海运中驳船叠装运输的支撑结构设计与分析

卢金金，姚壮乐

（中远海运特种运输股份有限公司，广东 广州 510623）

船舶工业素有“综合工业之冠”的美誉，作为现代工业的集大成者，对交通运输、海洋开发、国防建设等都有着重大意义。截至2022 年，我国造船业三大指标已经连续13 年稳居世界第一[1]。外国船东在中国订造的各类船舶持续增长，驳船就是其中的一种。这使得驳船这一类重大件货物的海运出口成为国际航运市场上不可或缺的一部分。在同一航次内，能够安全地装运更多的驳船成为外国船东的核心需求，同时，这也对航运公司的承运船舶和货运技术能力提出了更高的要求。本文将从一个以驳船为运输对象的实际海运项目来研究基于多用途船舶的驳船叠装技术，主要内容是对支撑结构展开相应的设计与分析工作。

1 项目简介

1.1 运输船舶和航线介绍

（1）该项目由某型36000DWT 多用途船承运，如图1 所示，船舶主尺度信息如下表1 所示：

图1 某型36000DWT 多用途船

表1 船舶主尺度和载重量

（2）该项目从中国太仓港运到荷兰鹿特丹港，航程大概为10614 海里，按照12.5 节的平均航速，预计航行时间为36 天。航行路线如下图2 所示：

图2 航行路线

1.2 货物信息介绍

该项目的货物为3 艘驳船，主要信息如下表2 所示：

表2 驳船主尺度和重量信息

2 支撑结构设计

2.1 货物配载对支撑结构的尺寸要求

根据某型36000DWT 多用途船的主尺度以及运输能力，本文对3 艘驳船进行配载。通过表2 中的货物信息以及货物图纸，将三号驳船配载在多用途运输船甲板的左舷侧，将二号驳船配载在多用途运输船甲板的右舷侧，同时将一号驳船叠装在二号驳船上方。

（1）高度设计。下层二、三号驳船生活区的最高点到主甲板的高度是2.82 米，因此，在设计支撑结构的高度时，既要保证上层驳船不会碰到下层驳船的生活区，又要控制其高度在安全范围内的最低值。根据过往经验以及估算，设计支撑结构的高度为2.98 米。

（2）长度设计。下层驳船的横向强框架（web frame）的跨距是1476mm，上层驳船的横向强框架（web frame）的跨距是1755mm，跨距差值为279mm。为了能够直接将上层驳船的载荷有效的传递到下层驳船，本文取下层驳船的横向强框架（web frame）跨距作为支撑结构的宽度。同时，在配载时，尽可能保证上层驳船横向强框架（web frame）的一个完整跨距坐在支撑结构的上方，既保证上层驳船船底板的变形最小又满足载荷传递连续的要求。

（3）宽度设计。下层驳船的舷侧为双层壳结构，其船体外板与双层壳内板之间的距离为800mm。因此，支撑结构的宽度按照800mm 来设计。

3 艘驳船在多用途运输船上的整体配载方案如图3所示：

图3 配载方案

2.2 垂向外力对支撑结构数量的要求

根据IMO 的《Code of safe practice for cargo stowage and securing》(CSS Code)的计算方法[2]，本文将多用途运输船的主尺度信息、航速、驳船主尺度和重量信息等参数输入到计算表中，得出作用在驳船上的纵向、横向和垂向加速度，如表3 所示：

表3 作用在驳船上的纵向、横向和垂向加速度

进一步按照CSS Code 的计算方法，考虑风载荷、波浪载荷以及上层驳船的自重，对作用在支撑结构上的外力进行计算，得出纵向、横向和垂向外力，如表4所示：

表4 作用在支撑结构上的纵向、横向和垂向外力

由表4 可见，垂向外力是支撑结构设计的主要载荷。由于支撑结构需要焊在下层驳船的主甲板上，在综合考虑不超过下层驳船的支撑能力和保证支撑结构自身强度的情况下，根据以往项目方案和运输经验，考虑每个支撑结构按承受120t 垂向载荷进行设计。因此，初步评估需要使用18 个支撑结构。

2.3 纵向和横向外力对支撑结构肘板数量的要求

在配载方案中，支撑结构需要将上层的一号驳船受到的外力通过自身传递到下层的二号驳船。因此，需要在支撑结构的顶部设计一定数量的肘板来连接上层驳船和支撑结构的主体部分。

