滿足油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的船底砰擊加強(qiáng)分析

張 帆李玉梅

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；2.江蘇東方重工有限公司 靖江214521）

0 引 言

當(dāng)船舶在航行過程遭遇惡劣海況時(shí)，由于較大的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，其船首底部可能會(huì)露出水面，當(dāng)它重新入水時(shí)，會(huì)與波浪發(fā)生嚴(yán)重撞擊，這種現(xiàn)象稱為船底砰擊。當(dāng)船首吃水較小時(shí)，船底前端結(jié)構(gòu)將受到較大的砰擊壓力。各船級社規(guī)范中都有關(guān)于船底砰擊加強(qiáng)的具體要求，但給出的公式、強(qiáng)度要求、吃水條件各不相同。

油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范［1］（以下簡稱CSR）對船底砰擊載荷的計(jì)算進(jìn)行重新規(guī)定并統(tǒng)一油船船底砰擊加強(qiáng)的計(jì)算公式、強(qiáng)度要求和吃水條件等。與原船級社規(guī)范相比，CSR對船底砰擊加強(qiáng)的要求更為嚴(yán)格。由此帶來的油船首段區(qū)域船底結(jié)構(gòu)重量增加較為明顯，因此有必要采用相應(yīng)措施加以控制。

本文從分析CSR規(guī)范條文入手，歸納總結(jié)其對船底砰擊加強(qiáng)的具體要求；對如何有效控制船底砰擊加強(qiáng)帶來的結(jié)構(gòu)重量增加進(jìn)行闡述；并以某Aframax油船為例，對兩種抵御船底砰擊壓力的加強(qiáng)方案進(jìn)行計(jì)算對比和優(yōu)劣分析。

1 CSR對油船底部砰擊結(jié)構(gòu)評估的具體要求及分析

1.1 底部砰擊載荷分析

CSR規(guī)定的油船底部砰擊載荷的計(jì)算方法適用于方形系數(shù)Cb≥0.7、及0.045L≥砰擊吃水≥0.01L的船舶。一般當(dāng)砰擊吃水＞0.045L時(shí)，船底前端不需要附加加強(qiáng)；當(dāng)砰擊吃水＜0.01L時(shí)，砰擊載荷的計(jì)算則需要特殊考慮。

船底砰擊載荷應(yīng)取以下值大者：

當(dāng)壓載艙為空艙時(shí)

當(dāng)壓載艙為滿艙時(shí)

上述兩式中：

g為重力加速度，9.81 m/s2；

fslm為縱向砰擊壓力分布因子（見圖1），且按下述方法取值：

fslm=0，在距首垂線0.5L處；

fslm=1，在距首垂線［0.175-0.5（Cbl-0.7）］L 處；

fslm=1，在距首垂線［0.1-0.5（Cbl-0.7）］L 處；

fslm=0.5，在首垂線及其之前處；

位于其間的值由線型插值得到。

圖1 縱向砰擊壓力分布因子

Cbl為方形系數(shù)，此處取值不小于0.7或不大于0.8；cslm-mt為當(dāng)壓載艙為空艙時(shí)的砰擊系數(shù)，

cslm-full為當(dāng)壓載艙為滿艙時(shí)的砰擊系數(shù)，

c1按以下方法取值：

c1=0，當(dāng) L≤180 m；

c1=-0.012 5（L-180）0.705，當(dāng) L＞180 m。

TFP-mt為首垂線處的設(shè)計(jì)砰擊壓載吃水（m），當(dāng)船底砰擊區(qū)域內(nèi)的壓載艙為空艙時(shí)；

TFP-full為首垂線處的設(shè)計(jì)砰擊壓載吃水（m），當(dāng)船底砰擊區(qū)域內(nèi)的壓載艙為滿艙時(shí)；

cav為動(dòng)載荷系數(shù)，取為1.25；

L為規(guī)范船長（m）；

zball為艙頂?shù)捷d荷點(diǎn)的垂直距離（m）。

通過對以上參數(shù)的分析，我們可以看到：

（1）fslm是唯一與載荷點(diǎn)縱向位置有關(guān)的參數(shù)。對于通常方形系數(shù)Cb＞0.8的油船來說，船底砰擊壓力在距首垂線0.125L～0.05L范圍內(nèi)達(dá)到最大。

