船用带缆桩选型方法探讨

(南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

随着动力和载重的不断提升，船舶在进行系泊、拖带等操作时，会产生巨大载荷，这就要求船上有合适强力点用于吸收载荷以避免对船体结构产生破坏。最新的UR A2(2016)规定了带缆桩拖带和带缆2种受力情况，但除了ISO 13795—2012略有提及外，其他标准没有更新，船厂在进行带缆桩选型时会存在局限性。如何在满足强度要求的情况下，选取体积小、质量轻的带缆桩，成为优化船舶舾装设计的一个重要课题。为此，在充分理解带缆桩规范要求及ISO标准制定依据的力学模型上，从工程学角度，通过优化带缆桩外形结构、利用强度公式核算，提出选型方法，用于支持带缆桩的选型设计。

1 方案思路

根据长期工程实践，总结带缆桩的选型流程见图1。

2 带缆桩结构形式

目前常用的带缆桩结构形式主要有2型，见图2。主体均为薄壁圆筒，主要差别在于基座补强形式。

以DIN标准为代表(A型)的带缆桩结构紧凑,筒体内部设置补板，缆桩底座也相应简化，在相同筒体外径、间距的情况下，筒体高度相对较低。简化底座、降低高度能够节省钢材，也有利于空船重量的降低。

以JIS标准为代表(B型)的带缆桩有矩形底座，对缆桩筒体的补强形式为外侧设置加强材。优点是强度较大，但对于带缆甲板空间小而舾装数较大的船舶，布置这种缆桩将有很大困难。

一般推荐使用A型带缆桩。

3 带缆桩强度

带缆桩作为受力构件可以看作是一端固定的薄壁圆筒，应根据缆绳作用点不同进行分类讨论并进行强度校核。

3.1 弯曲校核

当缆绳的作用点离缆桩根部较远时，可以将带缆桩视作悬臂梁处理，根据弯曲正应力公式：

其中:σa为许用弯曲正应力，数值上等于材料屈服强度；Da为筒体外径；da为内径。

代入即得到弯曲校核公式：

(1)

式中:PB为构件截面因受弯达到许用正应力时施加在构件上的载荷。为方便描述，简称为许用弯曲载荷;H为缆绳作用点的高度。

3.2 剪切校核

带缆桩作用点离根部较近，此时带缆桩已经不能认为是细长梁，必须进行弯曲剪应力的校核。带缆桩筒体为薄壁圆筒结构(见图3)，这种结构适用环形截面梁的弯曲剪应力计算公式。

(2)

式中：δ为缆桩筒体厚度。

受力模型如图3所示，其中：

剪切力Q=PS；Ro为带缆桩筒体内外半径的平均值；

式中:PS为构件截面因受剪达到许用切应力时施加在构件上的载荷。为方便描述，简称为许用剪切载荷。

则剪切校核公式为

(3)

式中:τa为许用切应力，数值上等于0.6倍材料屈服强度。

上述式(1)、式(3)中，筒体高度和内外径由带缆桩结构决定，而许用弯曲及剪切应力由材质决定。根据船级社联合会UR A2(2016)要求，带缆桩许用弯曲应力为100%所用材料屈服点，许用剪切应力为60%所用材料屈服点[1]。至此，带缆桩的许用剪切载荷与许用弯曲载荷均能够确定。

4 缆绳设计载荷

作用在带缆桩上的缆绳主要有2类用途：系泊和拖带，2种工况的缆绳设计载荷有所不同。

系泊缆绳依据系泊力选型，系泊力由舾装数决定，因此系泊缆绳的工作载荷主要由船舶本身参数决定。而拖带主要出现在各类运河或港口，由拖轮提供缆绳，所以拖带的缆绳工作载荷一般由港口或者运河当局提供。