由表4 可见，横向外力约等于纵向外力的2 倍，因此横向肘板的数量也是纵向肘板的2 倍。基于以往项目方案，使用如图4 所示的肘板，可按传递15t 载荷来进行设计。

图4 肘板设计图

经过计算，肘板数量需求如表5 所示：

表5 肘板数量需求

由表5 可见，每一个支撑结构需要设计2 个纵向肘板和4 个横向肘板，就能够满足传递纵向和横向载荷的要求。支撑结构的设计图如图5 所示：

图5 支撑结构设计图

3 支撑结构有限元分析

在第二节，本文已经完成了对支撑结构的尺寸设计和数量分析、受力分析、肘板数量分析。在本节，将对支撑结构与下层驳船的局部船体结构进行有限元模型建模。选择局部船体结构的范围时，本文综合考虑了载荷传递和有限元模型计算效率。按照经验，在船长方向上选择前后相邻一个强框架的范围、在船宽方向上选择两个桁材间距的范围、在型深方向上选择两个骨材间距的范围纳入有限元模型[3]。同时，在分析过程中，反复迭代和优化支撑结构主体的减轻孔设计。

支撑结构在横向受力上具有不对称性，因此要分别考虑横向外力是来自右舷方向和左舷方向两种情况，并对该有限元模型在两种载荷组合下进行强度分析。载荷组合如表6 所示，有限元模型如图6 所示：

图6 有限元模型

表6 载荷组合

在有限元模型中，支撑结构的材料为：杨氏模量2.06x105Mpa，泊松比0.3，屈服强度为355Mpa，许用应力为284Mpa，许用剪切应力为188Mpa。校核结果如下表7～8 所示，应力云图如图7～10 所示。

图7 Von Mise Stress

表7 载荷组合1 的校核结果

表8 载荷组合2 的校核结果

（1）在载荷组合1 下，对有限元模型进行计算，应力分布如图7 和图8 所示：

图8 Max Shear Stress

在图7 中，最大合成应力为221.3Mpa，小于许用应力。在图8 中，最大剪切应力为108.0Mpa，小于许用剪切应力。

（2）在载荷组合2 下，对有限元模型进行计算，应力分布如图9 和图10 所示：

图9 Von Mise Stress

图10 Max Shear Stress

在图9 中，最大合成应力为184.0Mpa，小于许用应力。在图10 中，最大剪切应力为74.92Mpa，小于许用剪切应力。

因此，第二节中考虑的支墩设计方案，即使用18个支撑结构，同时一个支撑结构设计4 个横向肘板和2个纵向肘板，能够满足驳船运输中的结构强度要求。

4 支撑结构焊缝强度校核

在本节，将对支撑结构与下层的二号驳船的焊缝强度以及与上层的一号驳船的焊缝强度进行校核。支撑结构在上下层驳船之间的横剖面布置图如图11 所示：

图11 支撑结构在上下层驳船之间的横剖面布置图

根 据DNVGL-ST-001 的《Marine operations and marine warranty》的计算方法对角焊缝做强度校核[4]。在焊缝设计中，取焊缝的焊脚高度为0.8 倍的板厚，主要校核的是焊喉所在平面内的三向应力：焊喉面内平行于焊缝长度方向的切应力τ‖、焊喉面内垂直于焊缝长度方向的切应力τ、垂直于焊喉面的正应力σ，以及合成应力σc。三向应力的示意图，如下图12 所示：

图12 焊缝校核的三向应力示意图

（1）支撑结构与下层驳船的焊缝校核。焊缝示意图如图13 所示：

图13 支撑结构与下层驳船的焊缝示意图

在横向外力、纵向外力以及由这两个外力作用在焊缝上的力矩下，本文对整个焊缝截面进行计算，焊缝强度校核结果如下表9 所示：

表9 支撑结构与下层驳船的焊缝校核

由表9 可见，各项校核结果均小于许用值，符合规范要求。

（2）支撑结构的肘板与上层驳船的焊缝校核。焊缝示意图如图14 所示：

图14 支撑结构与上层的一号驳船的焊缝示意图

在横向外力和纵向外力的作用下，本文对整个焊缝截面进行计算，焊缝强度校核结果如下表10 所示：

表10 支撑结构的肘板与上层驳船的焊缝校核

由表10 可见，各项校核结果均小于许用值，符合规范要求。

5 结语

重大件海运项目在特种船运输领域占据着重要地位。驳船作为具有超重、超长、超宽、超大等特征的海运货物，对其运输方案进行全面、详细、经济、安全的设计显得十分必要。本文从“驳船叠装技术”切入，对支撑结构与驳船之间的相互作用进行了分析，主要包括支撑结构的详细设计、支撑结构与局部船体结构的有限元分析、支撑结构与上下层驳船之间的焊缝强度校核。本文的研究内容将为同类货物的海运项目提供一个支撑结构的设计思路和分析方法。