大型內貿集裝箱船甲板上集裝箱綁扎設計

黎 峰，劉向冬，沈立寧

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

近年來我國內貿集裝箱航運市場保持著相對穩(wěn)健的發(fā)展勢頭，諸多航運公司紛紛布局或深化其內貿業(yè)務，將大量集裝箱船投入到內貿航線中。但是，內貿航線上的平均箱重遠大于國際航線[1]，且內貿集裝船的航速要求相對較低，若直接將國際航行集裝箱船轉入內貿航線運營，并不能契合內貿集裝箱船的特點，經濟性較差。在該背景下，具有載重量大、重箱數多和經濟性好等優(yōu)點的內貿專用集裝箱船得到快速發(fā)展。

大型化是內貿集裝箱船重要的發(fā)展趨勢，未來4000TEU以上的大型內貿集裝箱船有望成為國內南北航線上的主力船型。大型化意味著船舶的裝載能力得到進一步提升，合理地設計貨物系固系統(tǒng)，特別是甲板上集裝箱的綁扎系統(tǒng)，充分保證船舶的裝載能力，是大型內貿集裝箱船設計的關鍵技術之一。本文以某型4 200 TEU內貿集裝箱船為研究對象，對其甲板上集裝箱的綁扎布置方案進行分析，確定適用于該型內貿集裝箱船的甲板上集裝箱綁扎布置方案。

1 設計條件

充分發(fā)揮船舶的裝載能力和確保貨物安全運輸是設計綁扎系統(tǒng)的首要目標。根據4 200 TEU內貿集裝箱船的初步裝載計算結果，其在裝載工況下的GM值為0.7～2.4?；谘b載工況的甲板上集裝箱裝載能力為：20ft（1ft≈0.3048m）箱列堆重 90～100t；40ft箱列堆重110～120t。對應的裝載情況為艙蓋面或甲板上可裝載3～4層重箱。該裝載能力相比2 400 TEU內貿集裝箱船有大幅提升。

根據船舶的主尺度、方形系數和最大服務航速，結合具體的GM值，可得到某裝載工況下的集裝箱系固加速度分布。船舶航區(qū)范圍為國內近海，計算船舶運動加速度時取航區(qū)系數為0.9。集裝箱重心位于45%箱高位置。

2 綁扎布置方案

選取以下3種綁扎布置方案進行綁扎計算分析。

1) 方案A：20ft集裝箱兩端無綁扎，前后20ft集裝箱之間的間隙為76mm；40ft集裝箱兩端采用雙層內綁扎，從艙蓋面或箱柱頂面綁至第二層箱底和第一層箱頂；最外側40ft集裝箱箱列增加防風綁扎，綁至第三層箱底（見圖1，圖中層數僅為示意）。

圖1 綁扎布置方案A

2) 方案B：20ft集裝箱兩端采用雙層內綁扎，從艙蓋面或箱柱頂面綁至第二層箱底和第一層箱頂，前后20ft集裝箱之間留出綁扎通道空間；40ft集裝箱兩端采用三層內綁扎，分別從艙蓋面或箱柱頂面綁至第三層箱底、第二層箱底和第一層箱頂（見圖2，其中層數僅為示意）。

3) 方案C：40ft集裝箱箱位前后設置綁扎橋，20ft集裝箱兩端采用雙層內綁扎，前后20ft集裝箱之間留出綁扎通道空間，橋端從綁扎橋上層平臺綁至第三層箱底和第二層箱頂，非橋端從艙蓋面或箱柱頂面綁至第二層箱底和第一層箱頂；40ft集裝箱兩端采用雙層內綁扎，從綁扎橋上層平臺綁至第三層箱底和第二層箱頂，最外側40ft箱列增加防風綁扎，綁至第四層箱底（見圖3，其中層數僅為示意）。

圖2 綁扎布置方案B

圖3 綁扎布置方案C

3 綁扎計算

基于上述設計條件，根據中國船級社《國內海船建造規(guī)范》提供的計算方法和設計衡準[2]，分別針對hGM=0.7m和hGM=2.4m 2種穩(wěn)性極限狀態(tài)對上述3種綁扎方案進行綁扎計算，得出各綁扎布置方案可實現(xiàn)的最大堆重（以下簡稱“最大堆重”）。20ft集裝箱箱列計算對象選取為Bay 01、Bay 13、Bay 25、Bay 37和Bay 47，40ft集裝箱箱列計算對象選取為Bay 02、Bay 14、Bay 26、Bay38和Bay 50。每個Bay位的舷邊箱列因風壓載荷的作用和綁扎布置的不同，其綁扎計算應與內部箱列相區(qū)分。由此可得到120個具體的綁扎計算模型，涵蓋艏部、船中、艉部的箱列，可較全面地得出最大堆重沿船長方向的分布情況。

