級(jí)社對(duì)于結(jié)構(gòu)有限元模型的范圍、網(wǎng)格類型、尺寸等均有較為明確的規(guī)定，在模型范圍方面，要求包括船體艙口圍以上綁扎橋結(jié)構(gòu)，推薦將甲板以上的箱柱結(jié)構(gòu)包括在模型中；在網(wǎng)格要求方面，模型需要采用板單元建模，一些屈曲筋可以采用梁?jiǎn)卧?，在立柱的每一邊至少有兩個(gè)單元；在邊界條件上，與艙口圍結(jié)構(gòu)連接的立柱和剪力墻采用固支。

2.3 綁扎力計(jì)算、校核工況與校核衡準(zhǔn)

綁扎力的方向應(yīng)與綁扎桿的方向一致，綁扎力加載到綁扎橋的眼板位置，可分解為縱向、橫向以及垂向的分力進(jìn)行加載。DNV·GL 船級(jí)社對(duì)于綁扎橋強(qiáng)度校核的計(jì)算工況有三個(gè)，分別是：

工況一：綁扎橋兩側(cè)綁扎眼板均受力（LC1）；

工況二：綁扎橋僅靠船首側(cè)綁扎眼板受力（LC2）；

工況三：綁扎橋僅靠船尾側(cè)綁扎眼板受力（LC3）。

集裝箱船的大部分綁扎橋中需要同時(shí)考慮這三種工況，但是在機(jī)艙、上層建筑前后端的綁扎橋，以及船首第一個(gè)綁扎橋和船尾最后一個(gè)綁扎橋，由于其位置特點(diǎn)均只有單邊加載的計(jì)算工況。

DNV·GL 船級(jí)社對(duì)于綁扎橋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核需要綜合考慮剪應(yīng)力、主應(yīng)力和合成應(yīng)力，對(duì)綁扎橋的主體結(jié)構(gòu)如立柱和剪力墻不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)，但是在肘板自由邊處和結(jié)構(gòu)不連續(xù)處可以考慮。目前綁扎橋結(jié)構(gòu)使用AH36 高強(qiáng)度鋼，材料彈性模量E=2.06e5 MPa，泊松比0.3，密度為7.85 t/m3，屈服強(qiáng)度355 MPa，因此，綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核衡準(zhǔn)見(jiàn)表1 所示。在結(jié)構(gòu)剛度方面，DNV·GL 船級(jí)社規(guī)范要求綁扎橋第一層平臺(tái)的變形最大為10 mm，第二層平臺(tái)的變形最大為25 mm，第三層平臺(tái)的變形最大為35 mm。

表1 AH36鋼材應(yīng)力校核衡準(zhǔn)

3 剪力墻布置優(yōu)化

3.1 某20000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船綁扎橋剪力墻布置

目標(biāo)船型為某20000 標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝箱船，全長(zhǎng)399.8 m、船寬58.6 m、型深33.5 m，該船甲板上可堆裝23 列、層高最多為11 層的集裝箱。

根據(jù)船舶運(yùn)營(yíng)的尺度和甲板集裝箱的堆重確定該綁扎橋采用3 層剪力墻形式綁扎橋。在初步方案設(shè)計(jì)階段主要是確定綁扎橋的立柱和剪力墻位置，該超大型集裝箱船共有4 個(gè)艙蓋，從左到右分別是5/6/5/5。立柱位置由甲板集裝箱布置決定，關(guān)鍵在于剪力墻的布置。對(duì)于剪力墻的布置數(shù)量，如果剪力墻布置過(guò)少，則立柱框架無(wú)法承受較大的橫向載荷；布置較多，則不能滿足輕量化設(shè)計(jì)的理念。對(duì)于萬(wàn)箱級(jí)以上的超大型集裝箱船一般布置5～6 塊剪力墻，該船定為5 塊剪力墻。對(duì)于剪力墻的布置方式，剪力墻可以均勻布置，如圖3 中每隔3 個(gè)箱位布置一堵剪力墻，也可以集中式布置，如圖4 中兩側(cè)的剪力墻連成一整片。這兩種布置方式在實(shí)際設(shè)計(jì)中均有實(shí)例應(yīng)用，但是兩種布置方式在結(jié)構(gòu)性能尚缺乏相關(guān)的比較，現(xiàn)將分布式剪力墻布置定義為方案一，將集中式剪力墻布置定義為方案二，這兩個(gè)方案在其他方面如：立柱數(shù)量、板厚、平臺(tái)圍板等均完全相同，僅剪力墻布置方式存在差異，下面用有限元數(shù)值計(jì)算的方法比較這兩種方案在結(jié)構(gòu)性能方面存在的差異。