（2）首垂線處的砰擊壓載吃水越小，則砰擊載荷越大。按照CSR要求，首垂線處的設(shè)計(jì)砰擊壓載吃水應(yīng)不大于裝載手冊中給出的所有航行工況下，底部砰擊區(qū)域內(nèi)的壓載艙分別為空艙或者為滿艙時(shí)首垂線處的最小吃水。CSR特別指出，上述的航行工況包含壓載水置換。通常，最小壓載吃水出現(xiàn)在壓載水置換工況，而原船級社規(guī)定的砰擊壓載吃水往往為重壓載或者普通壓載吃水。如DNV和ABS將其定義為重壓載吃水［2，3］，LR 和 BV 則定義為所有壓載和部分裝載工況的最小吃水［4，5］。一般認(rèn)為，壓載水置換不會(huì)在惡劣海況時(shí)進(jìn)行。顯然，在砰擊壓載吃水的確定上，CSR比原船級社的一般要求高。

（3）當(dāng)壓載艙為滿艙時(shí)，砰擊壓力的計(jì)算可扣除艙內(nèi)的壓力。因此，壓載艙為滿艙時(shí)的砰擊壓力通常比壓載艙為空艙時(shí)要小。

本文通過表1對某Aframax油船在不同縱向位置的船底砰擊壓力和普通舷外水壓力（不考慮砰擊）進(jìn)行了對比，其方形系數(shù)Cb＞0.8。

表1 某Aframax油船船底砰擊壓力和普通舷外水壓力對比表

從表1可以看出：

（1）船底前端結(jié)構(gòu)由于砰擊所受的壓力比普通舷外水壓力有顯著的增加；在砰擊最嚴(yán)重的距首垂線0.125L～0.05L范圍（Cb≥0.8），兩者相差最大達(dá)3倍之多。因此，由于底部砰擊引起的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)是顯著的。

（2）壓載艙為滿艙時(shí)，船底砰擊壓力較壓載艙為空艙時(shí)的數(shù)值有較明顯的減小。

1.2 對底部砰擊加強(qiáng)的要求及分析

1.2.1 適用條件和加強(qiáng)范圍

CSR規(guī)定，當(dāng)最小首吃水TFP-mt或TFP-full小于0.045L時(shí)，船底前端應(yīng)進(jìn)行附加加強(qiáng)以抵御船底砰擊壓力。

砰擊加強(qiáng)的范圍為首垂線向后至0.3L范圍內(nèi)的平底區(qū)域，以及從基線往上至500 mm高度范圍內(nèi)的板材與扶強(qiáng)材。如圖2所示。

圖2 底部砰擊加強(qiáng)范圍

船底砰擊加強(qiáng)區(qū)域以外的結(jié)構(gòu)尺度應(yīng)逐漸過渡，以保持縱向及橫向強(qiáng)度的連續(xù)性。

與原各個(gè)船級社相比，CSR對砰擊加強(qiáng)的適用范圍和加強(qiáng)范圍的要求最為嚴(yán)格。在適用條件下，ABS要求當(dāng)重壓載吃水小于0.04L時(shí)，應(yīng)對船底前端進(jìn)行附加加強(qiáng)；BV對加強(qiáng)條件的要求則是壓載或部分裝載工況下的最小吃水小于0.04L或8.6 m的小值；LR的要求與CSR相同。至于在加強(qiáng)范圍的規(guī)定上，對于通常方形系數(shù)Cb＞0.8的油船，LR和ABS要求的縱向范圍與CSR相同；BV要求的縱向范圍為距首垂線0.2L～0.05L。對垂向加強(qiáng)范圍的要求，一般原船級社要求均在距基線300 mm以下。

1.2.2 對外板及外板扶強(qiáng)材的要求

CSR針對底部砰擊壓力，給出了砰擊加強(qiáng)范圍內(nèi)外板及外板扶強(qiáng)材的構(gòu)件尺度要求。具體計(jì)算公式在此不作詳述，可查閱CSR SECTION 8/6.3相關(guān)內(nèi)容。

CSR要求底部砰擊加強(qiáng)范圍內(nèi)的船底縱骨通常應(yīng)連續(xù)，以確保其端部的固定性，或者通過設(shè)置滿足規(guī)范要求的端部肘板來實(shí)現(xiàn)其固定性要求。若在實(shí)際設(shè)計(jì)中以上要求無法得到滿足，CSR允許采用替代的端部固定形式，但縱骨的凈剖面模數(shù)應(yīng)相應(yīng)增加。CSR提供了剖面模數(shù)換算的方法。

CSR要求的外板縱骨剖面模數(shù)為塑性范圍的要求，而對縱骨腹板的剪切要求仍為彈性。通過實(shí)船計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CSR對外板扶強(qiáng)材的腹板剪切強(qiáng)度要求較為嚴(yán)格。隨著往首端砰擊壓力的明顯增大，選擇合適的腹板高度及厚度以滿足剪切要求，往往是確定外板扶強(qiáng)材尺度時(shí)首先要考慮的因素。

