绑扎桥和克令吊筒体整合式结构设计

2021-08-11李文涛张秤

船舶设计通讯 2021年1期

李文涛，张秤

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

支线型集装箱船，为了在露天甲板上堆放更多层集装箱，需要设置绑扎桥来有效系固和支撑集装箱的绑扎系统。为了提高空间利用率，可将绑扎桥和挡浪板设计成一体，也可将甲板室前端壁兼做绑扎桥的剪力板。有些支线集装箱船配备克令吊，以适应不同航线的港口装卸条件限制，获得更强的揽货能力。配备的克令吊通常布置在货舱之间的中间甲板上，与绑扎桥位于同一区域，因此中间甲板需要有足够的宽度来保证克令吊基座、绑扎桥设备安装、舱盖堆放及绑扎作业操作的空间。

本文提出一种整合绑扎桥和克令吊筒体结构的新型设计，该设计能减小中间甲板宽度的同时，优化绑扎桥结构设计，并通过在克令吊筒体上挖孔方式，满足克令吊筒体位置集装箱内绑作业的空间要求。

1 绑扎桥和克令吊筒体整合式设计方案

集装箱船经常需要在露天甲板上堆放多层集装箱，由绑扎桥为其提供着稳固的绑扎支持，并且绑扎桥的设置能使重箱堆放在较高的位置。绑扎桥的结构形式有斜撑式和剪力板式，目前主流的设计均采用剪力板式。集装箱的绑扎型式，一般可以分为内绑和外绑两种。支线集装箱船绑扎桥的剪力板一般会在靠近船中和舷侧设置，共同承受来自绑扎杆的横向剪切力。

大多数支线集装箱船的克令吊布置在中间，与绑扎桥布置在同一纵向位置处。箱船的克令吊基座筒体形状一般为“天圆地方”，筒体在绑扎平台高度位置设置平台。

1.1 绑扎桥和克令吊筒体单独布置概况

不配备克令吊的集装箱船的中间甲板宽度仅需考虑绑扎平台的通道、货舱舱盖和绑扎立柱的布置，宽度为1 700 mm 左右。仅设置绑扎桥的中间甲板典型布置见图1。

图1 仅设置绑扎桥的中间甲板布置

以某2 700 TEU 支线集装箱船现有设计为例，其中间甲板布置如图2 所示。该船型配置2 台克令吊（起货能力 SWL45 t×28 m），船宽 32.2 m，舱盖最多堆放7 层标准集装箱。考虑克令吊筒体、货舱舱盖和绑扎立柱及绑扎平台的通道，中间甲板的宽度为3 360 mm，现有设计配备吊的中间甲板宽度约为不配备克令吊时的2 倍。绑扎桥和克令吊筒体分别由设备商提供，克令吊筒体与绑扎之间互不相连，绑扎桥每舷通常布置两片剪力板。由于克令吊前后筒体围壁没有开孔，筒体位置的集装箱不能通过内绑与绑扎桥眼板连接。

图2 设绑扎桥和克令吊的中间甲板布置

现有设计的缺点：现有设计的中间甲板非常宽，导致货舱长度和船长增加较大，布置上不经济。

1.2 新型整合绑扎桥和克令吊筒体结构设计思路

布置占主导地位的集装箱船，总长往往会受到目标航线上港口码头的限制。将绑扎桥和克令吊整合设计成一体可节省中间甲板的宽度、减小货舱长度和船长，给集装箱船的布置带来更多的适用性与经济性。

绑扎桥主要在航行工况时承受绑扎杆的水平和垂直拉力，克令吊作业工况仅发生在停泊靠港时，两者属于不同时发生的工况。将两者设计成一体的好处：克令吊作业工况时，绑扎桥可以对克令吊筒体起到支撑作用；绑扎工况时，绑扎桥与克令吊的筒体直接相连，大大提高绑扎桥的强度和刚度。

另一方面，因为现有设计中克令吊前后筒体围壁没有开孔，处于克令吊筒体前后位置的集装箱堆垛由于克令吊筒体的阻碍不方便进行内绑作业。将绑扎桥和克令吊筒体设计成一体，可在克令吊前后筒体围壁开设门孔，实现内绑作业。

1.3 新型整合绑扎桥和克令吊筒体结构设计方案

新型整合绑扎桥和克令吊筒体的结构，由绑扎立柱、绑扎平台及檐板、第一层平台及檐板、剪力板、箱柱和克令吊筒体以及舱口围面板下加强结构组成。整合绑扎桥和克令吊筒体结构的设计方案见图3。该设计的结构型式特点如下：

图3 绑扎桥和克令吊筒体整合设计图

克令吊前后筒体围壁兼作中间位置的剪力板，承受中间区域绑扎杆的横向剪力；克令吊在绑扎桥平台的高度设置平台，克令吊筒体侧面开门洞作为舱口盖操作通道和绑扎作业通道；在绑扎桥绑扎平台上，克令吊筒体前后开设门洞供绑扎作业。

在绑扎平台上，克令吊矩形筒体前后面和侧面均开设门洞。为了补偿开洞对结构强度的影响，如图3 所示，绑扎桥的第一层平台、绑扎平台、檐板结构和克令吊筒体结构连接成一体，在矩形筒体4 个角上布置尺寸约500 mm×500 mm 的厚柱体，4 个柱体向下延伸到主甲板下面第一层平台，厚柱体兼做中间箱位的绑扎桥立柱。另外，克令吊矩形筒体前后需留有布置货舱舱盖所需要的空间。