圖3 剪力墻分布式布置（方案一）

圖4 剪力墻集中式布置（方案二）

3.2 綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與對(duì)比

綁扎橋的結(jié)構(gòu)有限元模型包括立柱、剪力墻、連接肘板等部分，而綁扎眼板、欄桿、立柱、導(dǎo)向貼板等對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)影響的構(gòu)件不體現(xiàn)在模型中，平臺(tái)橫向支撐可采用板單元模擬。其中X指向船寬方向、Y指向船長(zhǎng)、Z是高度方向。本次計(jì)算根據(jù)DNV·GL 船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行，有限元模型選取艙口圍以上綁扎橋結(jié)構(gòu)，模型約束立柱與甲板連接處節(jié)點(diǎn)為固支。方案一中的綁扎橋結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5 所示，方案二中的綁扎橋結(jié)構(gòu)有限元模型如下頁(yè)圖6 所示。模型加載的載荷根據(jù)船級(jí)社的軟件計(jì)算得到，加載到綁扎眼板位置。

圖5 20000 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船典型綁扎橋有限元模型（方案一）

圖6 20000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船典型綁扎橋有限元模型（方案二）

對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力計(jì)算后得到方案一的綁扎橋模型在雙邊加載下工況的合成應(yīng)力分布如圖7 所示，方案二的綁扎橋模型在雙邊加載下的合成應(yīng)力分布如圖8 所示。

圖7 綁扎橋合成應(yīng)力分布（方案一）

圖8 綁扎橋合成應(yīng)力分布（方案二）

由圖可見(jiàn)，不管剪力墻怎么布置，結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域主要分布在同剪力墻相連的平臺(tái)圍板和剪力墻開(kāi)孔自由邊處（如下頁(yè)圖9 所示）。這是由于與結(jié)構(gòu)連接處的平臺(tái)圍板存在結(jié)構(gòu)的不連續(xù)導(dǎo)致的應(yīng)力集中，此處一般設(shè)置加厚、加大的肘板來(lái)使應(yīng)力平滑過(guò)渡。在剪力墻開(kāi)孔自由邊處剪應(yīng)力分布如下頁(yè)圖10 所示。

從圖中可見(jiàn)立柱上剪應(yīng)力較小，剪應(yīng)力主要分布在剪力墻上，而剪力墻上的開(kāi)孔導(dǎo)致應(yīng)力集中，在開(kāi)孔的自由邊上剪應(yīng)力水平較高，也是校核的重點(diǎn)。

圖9 與剪力墻連接的平臺(tái)圍板合成應(yīng)力分布

圖10 與剪力墻剪應(yīng)力分布

兩種布置方案剪力墻上的剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖11和圖12 所示，可見(jiàn)方案一的剪力墻剪應(yīng)力水平明顯高于方案二。兩種布置方案在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度方面總結(jié)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2 所示。

圖11 剪力墻剪應(yīng)力分布（方案一）

圖12 剪力墻剪應(yīng)力分布（方案二）

表2 兩種剪力墻布置方案強(qiáng)度和剛度對(duì)比

由表2 可見(jiàn)，剪力墻集中式布置的綁扎橋在剪應(yīng)力、主應(yīng)力、合成應(yīng)力和變形均滿足規(guī)范要求，但是分布式布置的剪力墻在剪應(yīng)力（剪力墻上的剪力不考慮應(yīng)力集中系數(shù)）和變形方面未能滿足設(shè)計(jì)要求。其他方面完全相同的情況下，剪力墻集中式布置在剪應(yīng)力、主應(yīng)力、合成應(yīng)力和變形等方面均比分布式剪力墻布置更優(yōu)。

4 綁扎橋剪力墻開(kāi)孔優(yōu)化

剪力墻開(kāi)孔位置是綁扎橋設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，剪力墻開(kāi)孔可以有效的減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，但是結(jié)構(gòu)開(kāi)孔會(huì)形成應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。選擇合理的開(kāi)孔形式和大小有益于提升綁扎橋的結(jié)構(gòu)安全性及穩(wěn)定性。

4.1 剪力墻開(kāi)孔形式

當(dāng)前，在綁扎橋剪力墻上開(kāi)孔的形式主要有兩種分別是心型開(kāi)孔和圓形開(kāi)孔，現(xiàn)以該綁扎橋剪力墻左舷的剪力墻上的開(kāi)孔為例，心型結(jié)構(gòu)形式的剪力墻開(kāi)孔如圖13 所示，圓型結(jié)構(gòu)形式的剪力墻開(kāi)孔如圖14 所示。

