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，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。在剪力墻開孔自由邊處剪應(yīng)力分布如下頁(yè)圖10 所示。

從圖中可見立柱上剪應(yīng)力較小，剪應(yīng)力主要分布在剪力墻上，而剪力墻上的開孔導(dǎo)致應(yīng)力集中，在開孔的自由邊上剪應(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)力分布見圖11和圖12 所示，可見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，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 綁扎橋剪力墻開孔優(yōu)化

剪力墻開孔位置是綁扎橋設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，剪力墻開孔可以有效的減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，但是結(jié)構(gòu)開孔會(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 剪力墻開孔形式

當(dāng)前，在綁扎橋剪力墻上開孔的形式主要有兩種分別是心型開孔和圓形開孔，現(xiàn)以該綁扎橋剪力墻左舷的剪力墻上的開孔為例，心型結(jié)構(gòu)形式的剪力墻開孔如圖13 所示，圓型結(jié)構(gòu)形式的剪力墻開孔如圖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)力分布見表3 所示。從表中可見，在保證其他條件相同的情況下，心型開孔和圓形開孔的剪力墻合成應(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 剪力墻開孔大小

剪力墻開孔面積的大小對(duì)于結(jié)構(gòu)性能也有比較大的影響，開孔面積較小則會(huì)使結(jié)構(gòu)過(guò)于保守，開孔面積較大則會(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。為分析開孔大小對(duì)應(yīng)力的影響，取心型結(jié)構(gòu)形式的開孔為例，開孔導(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。從圖中可見開孔大小對(duì)于應(yīng)力分布的影響較小，三種不同開孔尺寸下剪力墻的開孔比例、剪應(yīng)力、主應(yīng)力和合成應(yīng)力見下頁(yè)表4 所示。從表中可見，隨著開孔尺寸的增大，開孔比例增加，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 心型開孔剪力墻合成應(yīng)力分布（R = 500）

圖18 心型開孔剪力墻合成應(yīng)力分布（R = 400）

圖19 心型開孔剪力墻合成應(yīng)力分布（R = 300）

表4 不同開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：在剪力墻板厚和開孔面積相同的情況下，結(jié)構(gòu)開孔形式對(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，采用心型開孔形式的剪力墻比圓形開孔形式的剪力墻有更小的剪應(yīng)力；在剪力墻板厚和開孔形式相同的情況下，開孔面積大小對(duì)于剪應(yīng)力的影響較小，但是合成應(yīng)力會(huì)隨著開孔面積增加而明顯增大，建議開孔大小不超過(guò)相鄰兩層走道平臺(tái)之間剪力墻面積的25%。