大型敞口集裝箱船系固優(yōu)化

王 丹，朱守冬

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 a.航運技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室;b.航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135；2.上海洲朗實業(yè)有限公司， 上海 200030)

為充分發(fā)揮長江黃金水道的整體效益，滿足沿長江經(jīng)濟快速發(fā)展帶來的航運需求，全面緩解長江中游通航瓶頸，對湖廣—羅湖洲、沙洲、戴家洲、鯉魚山、張南、馬當(dāng)和東流等7個礙航灘段進行系統(tǒng)整治，武漢—安慶段航道最低維護水深由 4.5 m提高至5.0 m(多數(shù)時候水深超過6.0 m)，萬噸級船舶可常年由長江入?？谕ㄟ_武漢。隨著武漢新港的快速發(fā)展，特別是陽邏港二期和三期工程的建成，碼頭條件得到大幅改善，武漢—洋山航線上的集裝箱船大型化發(fā)展是必然趨勢，進而有效緩解洋山港的擁堵現(xiàn)象。敞口集裝箱船的大型化發(fā)展對集裝箱的系固提出很高的要求，為獲得可觀的堆重，在現(xiàn)有可選系固件的范圍內(nèi)，需要工人下艙操作橫向拉壓件和橫向連接件，會浪費大量的碼頭裝卸時間。另外，一些船舶為在艙內(nèi)混裝艙位多裝載20英尺集裝箱而加大型深,成本較高。為在不損失堆重和20英尺集裝箱位的前提下有效減少碼頭操作時間，提高裝卸效率，本文研究大型敞口集裝箱船的系固優(yōu)化方法，提高船舶的經(jīng)濟性。

1 敞口集裝箱船箱位設(shè)置和系固的特點

敞口集裝箱船即為無艙蓋的集裝箱船，從武漢到洋山港的集裝箱船基本上均為敞口型。目前，敞口集裝箱船艙內(nèi)一般設(shè)計為20英尺和40英尺混裝的箱位，這種混裝箱位便于20英尺集裝箱和40英尺集裝箱靈活配載，使貨艙箱位利用率最大化，但這種混裝箱位的設(shè)置使得20英尺集裝箱的一端沒有系固空間，導(dǎo)致其裝載不能超過艙口圍板太多，限制了20英尺集裝箱的裝箱量。

為充分利用甲板空間，很多集裝箱船考慮在舷邊裝箱，箱位設(shè)置與貨艙一致，千箱級集裝箱船，舷邊裝載的集裝箱層數(shù)一般為3～4層，當(dāng)在舷邊裝箱時，舷邊的集裝箱受風(fēng)載荷的影響，艙內(nèi)的集裝箱不受風(fēng)載荷的影響。當(dāng)艙內(nèi)的集裝箱從內(nèi)底一直堆裝到艙口圍板之上，堆裝層數(shù)比較高時，不受風(fēng)載荷的影響對提高堆重有利。

有些敞口集裝箱船參考有艙蓋的集裝箱船，在艙內(nèi)40英尺集裝箱角位置處設(shè)置導(dǎo)軌，導(dǎo)軌不延伸到艙口圍板以外，該設(shè)置有利于裝箱時對集裝箱進行定位，在一定程度上節(jié)約碼頭裝箱時間，但僅這樣設(shè)置導(dǎo)軌并不能增加艙口圍板以上20英尺集裝箱的裝箱量和堆重，個別敞口集裝箱船導(dǎo)軌延伸至艙口圍板以上幾層箱的高度，有利于增加20英尺集裝箱的裝箱量和堆重。目前，大部分敞口集裝箱船艙內(nèi)沒有設(shè)置導(dǎo)軌。[1]

當(dāng)敞口集裝箱船艙內(nèi)不設(shè)導(dǎo)軌時，艙底40英尺集裝箱角處用定位錐，中間位置用導(dǎo)座。艙內(nèi)層與層之間的40英尺集裝箱和20英尺集裝箱角處均使用橫向雙錐，靠近艙壁的箱角處設(shè)置橫向支撐；艙口圍板以上的40英尺集裝箱角設(shè)置扭鎖，端部有甲板條或抗扭箱，可用于設(shè)置綁扎件，對40英尺集裝箱進行綁扎，以提高堆重。對20英尺集裝箱的間隙端使用中間鎖，末端使用半自動鎖，端部不綁扎。無導(dǎo)軌敞口集裝箱船艙內(nèi)系固件使用示意見圖1，艙口圍板以上系固件使用示意見圖2。[2-3]