圖13 心型結(jié)構(gòu)形式剪力墻

圖14 圓型結(jié)構(gòu)形式剪力墻

兩種情況下結(jié)構(gòu)的板厚、開(kāi)孔的面積、綁扎橋上加載的載荷均保證相同，得到心型結(jié)構(gòu)形式的合成應(yīng)力分布如圖15 所示，圓型結(jié)構(gòu)形式的合成應(yīng)力分布如圖16 所示。

圖15 心型結(jié)構(gòu)形式剪力墻合成應(yīng)力分布

圖16 圓型結(jié)構(gòu)形式剪力墻合成應(yīng)力分布

表3 兩種不同開(kāi)孔形式對(duì)剪力墻應(yīng)力對(duì)比

對(duì)兩種情況下，板邊緣的應(yīng)力分布見(jiàn)表3 所示。從表中可見(jiàn)，在保證其他條件相同的情況下，心型開(kāi)孔和圓形開(kāi)孔的剪力墻合成應(yīng)力差別不大，但心型結(jié)構(gòu)形式的剪力墻對(duì)剪應(yīng)力的承載效果更好。

4.2 剪力墻開(kāi)孔大小

剪力墻開(kāi)孔面積的大小對(duì)于結(jié)構(gòu)性能也有比較大的影響，開(kāi)孔面積較小則會(huì)使結(jié)構(gòu)過(guò)于保守，開(kāi)孔面積較大則會(huì)導(dǎo)致剪力墻上的應(yīng)力超過(guò)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力。為分析開(kāi)孔大小對(duì)應(yīng)力的影響，取心型結(jié)構(gòu)形式的開(kāi)孔為例，開(kāi)孔導(dǎo)圓的半徑為500 mm、400 mm、300 mm，分別計(jì)算不同情況下剪力墻的合成應(yīng)力分布情況如下頁(yè)圖17 -圖19所示。從圖中可見(jiàn)開(kāi)孔大小對(duì)于應(yīng)力分布的影響較小，三種不同開(kāi)孔尺寸下剪力墻的開(kāi)孔比例、剪應(yīng)力、主應(yīng)力和合成應(yīng)力見(jiàn)下頁(yè)表4 所示。從表中可見(jiàn)，隨著開(kāi)孔尺寸的增大，開(kāi)孔比例增加，剪力墻的合成應(yīng)力和主應(yīng)力均會(huì)明顯增大，但是對(duì)于剪應(yīng)力的影響相對(duì)較小。

圖17 心型開(kāi)孔剪力墻合成應(yīng)力分布（R = 500）

圖18 心型開(kāi)孔剪力墻合成應(yīng)力分布（R = 400）

圖19 心型開(kāi)孔剪力墻合成應(yīng)力分布（R = 300）

表4 不同開(kāi)孔尺寸下剪力墻的應(yīng)力大小

5 結(jié) 論

本文以某20000 標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝箱船剪力墻式綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化為目標(biāo)，采用有限元數(shù)值模擬的方法探討了剪力墻布置、剪力墻開(kāi)孔等對(duì)集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中需要考慮甲板集裝箱堆重、艙蓋及舾裝件等布置，是反復(fù)迭代的過(guò)程，在優(yōu)化過(guò)程中，得到合理的結(jié)構(gòu)形式，在同等強(qiáng)度下，得到輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）綁扎橋結(jié)構(gòu)性能需要考慮剪應(yīng)力、主應(yīng)力、合成應(yīng)力和變形等多方面，其高應(yīng)力區(qū)域主要分布在與剪力墻相連的平臺(tái)圍板區(qū)域和剪力墻開(kāi)孔自由邊區(qū)域。剪力墻是綁扎橋結(jié)構(gòu)橫向載荷的主要承受構(gòu)件，剪力墻的數(shù)量和布置位置對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，在其他情況相同的情況下，集中式剪力墻布置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均比分布式剪力墻布置更優(yōu)。

（3）剪力墻開(kāi)孔可以實(shí)現(xiàn)綁扎橋結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，合理選擇開(kāi)孔形式和大小非常關(guān)鍵。計(jì)算結(jié)果表明：在剪力墻板厚和開(kāi)孔面積相同的情況下，結(jié)構(gòu)開(kāi)孔形式對(duì)于剪力墻處合成應(yīng)力的影響較小，但是對(duì)于剪應(yīng)力的影響比較大，采用心型開(kāi)孔形式的剪力墻比圓形開(kāi)孔形式的剪力墻有更小的剪應(yīng)力；在剪力墻板厚和開(kāi)孔形式相同的情況下，開(kāi)孔面積大小對(duì)于剪應(yīng)力的影響較小，但是合成應(yīng)力會(huì)隨著開(kāi)孔面積增加而明顯增大，建議開(kāi)孔大小不超過(guò)相鄰兩層走道平臺(tái)之間剪力墻面積的25%。