1.2.3 對主要支撐構(gòu)件（PSM）的要求

CSR在評估底部砰擊區(qū)域的主要支撐構(gòu)件（以下簡稱為PSM）時(shí)，定義了一個(gè)船體外板的理想砰擊載荷區(qū)域Aslm：

將砰擊壓力應(yīng)用于該理想?yún)^(qū)域，得到所謂的塊載荷Fslm：

式中：lslm為砰擊載荷區(qū)域沿跨距方向的長度（m）；

lslm=，但不大于有效剪切跨距；

bslm為PSM支撐的砰擊區(qū)域的寬度（m）；

bslm=，但不大于PSM的間距。

對于簡單布置的PSM，可以忽略板架的影響，對塊載荷Fslm進(jìn)行修正后，得到用于PSM剪切計(jì)算的剪力Qslm：

式中：fpt為塊載荷作用與單個(gè)PSM的比例修正因子，fpt=0.5（fslm3-2fslm2+2）；

fslm為塊載荷修正因子，fslm=0.5，但不大于1.0；

S為PSM的間距（m）；

fdist為最大剪力沿跨距方向的分布因子，見圖3。

圖3 fdist沿簡單PSM跨距的分布

對于復(fù)雜布置的PSM，剪力Qslm則要根據(jù)CSR規(guī)定的方法進(jìn)行直接計(jì)算得到。

根據(jù)CSR要求，PSM的腹板凈剪切面積在其跨距范圍內(nèi)的任一位置應(yīng)不小于

通過對以上計(jì)算過程的分析可知：

（1）在底部砰擊區(qū)域，用于計(jì)算的單個(gè)PSM所支撐的載荷面積一般由理想砰擊載荷區(qū)域Aslm確定，而非其他計(jì)算中通常用到的由PSM的跨距和間距所確定的載荷區(qū)域。通過對各型油船的實(shí)船計(jì)算發(fā)現(xiàn)，理想砰擊載荷區(qū)域通常都小于由PSM的跨距和間距所確定的載荷區(qū)域。因此，減小PSM的跨距或間距，對于底部砰擊區(qū)域PSM剪切強(qiáng)度的影響非常有限（除非減小的跨距或間距小于）；

（2）PSM上的開孔對剪切強(qiáng)度非常不利，尤其在跨距端點(diǎn)附近；

（3）采用高強(qiáng)度鋼，可以有效的提高PSM的剪切強(qiáng)度；

（4）根據(jù)fdist的分布，采用合理的腹板厚度變化有利于減輕結(jié)構(gòu)重量。另外在板厚變化處附近，選擇性地對縱骨穿越孔設(shè)置補(bǔ)板，可有效減小板厚要求。

另外需要注意的是，CSR對砰擊加強(qiáng)區(qū)域PSM的腹板有最小厚度的要求。

原各個(gè)船級社對砰擊區(qū)域PSM的要求可分為兩類：一類是對PSM的布置有要求，對PSM的構(gòu)件尺寸無要求。如LR、ABS、BV、CCS等均要求在砰擊區(qū)域內(nèi)每隔兩檔或三檔肋位設(shè)置雙層底實(shí)肋板，LR和CCS還要求每隔三檔或四檔縱骨間距設(shè)置旁桁材；另一類是對PSM的布置無要求，但對PSM的構(gòu)件尺寸有明確要求。如DNV要求在一個(gè)典型的底部區(qū)域內(nèi)，所有PSM端部的剪切面積總和不小于規(guī)范值。CSR對PSM的要求與原DNV類似，但從實(shí)船的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)來看，其對PSM的剪切面積要求比DNV更嚴(yán)格。

2 有效控制船底砰擊加強(qiáng)的措施

由上述分析可知，無論是在砰擊載荷、加強(qiáng)適用條件和范圍，還是構(gòu)件尺寸的計(jì)算上，CSR都比原船級社的要求更為嚴(yán)格。由此帶來的油船首段區(qū)域船底結(jié)構(gòu)重量增加較為明顯。通過前面對CSR規(guī)范條文的詳細(xì)分析，本文對有效控制船底砰擊加強(qiáng)的措施總結(jié)如下：

（1）在配載時(shí)，適當(dāng)控制壓載水置換工況中首垂線處吃水的最小值，有利于減小砰擊壓力；

（2）砰擊加強(qiáng)構(gòu)件盡量采用高強(qiáng)度鋼；

（3）通過加密雙層底實(shí)肋板或增大外板縱骨穿過強(qiáng)框處的肘板等手段，以減小外板縱骨的剪切跨距，從而有效減小外板縱骨的尺寸；

（4）盡可能減少雙層底實(shí)肋板上不必要的開孔；

（5）合理分布雙層底實(shí)肋板的板厚變化。在板厚變化處附近，選擇性的對縱骨穿越孔設(shè)置補(bǔ)板，可有效的減小板厚要求；

（6）壓載水處理裝置作為油船的標(biāo)準(zhǔn)配置已成為今后的發(fā)展趨勢，這將使在航行工況中避免出現(xiàn)壓載艙為空艙的壓載水置換工況。砰擊壓力將由壓載艙為滿艙時(shí)的壓力決定，有利于減小砰擊載荷。