結(jié)合有艙蓋和無艙蓋的集裝箱船的設(shè)計優(yōu)點，在系固優(yōu)化方案中考慮在貨艙內(nèi)設(shè)置導(dǎo)軌，并在20英尺集裝箱間隙端用橫向連接裝置，可有效提高堆重。由于圖1中用到的活動系固件都需要碼頭工人下艙操作，不僅存在一定的安全隱患，而且浪費碼頭操作時間，本文對此進行優(yōu)化。[4-5]

2 敞口船集裝箱受力的特點

集裝箱的受力情況應(yīng)根據(jù)船舶裝載工況和船舶運動予以確定,這些力包括船舶橫搖、縱搖和垂蕩運動產(chǎn)生的集裝箱慣性力,以及集裝箱的總重量、風(fēng)力、系固力和波浪的沖擊力。集裝箱受力分析詳見中國船級社(China Classification Society,CCS)2018年版《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)，《規(guī)范》以一垛3層的集裝箱受力分配為典型，揭示集裝箱受力傳遞的特點，對于多層的集裝箱受力分配,可類推得到。[6-8]由《規(guī)范》可知：在無約束狀態(tài)下,集裝箱所受橫向力和垂向力都自上而下傳遞至下層，集裝箱端面能承受的扭變力只有150 kN，若集裝箱沒有約束，則每垛允許的層數(shù)或堆重非常有限，因此在通常情況下集裝箱都是需要支撐和系固的。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：符號含義與《規(guī)范》所述相同。

綜上所述，增加的幾層集裝箱對與其相鄰的支撐點處的受力影響很大，再往下的支撐點的受力不受影響，艙口以上堆裝的集裝箱層數(shù)越多或重量越大，則艙口處的支撐力越大。在敞口集裝箱船舶的系固設(shè)計和系固計算中，艙口處的支撐力是最需要關(guān)注的地方。

圖3 集裝箱船總布置圖

圖4 艙口以上有集裝箱時剛性支撐的支點受力

當(dāng)艙內(nèi)設(shè)支撐件時，通常通過橫向連接件將n垛集裝箱并列，將橫向力傳遞到縱艙壁。在有支撐的一層，總的支撐力由一垛集裝箱的支撐力乘以與堆垛數(shù)n相關(guān)的系數(shù)得到，系數(shù)的選取詳見《規(guī)范》。

3 對敞口船系固設(shè)計的優(yōu)化

根據(jù)敞口集裝箱船的特點，當(dāng)20英尺集裝箱和40英尺集裝箱混裝時，需要支撐才能獲得比較可觀的堆重，既可設(shè)橫向連接件將支撐力傳遞到縱艙壁，又可設(shè)導(dǎo)軌支撐，且支撐力不能超過集裝箱本身的承載能力。當(dāng)艙內(nèi)集裝箱堆垛數(shù)比較小時，比如4垛，可在縱艙壁上設(shè)固定結(jié)構(gòu)，以承受4垛集裝箱傳遞的支撐力，該固定結(jié)構(gòu)一般為自上而下的π型結(jié)構(gòu)，只承壓,不受拉。當(dāng)艙內(nèi)集裝箱堆垛數(shù)比較大時，比如8垛，若用橫向連接件將8垛連在一起，將8垛的橫向力一起傳遞到艙壁，則最上層的支撐力很容易超過集裝箱的承載能力，此時需要將8垛集裝箱分為左右各4垛，舷側(cè)艙壁上使用能承拉和受壓的剛性支撐件，以承受4垛集裝箱傳遞的拉力和壓力，將總的支撐力左右分散之后，堆重會有所提高。

以1 100 TEU江海直達型敞口集裝箱船為例，介紹該船用到的系固優(yōu)化方法，并引進一種新型無需工人下艙操作的拉壓支撐件(簡稱自掛支撐)，可有效節(jié)約碼頭作業(yè)時間，同時針對不同工況進行計算分析。

3.1 船型和系固設(shè)計簡介

該船垂線間長137.3 m，型寬25.6 m，型深10.3 m，最大吃水6.30 m，主要在武漢—洋山航段航行，兼顧沿海航線，可裝1 040箱20英尺集裝箱。全船共3個大貨艙，艙內(nèi)最大可堆裝8層8列集裝箱，40英尺集裝箱可裝載在第6層和第7層，每個艙均可混裝20英尺集裝箱和40英尺集裝箱，在40英尺集裝箱處設(shè)置由角鋼做成的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌高度只到艙口圍板高度，艙口圍板以上集裝箱有4層，舷側(cè)設(shè)墩柱裝載集裝箱，艉部甲板上堆裝20英尺集裝箱。 集裝箱總布置圖如圖3所示。

