非規(guī)則重大件焊接系固方法

鄭元洲， 甘浪雄， 徐雙喜， 張 磊

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院, 武漢 430063； 2.寧波東紅船舶海洋工程設(shè)計(jì)股份有限公司， 浙江 寧波 315040； 3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 武漢 430063； 4.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

非規(guī)則重大件焊接系固方法

鄭元洲1,4， 甘浪雄1,4， 徐雙喜2,3， 張 磊1,4

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院, 武漢 430063； 2.寧波東紅船舶海洋工程設(shè)計(jì)股份有限公司， 浙江 寧波 315040； 3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 武漢 430063； 4.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

參考《海上拖航指南》計(jì)算分段受到的外力，依據(jù)焊縫軸慣性矩剪切強(qiáng)度理論推導(dǎo)出焊接結(jié)構(gòu)件所能提供的最大水平系固力和最大垂向系固力，并對分段橫向滑動(dòng)平衡、縱向滑動(dòng)平衡和橫向翻轉(zhuǎn)平衡進(jìn)行計(jì)算，確定系固結(jié)構(gòu)件的數(shù)量和布置位置。該焊接系固方法可為非規(guī)則重大件的系固提供借鑒。

水路運(yùn)輸；重大件；慣性力；系固力矩；焊縫強(qiáng)度

重大件貨物多屬于非標(biāo)準(zhǔn)貨，載運(yùn)時(shí)需采用獨(dú)特的系固方案，并需保證系固裝置的有效性,如果系固不當(dāng)，在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中極易造成貨物滑移、傾倒，進(jìn)而釀成重大事故。[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，重大件貨物專用船舶發(fā)生事故多是由貨物系固不牢引起的。[2]因此，對重大件貨物進(jìn)行可靠系固尤為重要。

當(dāng)前的重大件系固工程中，多采用制作結(jié)構(gòu)件的積固方式，并焊接在甲板上，以防止貨物滑移和傾覆。這種剛性系固方式與柔性系固方式相比，優(yōu)點(diǎn)是安裝操作方便、強(qiáng)度好且適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是裝、拆需要專用設(shè)備。[3]

對于焊接結(jié)構(gòu)件剛性系固的設(shè)計(jì)和校核，《海上拖航指南》[4](以下簡稱《指南》)和《貨物系固手冊編制指南》[5]以及《貨物積載與系固安全實(shí)用規(guī)則》[6]只給出了焊接結(jié)構(gòu)件的屈服應(yīng)力的安全系數(shù)[4-5]，并未明確給出具體的系固方式和計(jì)算方法，致使技術(shù)人員布置焊接結(jié)構(gòu)件及評(píng)估系固有效性時(shí)感到無所適從。

船舶分段是重大件貨的典型代表之一，依擱置面的形狀可分為兩類：非規(guī)則的分段，如首部分段、尾部分段；規(guī)則分段，如舷側(cè)分段、雙層底分段、上建分段。本文以某駁船載運(yùn)船舶非規(guī)則分段的結(jié)構(gòu)件焊接系固為研究對象,針對非規(guī)則的船舶分段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件焊接系固方案，并提出對結(jié)構(gòu)件焊接系固有效性進(jìn)行評(píng)估的方法,可為非規(guī)則重大件貨的結(jié)構(gòu)件焊接系固提供借鑒。

1 非規(guī)則分段焊接系固方式

在裝載船舶分段前，需認(rèn)真統(tǒng)計(jì)每個(gè)分段的重量、重心位置、外型尺寸和擱置面的形狀。根據(jù)各分段的尺寸、重量，結(jié)合駁船載貨甲板尺寸制作分段裝載布置圖,并進(jìn)一步確定分段的焊接系固方式。

選用駁船主尺度：船長90 m，船寬32 m，型深2.2 m。圖1是該駁船某航次的裝載分段布置圖。圖上為分段的重心，旁邊數(shù)字為其重心高度;為整船的重心，旁邊數(shù)字為整船重心高度。表1給出了每個(gè)分段的尺寸和重量;本航次航區(qū)為無限航區(qū)。