得到缆绳的工作载荷后，依据UR A2(2016)的要求，将其乘以1.25倍作为设计载荷进行考虑。对于同时用于拖带和系泊的带缆桩，取大者作为其设计载荷。

缆绳的设计载荷由其工作载荷惟一确定，只要工作载荷确定，即使选取了最小破断力更大的缆绳，其设计载荷也应保持不变，UR A2(2016)中对此也有明确。

5 带缆桩设计载荷

在确定缆绳的设计载荷后，为得到实际作用在带缆桩上的设计载荷，需讨论缆绳的带缆方式，这里的带缆方式包含两方面含义：缆绳作用点高度及缆绳缠绕方式。

5.1 缆绳作用点高度影响

缆绳的作用点高度直接影响缆绳作用在带缆桩上的弯矩。根据前述带缆桩强度的校核说明，带缆桩在受到缆绳作用力时，其横截面将出现弯曲和剪切应力，其中弯曲应力根据缆绳的作用点而相应产生变化，剪切应力始终保持不变。以ISO标准、型号400B、A32带缆桩为例，绘制作用点高度(H)与弯曲载荷(PB)、剪切载荷(PS)见图4。

由图4可见，当缆绳作用点较低时，许用弯曲载荷远大于许用剪切载荷，此时缆桩的破坏主要由剪切应力引起；随着缆绳作用点高度增加，带缆桩的许用弯曲载荷不断变小，当高度H>315 mm后，许用弯曲载荷小于许用剪切载荷，此时弯曲载荷成为引起带缆桩破坏的主要因素。换言之，当缆绳作用点较低时，应当校核带缆桩的抗剪切能力；缆绳作用点高时，应当校核其抗弯曲能力。

5.2 缆绳缠绕方式的影响

缆绳的缠绕方式也影响作用在带缆桩上的设计载荷。缆绳的缠绕方式主要有套环形式和“8”字带缆2种。套环形式多见于拖带情况，而系泊时主要采用“8”字带缆。

对于套环形式，如果缆绳的设计载荷为F，那么带缆桩设计载荷也为F；而“8”字带缆会对带缆桩产生2倍的作用力，为防止这种情况发生，船厂一般使用改善的“8”字带缆形式，见图5。

改善后的“8”字带缆仅对缆桩产生1倍缆绳设计载荷，这也是OCIMF(石油公司国际海事论坛)推荐的带缆形式[2]。

经上述说明，可以通过带缆桩的结构与材料得到带缆桩的许用弯曲载荷和许用剪切载荷，在获得缆绳设计载荷及带缆方式信息后，只需根据缆绳作用点高度选择需要校核的强度，同时跟许用载荷进行对比以选出符合强度要求的带缆桩。下面通过对缆绳作用点高度对比研究，就如何选取进行总结。

1)UR_A2中要求，拖带和系泊的缆绳，至少应当考虑作用高度在4/5筒体高度以上，但如果安装有翼板，则可以将系泊的缆绳作用高度限制在翼板的高度以下。

2)ISO、JIS等标准考虑套环、单绳“8”字带缆的缆绳的作用点高度在4/5筒体高度处，而双绳“8”字带缆的作用点在筒体根部，这也是为了避免校核双绳“8”字带缆这种极端情况下的弯曲应力，因为这将大大增加缆桩所需的最低强度。

6 带缆桩标准及使用方法介绍

目前常见的带缆桩标准有DIN 82607—1995，ISO 13795—2012，JIS F2001—1995[3-5]。但上述标准只有ISO 13795—2012进行过更新，选择面小，无法进行经济性选择。根据实际使用经验，各类标准存在对带缆桩强度要求偏高或拖带载荷缺失的问题[6]，若船厂完全根据工业标准进行选型，不仅会因为选取的带缆桩规格高于实际需要而带来经济上的浪费，也会使得带缆甲板空间局促，影响前期的布置以及后期的使用。因此，有必要联系带缆桩使用实际，结合选型经验，制定自己合适的标准。