該船艙內(nèi)在20英尺集裝箱間隙端考慮自掛支撐與自掛雙錐的配合使用，并對艙口處的中間鎖進行特殊處理，使其起到支撐的作用，其余部位考慮常規(guī)系固件的使用。

3.2 舷側(cè)集裝箱堆裝設(shè)計及其作用

該船在舷側(cè)設(shè)置墩柱，用于堆裝集裝箱，充分利用甲板空間，增加裝箱量。另外，在舷側(cè)裝載集裝箱時，艙內(nèi)的集裝箱不受風(fēng)載的影響，有利于提高艙內(nèi)集裝箱的堆重。舷側(cè)只堆裝4層集裝箱，相比艙內(nèi)的8層集裝箱，自上而下傳遞下來的橫向力小很多，舷側(cè)的堆重比較可觀。因此，通過舷側(cè)裝箱承受風(fēng)載也是優(yōu)化設(shè)計的一種方法。[9]

3.3 自掛支撐的應(yīng)用

當(dāng)該船艙內(nèi)裝載8垛8層20英尺集裝箱時，有導(dǎo)軌的末端下面的4層為有支撐狀態(tài)，上面的4層為自由狀態(tài)；無導(dǎo)軌的間隙端下面幾層設(shè)置自掛支撐，并配合自掛雙錐使用，無需下艙操作，可將左右各4垛集裝箱橫向連接起來，支撐件將4垛集裝箱產(chǎn)生的拉力和壓力有效傳遞給貨艙縱艙壁。

自掛支撐和自掛雙錐在裝卸時與成熟使用的自掛單錐一樣，裝箱時在碼頭便已裝好，卸箱時隨著集裝箱一起卸下。目前，自掛雙錐在某些多用途船上已得到很好的應(yīng)用，結(jié)合常規(guī)自掛錐和常規(guī)支撐的特點，并在艙壁上設(shè)計與之匹配的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，便于支撐與艙壁的連接。自掛支撐的設(shè)計見圖5，與之匹配的艙壁導(dǎo)向結(jié)構(gòu)圖見圖6。

3.4 對中間鎖的特殊處理

由總布置圖的側(cè)視圖可知:該船艙內(nèi)剛好裝4層集裝箱，第4層的頂面在艙口圍板附近，上面4層集裝箱箱角必須裝扭鎖，防止集裝箱翻轉(zhuǎn)落水，其中，在20英尺集裝箱的末端使用半自動扭鎖，間隙端使用中間鎖。為增加上面4層的箱重，盡量減小空箱量，在第4層也必須設(shè)置支撐，表明在第4層與第5層之間的中間鎖需要特殊處理,以起到傳遞支撐力的作用，該船設(shè)計中使用的是中間鎖支撐器和中間鎖連接器(見圖7和圖8)，是從經(jīng)濟性方面考慮對系固進行的優(yōu)化。有些船舶為在第4層獲得安裝支撐的空間，使得第5層可裝重箱，并使用常規(guī)系固件，從而加大約1 m的型深，增加型深意味著鋼料增加，空船重量增加，載重量減少，不利于船舶的經(jīng)濟性。該船10.3 m的型深，在艙口圍板處通過對中間鎖進行處理，有效控制型深，使該船的主尺度得到充分的利用。

圖5 自掛支撐設(shè)計圖圖6 艙壁導(dǎo)向結(jié)構(gòu)圖

圖7 中間鎖支撐器圖8 中間鎖連接器

3.5 典型系固件的應(yīng)用

由于導(dǎo)軌的使用，艙內(nèi)40英尺集裝箱位無需使用系固件，與使用需下艙操作的常規(guī)系固件的船舶相比，不僅能減少系固件的使用，而且能大大提升碼頭作業(yè)效率,艙口以上40英尺集裝箱兩端使用扭鎖并配以綁扎拉桿使用。[10]該船對裝載20英尺集裝箱做特殊優(yōu)化，裝載20英尺集裝箱時使用的典型系固件見圖9。