圖1 分段裝載布置圖

表1 分段參數(shù)表

非規(guī)則分段由于擱置面有曲度，不能直接放在甲板上，需在四周加焊撐桿以達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)支撐點(diǎn)較低時(shí)，可利用單撐桿；當(dāng)支撐點(diǎn)較高時(shí)，可利用人字形撐桿。撐桿是非規(guī)則分段的系固結(jié)構(gòu)件，為了使分段較好地受力，在曲面上加焊墊板；撐桿一端焊接在墊板上，另一端焊在甲板上,可同時(shí)限制分段水平移動(dòng)和垂向移動(dòng)。

2 受力計(jì)算

2.1分段所受外力計(jì)算

作用在分段上的外力，根據(jù)產(chǎn)生原因不同分為慣性力、風(fēng)壓力和飛濺力。[6]這些外力按船用坐標(biāo)系又可分解為橫向力、縱向力和垂向力。

船載重大件慣性力計(jì)算方法主要有經(jīng)驗(yàn)法和理論法。經(jīng)驗(yàn)法以國際海事組織《貨物積載與系固安全實(shí)用規(guī)則》和中國船級(jí)社《貨物系固手冊編制指南》為代表；理論法以中國船級(jí)社《指南》及國外一些主要海事檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的規(guī)范[7-8]為代表。

理論公式可計(jì)算各種狀況下重大件的慣性力，考慮了橫搖、縱搖和垂蕩周期;根據(jù)航行海域確定半波高;根據(jù)最大橫傾角和縱傾角計(jì)算相應(yīng)的加速度值。[9]相比經(jīng)驗(yàn)公式,其更能反映駁船遭受的真實(shí)海況，計(jì)算出的慣性力更符合實(shí)際。因此，參考《指南》附錄1提供的公式計(jì)算作用在船舶分段上的外力。

2.1.1慣性力

作用在重大件上的慣性力有橫向慣性力Fya、縱向慣性力Fxa和垂向慣性力Fza。各慣性力的計(jì)算為

Fya=may

(1)

(2)

Fxa=max

(3)

(4)

Fza=maz

(5)

az=g-a

(6)

2.1.2風(fēng)壓力

風(fēng)壓力由風(fēng)壓和作用面積決定,即

F(yq,xq)=S(yq,xq)Pq

(7)

式(7)中：Fyq,Fxq分別為橫向和縱向風(fēng)壓力，kN；Syq,Sxq分別為船舶分段的橫向和縱向投影面積，m2；Pq為風(fēng)壓強(qiáng)，無限航區(qū)取1 kN/m2。

2.1.3飛濺力

求海水飛濺沖擊力時(shí),僅計(jì)算距干舷甲板以上2.0 m以內(nèi)的分段投影面積，即

F(yw,xw)=S(yw,xw)Pw

(8)

式(8)中:F(yw,xw)為橫向和縱向海水飛濺力，kN;S(yw,xw)為距干舷甲板以上2.0 m范圍內(nèi)分段的橫向和縱向投影面積，m2；Pw為海水飛濺沖擊壓強(qiáng)，無限航區(qū)取1 kN/m2。

2.1.4合作用力計(jì)算

橫向合作用力包括橫向慣性力、風(fēng)壓力、飛濺力;縱向合作用力包括縱向慣性力、風(fēng)壓力、飛濺力;垂向合作用力只含垂向慣性力。

總作用力計(jì)算公式為

Fy=Fya+Fq+Fw

(9)

圖3給出了分段HN1881所受的各分項(xiàng)作用力和合作用力。

圖3 分段受作用力圖

2.2結(jié)構(gòu)件系固力計(jì)算

2.2.1水平系固力計(jì)算

結(jié)構(gòu)件限制分段水平移動(dòng)時(shí)，提供的最大水平系固力為P;同時(shí)，結(jié)構(gòu)件也受到分段施加的相等的反作力。在結(jié)構(gòu)件與甲板的焊縫中,產(chǎn)生由彎曲力矩M=PL引起的剪應(yīng)力τM和由剪力Q=P引起的剪應(yīng)力τQ。

根據(jù)焊縫軸慣性矩剪切強(qiáng)度理論[10]，有

(12)

(13)

(14)

由式(12)～式(14)得

(15)

式(12)～式(15)中：Ix為焊縫截面慣性矩，中和軸垂直于橫向力方向，mm4；ymax為焊縫距中和軸最大距離，m；l為單條焊縫計(jì)算長度，取每條焊縫的實(shí)際長度減去10 mm[10]，mm；K為焊角的尺寸，取板厚，mm；τ′為焊縫的剪切應(yīng)力，取τ′=[τf]，MPa。