3 某Aframax油船底部砰擊加強(qiáng)計(jì)算與分析

如前所述，部分原船級社對底部砰擊加強(qiáng)范圍內(nèi)的PSM要求加密設(shè)置。在CSR生效實(shí)施后，一部分油船沿用了這種結(jié)構(gòu)布置。由于雙層底實(shí)肋板加密，在很大程度上減小了船底縱骨構(gòu)件尺寸的增加。

本文以上述結(jié)構(gòu)布置為原型，確定如下的底部砰擊加強(qiáng)方案，即方案一,即在1/2強(qiáng)框處設(shè)置加密的實(shí)肋板，作為內(nèi)底縱骨和外底縱骨的支撐,不設(shè)置額外的旁桁材。

另一部分油船在底部砰擊加強(qiáng)區(qū)域仍然采用船中區(qū)域的結(jié)構(gòu)布置，只是通過增大構(gòu)件尺寸來滿足砰擊加強(qiáng)的要求，即方案二。

本文以某Aframax油船為例，對方案一和方案二在貨艙區(qū)內(nèi)的砰擊加強(qiáng)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。對方案一和方案二各項(xiàng)砰擊加強(qiáng)構(gòu)件的重量差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 方案一與方案二的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)重量差值單位：t

通過構(gòu)件尺寸的計(jì)算和表2的重量統(tǒng)計(jì)可知：

（1）方案一通過增設(shè)加密的雙層底實(shí)肋板，減小砰擊區(qū)域外板縱骨的跨距，從而有效控制了外板縱骨的尺寸。對比方案二，由這一項(xiàng)引起的結(jié)構(gòu)重量減小最為顯著，達(dá)到110 t左右。而方案一由于增設(shè)雙層底實(shí)肋板本身引起的結(jié)構(gòu)重量增加達(dá)到約133 t，該數(shù)值在很大程度上抵消了其他幾個(gè)因素造成的重量減輕。方案一比方案二總計(jì)減輕重量為約46 t；

（2）從施工工藝角度出發(fā)，方案一比方案二的焊接、裝配工作量明顯增加，施工復(fù)雜度增加。

對比方案二，方案一的結(jié)構(gòu)重量減小并不十分明顯，而施工的工作量和復(fù)雜度卻明顯增加。因此，本文認(rèn)為，綜合結(jié)構(gòu)重量和施工工藝考慮，方案二要優(yōu)于方案一。

另外，若將外板縱骨穿過強(qiáng)框處的肘板和背肘板適當(dāng)增大，以減小縱骨跨距，則外板縱骨的尺寸可明顯減小。本文選取了一定的肘板尺寸，將該措施應(yīng)用于方案二，得到的計(jì)算結(jié)果表明：位于貨艙前端砰擊區(qū)域內(nèi)的外板縱骨的重量可減小約33.8 t，增加的肘板重量約為10.4 t，合計(jì)可減輕重量23.4 t。因此，通過適當(dāng)增大強(qiáng)框處連接肘板的尺寸，可以有效減輕外板縱骨的結(jié)構(gòu)重量。

4 結(jié) 論

本文對滿足CSR的油船底部砰擊強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并以實(shí)船為例，對具體的底部砰擊加強(qiáng)方案進(jìn)行計(jì)算。通過上述分析和計(jì)算，可以看到：

（1）由底部砰擊壓力帶來的油船前端底部加強(qiáng)是顯著的；

（2）可以從配載、壓載水處理方式、構(gòu)件布置、材料選擇等多方面有效控制底部砰擊加強(qiáng)帶來的結(jié)構(gòu)重量增加；

（3）對砰擊加強(qiáng)方案的選擇應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)重量和施工工藝進(jìn)行考慮。本文對現(xiàn)有的兩種方案進(jìn)行了優(yōu)劣分析，對實(shí)船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義；

（4）可以預(yù)見，今后壓載水處理裝置成為油船的標(biāo)準(zhǔn)配置，將對控制船底砰擊加強(qiáng)十分有利。

［1］Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers［M］.July 2010.

［2］Lloyd’s Register Rules and Regulations［M］.July 2010.

［3］DNV，Rules for Classification of sShips［M］.July 2008.

［4］ABS，Rules for Building and Classing Steel Vessels［M］.2008.

［5］BV，Rules for the Classification of Steel Ships［M］.April 2009.

［6］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2009.