3.6 不同工況下堆重和支撐力計算分析

當(dāng)艙內(nèi)設(shè)置導(dǎo)軌時，導(dǎo)軌是集裝箱端面的支撐，導(dǎo)軌直接承受相應(yīng)的支撐力。該船對40英尺集裝箱而言，艙內(nèi)每垛兩端有導(dǎo)軌支撐，兩端平均分配的橫向力全部由導(dǎo)軌承擔(dān)，超出艙口圍板的40英尺集裝箱兩端可利用綁扎拉桿抵抗一部分橫向力，因此允許的堆重一般很大，本文重點考慮裝載20英尺集裝箱的情況。該船對于20英尺集裝箱而言，一端是有導(dǎo)軌的末端， 一端是無導(dǎo)軌的間隙端，每垛末端由導(dǎo)軌支撐，而間隙端設(shè)拉壓自掛支撐和自掛雙錐，將艙內(nèi)集裝箱分為左右各4垛，并將4垛的力傳遞到縱艙壁。在計算20英尺集裝箱的系固力時，末端和間隙端應(yīng)分開計算，由于間隙端是4垛的支撐力，遠大于末端1垛的支撐力，因此取間隙端的支撐力作為校核重點。

圖9 艙內(nèi)20英尺集裝箱典型系固件的應(yīng)用

若20英尺箱只在艙內(nèi)裝載，橫向力的分配可不按照每個端面50%的比例分配，可不考慮集裝箱的翻轉(zhuǎn)。長期的使用和統(tǒng)計經(jīng)驗是當(dāng)20英尺集裝箱上方?jīng)]有40英尺壓箱時，有導(dǎo)軌的末端橫向受力分配比例是60%，無導(dǎo)軌的間隙端橫向受力分配比例是40%；當(dāng)20英尺集裝箱上方有40英尺集裝箱壓箱時，對堆裝20英尺集裝箱是有利的，此時有導(dǎo)軌的末端橫向受力分配比例是75%，無導(dǎo)軌的間隙的端橫向受力分配比例是25%；當(dāng)20英尺集裝箱的裝載超過艙口圍板時，其兩端橫向力依然按50%分配和傳遞。在力的傳遞過程中，20英尺集裝箱承受拉壓的能力是575 kN。當(dāng)裝載8層8列20英尺集裝箱，艙內(nèi)4層均設(shè)置支撐時，間隙端艙口處的支撐力最大，其他層支撐力可忽略。由支撐力的推導(dǎo)可知:此處的支撐力只與上面4層集裝箱無約束時的橫向力和第4層由翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的支撐力有關(guān)，而與其他層集裝箱無關(guān)，為簡化計算過程，各層20英尺集裝箱端面橫向力均取50%的分配比例，使用CCS開發(fā)的Compass軟件計算。

該船按沿海航區(qū)海船規(guī)范設(shè)計，但主要航行于武漢—洋山航段，該航線屬于特定航線1。當(dāng)航行于該航段時，可按照特定航線1的海況條件取相應(yīng)的加速度進行系固配載;當(dāng)航行于沿海航區(qū)時，按海船規(guī)定的加速度考慮系固配載。該船在裝載8層8列20英尺集裝箱的多種裝載工況下，初穩(wěn)心高度hGM≈2 m，取hGM=2 m作為典型工況，比較在特定航線和沿海航線下不同加速度對應(yīng)的20英尺集裝箱的堆重和受力情況，結(jié)果見表1。

表1 不同加速度下堆重和受力比較

在相同的加速度下，使用拉壓支撐件和不使用拉壓支撐件，20英尺集裝箱的堆重區(qū)別是很大的，取特定航線的加速度，比較這2種情況下的堆重和支撐力見表2。由表2可知：該船使用拉壓支撐件非常有必要，而使用自掛支撐能大大減少碼頭作業(yè)時間。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)闡述大型敞口集裝箱船系固的特點，并介紹1 100 TEU集裝箱船用到的優(yōu)化方法，在以后的大型敞口集裝箱船設(shè)計中可借鑒使用，主要包括以下幾點：

1) 導(dǎo)軌的使用可很好地起到導(dǎo)向作用，并減少系固件的使用，便于提高碼頭作業(yè)效率。

2) 舷側(cè)裝箱能有效利用甲板空間，增加裝箱量，同時在承受風(fēng)載荷的情況下不過多影響其堆重，且有利于提高艙內(nèi)20英尺集裝箱的堆重。

3) 艙口位置在中間鎖處加上支撐和連接件，在保證20英尺集裝箱堆重的同時，可有效減小型深，有利于提高船舶的經(jīng)濟性。

表2 相同加速度下8垛和4垛堆重和受力比較

4) 自掛支撐和自掛雙錐的配合使用能避免工人下艙操作，有效節(jié)約碼頭作業(yè)時間。

自掛支撐和自掛雙錐的配合使用值得推廣，由于其具有無需下艙操作的特點，利于智能化集裝箱碼頭的發(fā)展。