2.2.2垂向系固力計(jì)算

垂直焊接在甲板上的系固件可提供防止大件發(fā)生翻轉(zhuǎn)的垂向系固力。

最大垂向系固力為Fb，垂向拉力F=Fb，依據(jù)焊縫拉壓強(qiáng)度理論[10]，有

(16)

則Fb=0.7σ′K∑l

(17)

式(16)～式(17)中：σ′為焊縫的拉應(yīng)力，取σ′=[σf]，MPa。

2.2.3結(jié)構(gòu)件系固力計(jì)算

運(yùn)用自制工鋼進(jìn)行焊接系固時(shí)，為發(fā)揮工鋼的最大系固能力，應(yīng)使其焊縫截面慣性矩在受力方向上最大。因此，焊接時(shí)應(yīng)將工鋼腹板與受力方向一致(見圖1)。

考慮工鋼與甲板焊接施工的操作空間要求，垂直角焊縫布置在容易施焊的位置，自制工鋼的焊縫布置見圖4。焊接中，要求焊角尺寸與板厚一致，即K=10 mm。

(a) 現(xiàn)場焊接圖

(b) 現(xiàn)場焊接圖

結(jié)構(gòu)件(母材)的材料為Q235，使用E43系列焊條時(shí)，焊縫的許用應(yīng)力見表2。

表2 焊縫許用應(yīng)力表

對系固分段HN1925的結(jié)構(gòu)件提供的系固力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。

表3 構(gòu)建受力計(jì)算表

3 系固安全校核

航行時(shí)需防止分段發(fā)生橫向滑動(dòng)、縱向滑動(dòng)和橫向翻轉(zhuǎn)。依據(jù)力和力矩的平衡準(zhǔn)則，分別計(jì)算平衡橫向滑動(dòng)、縱向滑動(dòng)所需的最少系固結(jié)構(gòu)件數(shù)，同時(shí)，對這些結(jié)構(gòu)件系固狀態(tài)下的橫向翻轉(zhuǎn)進(jìn)行校核。

假定與橫向力方向垂直的兩邊工鋼提供橫向系固的力;與縱向力方向垂直的兩邊工鋼提供縱向系固的力(見圖5)。

圖5 作用力方向示意圖

3.1橫向滑動(dòng)平衡

橫向滑動(dòng)平衡應(yīng)滿足

Fx≤μ·Fz+nxPx

(18)

得

(19)

式(18)～式(19)中：μ為摩擦系數(shù)，鋼與木板之間取0.3；nx為提供橫向力結(jié)構(gòu)件數(shù)量，根。

代入分段HN1925的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出nx≥11，取nx=12，對稱布置在分段沿船長方向的邊部。

3.2縱向滑動(dòng)平衡

縱向滑動(dòng)平衡應(yīng)滿足

Fy≤μ·Fz+nyPy

(20)

得

(21)

式(20)～式(21)中：ny為提供縱向力結(jié)構(gòu)件數(shù)量，根。

代入分段HN1925的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出ny≥1，取ny=2，對稱布置在分段沿船寬方向邊部的中間。

3.3橫向翻轉(zhuǎn)平衡

橫向翻轉(zhuǎn)平衡應(yīng)滿足

(22)

式(22)中：z為分段重心距轉(zhuǎn)動(dòng)軸的高度，m；b為分段重心距轉(zhuǎn)動(dòng)軸的水平距離，m；di為提供垂向力的結(jié)構(gòu)件距轉(zhuǎn)動(dòng)軸的水平距離，m。

在橫向滑動(dòng)平衡和縱向滑動(dòng)平衡中，初步確定nx=12,ny=2，在該值基礎(chǔ)上對橫向翻轉(zhuǎn)平衡進(jìn)行校核。如橫向翻轉(zhuǎn)平衡，則nx和ny的取值不變；反之，加大nx和ny。

對分段HN1925繞背風(fēng)面工鋼形成的縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的彎矩進(jìn)行計(jì)算：

Fy·z=7 812 kN·m

通過計(jì)算、比較可知，當(dāng)橫向系固件nx=12、縱向系固件ny=2時(shí)，滿足橫向翻轉(zhuǎn)平衡要求。

4 結(jié) 語

以非規(guī)則船舶分段的結(jié)構(gòu)件焊接系固為研究對象，對結(jié)構(gòu)件的系固方式和焊接系固的有效性進(jìn)行計(jì)算。通過分析得到以下結(jié)論：