對不同Bay位的20ft集裝箱箱列采用3種綁扎布置方案得到的綁扎計算結果見圖4和圖5；對不同Bay位的40ft集裝箱箱列采用3種綁扎布置方案得到的綁扎計算結果見圖6和圖7。圖4～圖7可知：當裝載20ft集裝箱時，方案C的堆重由前后20ft集裝箱Bay位之間的綁扎布置決定，此處的綁扎布置與方案B相同，即均采用雙層內綁扎，因此當裝載20ft集裝箱時，方案C與方案B具有相同的綁扎計算模型，二者的堆重計算結果是一致的；當裝載40ft集裝箱時，方案A與方案B的舷邊箱列綁扎布置相同，即兩端均采用3層內綁扎，因此當裝載40ft集裝箱時，方案A與方案B的舷邊箱列具有相同的綁扎計算模型，二者堆重計算結果也是一致的。

圖4 hGM=0.7 m時20ft集裝箱箱列最大堆重沿船長方向的分布

圖6 hGM=0.7 m時40ft集裝箱箱列最大堆重沿船長方向的分布

圖7 hGM=2.4 m時40ft集裝箱箱列最大堆重沿船長方向的分布

箱列中的箱重分布對配載的靈活性有重要影響。通過上述計算可得到20ft內部箱列和40ft內部箱列在極限最大堆重狀態(tài)下的箱重分布見圖8和圖9。該結果兼顧了重箱盡可能多和無效輕箱位盡可能少的設計目標，與實船配載情況較為貼近。隨著堆裝層數進一步增加，箱列中的重箱數量將減少，輕箱數量將增多，適用于輕箱比例提高的堆裝情況。層數增加與箱重分布變化之間的關系可通過計算得到，在實船配載時，可根據運營需要對箱重分布進行校核和優(yōu)化。

圖8 20ft集裝箱內部箱列在極限最大堆重狀態(tài)下的典型箱重分布

圖9 40ft集裝箱內部箱列在極限最大堆重狀態(tài)下的典型箱重分布

4 結果分析

上述計算結果反映了在集裝箱船甲板上綁扎集裝箱的一般規(guī)律：

1) 在采用相同的綁扎布置方案的情況下，最大堆重隨GM值的增加而減小[3]；

2) 在采用相同的綁扎布置方案的情況下，舷邊箱列的最大堆重小于內部箱列，增加防風綁扎可有效提升舷邊箱列的最大堆重；

3) 最大堆重沿船長方向的分布特征與橫向加速度沿船長方向的分布特征[4]反向匹配，呈倒鞍狀分布，即靠近船首和船尾的集裝箱最大堆重小于船中的集裝箱最大堆重。

針對4 200 TEU內貿集裝箱船的實際情況，基于上述計算結果得出以下結論：

1) 盡管方案A具有綁扎工作量少和裝卸效率高的優(yōu)點，但其20ft集裝箱箱列最大堆重小于80t，40ft集裝箱箱列最大堆重小于110t，不足以保證該船的裝載能力。

2) 除少數艏部Bay位以外，方案B的20ft集裝箱箱列最大堆重超過90t；40ft集裝箱內部箱列最大堆重超過110t，基本可滿足該船的裝載能力需求。

3) 除少數艏部Bay位以外，方案 C的 20ft集裝箱內部箱列最大堆重超過 100t；除少數艏部和艉部Bay位以外，方案C的40ft集裝箱內部箱列最大堆重達到或超過120t；在GM值較小的情況下，除少數艏部和艉部Bay位以外，40ft集裝箱舷邊箱列最大堆重也可達到或超過120t，基本可滿足該船的裝載能力需求。

此外，上述計算結果表明：方案C不僅具有比方案B更強的堆重能力，而且在最大堆重情況下允許裝載的重箱層數更多（如圖8和圖9所示）。這是由于方案C通過綁扎橋升高了綁扎點的位置，增強了綁扎的有效性[5]。這一特性對于在實船營運過程中進行靈活配載而言是十分有利的。但是，對于該級別集裝箱船而言，全船綁扎橋結構重量將近500t，且布置綁扎橋需要更長的縱向艙間甲板空間，采用方案C意味著載重量減少、船長增大和初始投入增加，將直接影響船舶的經濟性。對于方案B，由于40ft集裝箱箱列多出了一對綁扎點，因此綁扎工作量多于方案C，可能導致船舶裝卸貨時間延長。在實船設計時，需結合船舶具體的裝載能力、船東的需求和裝載習慣對上述差異進行綜合考慮，在方案B與方案C中做出取舍。

5 結 語

本文從保證船舶裝載能力的角度對大型內貿集裝箱船甲板上集裝箱的綁扎設計進行分析研究，得到了在裝箱Bay位、GM值和風壓載荷等因素的影響下采用不同綁扎布置方案的大型內貿集裝箱船甲板集裝箱最大堆重的具體分布，確認了其中2種綁扎布置方案的可行性，揭示了該級別集裝箱船甲板上集裝箱綁扎設計的主要特點。從布置的角度看，甲板上集裝箱綁扎布置與船舶總布置之間存在顯著的相互影響，如何綜合協(xié)調二者之間的關系，實現(xiàn)船舶經濟性與裝箱安全性的優(yōu)化統(tǒng)一，是在船舶總體設計前期需深入論證的問題。

需要說明的是，中國船級社最新發(fā)布的《國內海船建造規(guī)范》2017年修改通報采用了全新的加速度計算體系，將對綁扎計算結果產生影響，影響程度有待進一步論述。