带缆桩的标准应当包含两个核心内容：指导制作的结构形式；指导设计选型的许用载荷。

6.1 带缆桩的载荷信息

确定带缆桩外形后，计算其许用剪切载荷与许用弯曲载荷。但选型时，设计者入手的信息往往是缆绳破断力或者港口、拖轮提供缆绳的工作载荷，为方便选型，带缆桩许用载荷需要转化为缆绳设计载荷，这就需要考虑不同的带缆模型。综合各国工业标准[3-5]以及上述分析，NDS标准考虑工程实用性，将带缆桩的带缆情况归纳为4类，见表1和图6。

表1 带缆方式对比表

上述带缆方式根据规范要求，都需要考虑缆绳作用点至少在4/5缆桩筒体高度以上，所以应当校核带缆桩的抗弯曲能力。缆绳以套环方式或推荐的“8”字带缆系固时，缆绳上的力与作用在缆桩上的力大小相等，故缆绳设计载荷即为许用弯曲载荷PB，而常规单绳“8”字带缆时，缆绳上的力为作用在缆桩上的力的2倍，因此可以承受的缆绳设计载荷为许用载荷的1/2。所以制定的标准中需要反映以下信息。

PB=2×Designload(常规“8”字带缆)=

Designload(套环)=Designload(推荐“8”字带缆)

双绳“8”字带缆，因为系固于带缆桩根部，根据上文分析，应以许用剪切载荷为准。此时缆绳上的力为作用在带缆桩上的力的4倍，所以设计载荷为许用剪切载荷的1/4，即

PS=4×Designload(双绳常规“8”字带缆)

6.2 带缆桩标准使用注意点

在设定带缆桩标准时，建议给出不同带缆情况下的许用缆绳设计载荷。但是在实际操作中，推荐以Designload(套环)或Designload(推荐“8”字带缆)为准进行选型，原因如下。

1)常规“8”字带缆形式对带缆桩产生的作用力为2倍缆绳设计载荷，不推荐使用，在带缆布置图纸中需要明确标示，并且缆桩上也制作了相应铭牌以防止船员误操作，见图7。

2)双绳“8”字带缆情况极端，很少使用，通常不予考虑。

6.3 带缆桩标准经济性考虑

由于DIN标准中最大外径为320 mm，当前船舶很少使用320 mm以下规格带缆桩，现将ISO、JIS及我司新制定的标准(NDS)中常用的名义型号500的带缆桩信息列出如下，方便比较。

由表2可见，同型号的带缆桩，ISO、NDS比JIS重量轻，尺寸小；同重量的带缆桩，NDS比ISO所承受的载荷稍大。

表2 带缆桩标准对比

7 结论

带缆桩的选型涉及缆桩强度计算、带缆方式和缆绳设计载荷的确定等，其核心是强度和载荷的比较，因为带缆系统的多样性间接导致了选型的复杂。制定标准的过程中应尽可能地覆盖这种多样性，并且将结果详尽地制作成表格提供给设计者，以免设计者重复进行类似的计算工作。

根据推荐方法进行带缆桩选型，可以确保带缆桩强度符合要求，而强度校核是选型最基础也最重要的一步，带缆桩作为一个标准品，强度与其尺寸一一对应，往往无法满足实船的全部需求。考虑经济性，选择半径小的带缆桩，可能导致弯曲半径不满足缆绳要求[6]；另外，标准的底座也可能因在卷筒上方出绳而不够高。诸如此类问题，都需要设计者在作业过程中细心考虑，方能妥善完成带缆桩的选型工作。

[1] IACS UR A2, Shipboard fittings and supporting hull structures associated with towing and mooring on conventional ships[S].2016.

[2] Ships and marine technology-ship’s mooring and towing fittings-welded steel bollards for sea-going vessels：ISO 13795—2012[S].ISO,2012.

[3] DIN 82607—1995，Bollard [S].DIN,1995.

[4] JIS F规格集(船体)：JIS F2001—1995，Bollard [S].财团法人 日本船舶标准协会，2001.

[5] 倪伟平,江晓玲.船舶系泊属具标准梳理分析[J].船舶设计通讯,2014(2)：82-86.

[6] 李江波,沈正湘,韩树刚,等.船舶高负荷带缆桩设计方法[J].船海工程,2015(2)：47-50.