1.非規(guī)則重大件可采用圖1所示的系固方式，即焊接在甲板上的垂直結(jié)構(gòu)件提供水平系固力，頂端的水平板條提供垂向系固力。

2.在慣性力計(jì)算時(shí)，建議拖帶駁船的最大橫搖角取20°，最大縱搖角取7.5°。

3.依據(jù)焊縫軸慣性矩剪切強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出了焊接結(jié)構(gòu)件所能提供的最大水平系固力和最大垂向系固力。

4.給出了確定系固件數(shù)量和布置位置的計(jì)算方法。先對橫向滑動(dòng)平衡、縱向滑動(dòng)平衡進(jìn)行計(jì)算，初步確定系固件數(shù)量;再對橫向翻轉(zhuǎn)進(jìn)行校核;最終確定系固件數(shù)量。

[1] 徐邦禎, 杜嘉立, 田佰軍. 非標(biāo)準(zhǔn)貨物系固效果的評(píng)價(jià)方法[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2002，28(1)：42-44.

[2] 楊守威. 裝載重大件貨物系固方式研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[3] 汪有軍.重大件貨物海上運(yùn)輸剛性系固校核方法探討[C].上海：上海打撈局，2009.

[4] 中國船級(jí)社, 海上拖航指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[5] 中國船級(jí)社, 貨物系固手冊編制指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 1999.

[6] 國際海事組織. 貨物積載與系固安全實(shí)用規(guī)則[M].倫敦, 2003.

[7] Noble Denton International Ltd. General Guidelines for Marine Transport at Ions No.0030/NDI[M]. Noble Denton International Ltd, Marine and Engineering Consularits and Surveyors, 2005.

[8] London Offshore Consultants. Guidelines for Marine Operations Barge Transportation[M]. Noble Deton International Ltd, London Offshore Consultants, 2007.

[9] 呂瑤,夏斌,張怡. 大件貨物海上運(yùn)輸?shù)膽T性力研究[J].中國航海, 2011,34(2)：57-62.

[10] 中國工程機(jī)械學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

更正說明

2014年第1期《北極航道開通對我國航運(yùn)業(yè)發(fā)展的影響》一文中，第142頁右欄的3～6行內(nèi)容應(yīng)該為：其中，“中國-北美西海岸”航線從我國的沿海各港出發(fā)，偏南的經(jīng)大隅海峽出東海后進(jìn)入太平洋，最終到達(dá)美洲西海岸港口；偏北的經(jīng)對馬海峽穿日本海后，或經(jīng)津輕海峽進(jìn)入太平洋后到達(dá)美洲西海岸港口，或經(jīng)宗谷海峽穿過鄂霍茨克海進(jìn)入北太平洋后到達(dá)美洲西海岸港口。圖3“北極航道與傳統(tǒng)航道距離對比”中“跨大平洋”應(yīng)該為“跨太平洋”。

《中國航?！肪庉嫴?/p>

SecuringMethodofIrregularHeavy-BigPieces

ZHENGYuanzhou1,4,GANLangxiong1,4，XUShuangxi2,3，ZHANGLei1,4
(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Ningbo Donghong Ship amp;Ocean Engineering Design Co. Ltd., Ningbo 315040, China; 3. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 4. Hubei Key Laboratory of Inland Navigation Technology, Wuhan 430063, China)

The external force on the ship segment is calculated according to quot;Maritime Towage Guidequot;. The maximum horizontal and vertical securing forces that welds of securing structure are able to provide are calculated through shear strength calculation of welds according to the shear strength theory. With these data the securing arrangement is determined after verifying the transverse sliding balance, longitudinal sliding balance and transverse flipping balance. The design method of welding securing arrangement is applicable for heave-big piece transport by sea in general.

waterway transportation; heavy-big piece; inertia force; securing moment; weld strength

2014-02-16

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A1420080184)；國家自然科學(xué)基金(51309186)

鄭元洲(1979-)，男，湖北監(jiān)利人，船長，講師，博士，從事水路交通安全教學(xué)和研究。E-mail: zhengyuanzhou0909@163.com.甘浪雄(1969-)，男，湖北崇陽人，副教授，博士，主要從事水上交通安全教學(xué)與研究工作。E-mail:glx701227@163.com.

1000-4653(2014)01-0058-04

U695.2+6

A