新型整合绑扎桥和克令吊的结构，绑扎平台的净宽度为1 300 mm （在克令吊筒体处的宽度为650 mm），满足 CSS CODE 对绑扎平台的通道要求［1］、舱盖和集装箱维护空间的要求以及第一层舱盖操作空间要求。在绑扎平台的上方，克令吊前后筒体围壁开设门洞，方便克令吊筒体前后堆的箱子通过内绑的形式与克令吊柱体相连。

新型整合式设计将绑扎桥立柱和克令吊筒体外表面对齐，减小了立柱的间隙。可将中间甲板的宽度缩减到2 600 mm。与现有设计图2 相比较，宽度减小760 mm。

2 整合式结构有限元强度分析

为了研究新型整合绑扎桥和克令吊筒体结构的可靠性，通过有限元方法验证其结构强度和刚度。采用MSC/Patran 软件进行模型建立、载荷施加及结果分析，计算采用MSC/Nastran 软件进行。绑扎桥的绑扎工况的模型范围、边界条件、工况载荷和计算结果衡准均依照英国劳氏船级社（LR）绑扎桥强度计算指南［2］。克令吊的作业工况载荷参考某型支线集装箱船设备商提供的载荷，强度衡准遵照散货船和油船结构共同规范（CSR）［3］的要求。

2.1 有限元模型

模型范围横向包括整个船宽，船长方向包含横舱壁和前后各一个强框架，高度方向从主甲板以下第一层平台到克令吊筒体顶部。模型主要包含了克令吊筒体、绑扎桥立柱、平台、檐板、剪力板、舱口围和主甲板以下的船体结构及加强结构。网格大小约为100 mm×100 mm。有限元模型见图4。

图4 有限元模型

2.2 工况和载荷

2.2.1 绑扎桥的工况与载荷

依照英国劳氏船级社（LR）的要求，对于支线集装箱船，载荷可取绑扎杆安全载荷SWL 为245 kN，是绑扎杆破断负荷的50%。载荷的方向沿着绑扎杆的方向分布，绑扎桥的受力眼板布置见图5，其空间角度定位取决于绑扎眼板与对应集装箱箱角的相对位置［4-5］，眼板的受力大小见表 1。

图5 绑扎桥的受力眼板示意图

表1 眼板的受力大小

考虑3 个计算工况：绑扎工况1，仅考虑绑扎桥靠船尾的眼板受力；绑扎工况2，仅考虑绑扎桥靠船首的眼板受力；绑扎工况3，艏艉绑扎桥眼板同时受力。

2.2.2 克令吊作业工况与载荷

选取克令吊作业范围内3 种典型工况进行分析，分别为：克令吊作业工况1，吊臂沿船长（船首方向）；克令吊作业工况2，吊臂沿船宽（左舷方向）；克令吊作业工况3，吊臂沿克令吊筒体对角线方向。

参考某型配备克令吊的支线箱船设备资料，其克令吊吊臂长28 m，吊重为45 t。在3 种作业工况下，克令吊筒体顶部的载荷见表2。

表2 克令吊作业工况与载荷

2.3 有限元分析结果

2.3.1 绑扎工况分析结果

依照英国劳氏船级社（LR）要求的应力衡准，许用合成应力和剪切应力分别为0.90 倍和0.46 倍的材料最小屈服应力。新型整合绑扎桥和克令吊筒体结构选用的材料均为等级为H36 的高强度钢，最小屈服强度为355 N/mm2，则许用合成应力为319 N/mm2，许用剪切应力为 163 N/mm2。依照英国劳氏船级社（LR）建议的刚度衡准，绑扎平台（第二层平台）的平均横向位移许用变形量为10 mm。在3 个绑扎工况下，合成应力与剪切应力的最大值均发生在剪力板处，计算结果见表3，应力云图见图6～8，变形见图 9～11。

图9 绑扎工况1 变形

表3 绑扎工况计算结果

图6 绑扎工况1 舷侧和克令吊筒体处剪力板合成应力云图

图7 绑扎工况2 舷侧和克令吊筒体处剪力板合成应力云图

图8 绑扎工况3 舷侧和克令吊筒体处剪力板合成应力云图

图10 绑扎工况2 变形

图11 绑扎工况3 变形

由上述计算结果可知，在3 个绑扎工况下的应力和绑扎平台横向平均变形均满足英国劳氏船级社（LR）规范的要求。克令吊筒体周围的应力和变形远小于舷侧绑扎桥区域，克令吊筒体代替中间位置的剪力板效果良好。

2.3.2 克令吊作业工况分析结果

按照散货船和油船结构共同规范（CSR）的应力衡准要求，许用合成应力和剪切应力分别为0.67 倍和0.39 倍的材料最小屈服应力。新型整合绑扎桥和克令吊筒体结构选用的材料均为等级为H36 的高强度钢，最小屈服强度为355 N/mm2，则许用合成应力为238 N/mm2，许用剪切应力为138 N/mm2。克令吊作业工况下的计算结果见表4，应力云图见图12～14。