集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范對(duì)比分析

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

大型集裝箱船通常有占全船總量50%以上的集裝箱布置于甲板上[1]。為增強(qiáng)甲板上集裝箱的裝載能力，一般在艙口圍上布置綁扎橋以提高綁扎點(diǎn)高度，從而提升堆重指標(biāo)。隨著船型的大型化，采用高層綁扎橋成為大型集裝箱船設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。萬(wàn)箱級(jí)以上集裝箱船普遍配置3層箱高的綁扎橋，部分20 000 TEU級(jí)別的集裝箱船甚至采用4層箱高的綁扎橋。綁扎橋設(shè)計(jì)是大型集裝箱船的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)之一，不僅關(guān)系到甲板上集裝箱的系固，同時(shí)也影響到整船的總體性能[2-3]。綁扎橋是由立柱和薄板組成的框架型結(jié)構(gòu)，需要同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度方面的要求。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力工況多，一般需要通過(guò)有限元計(jì)算來(lái)進(jìn)行綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算評(píng)估。近年來(lái)，主要船級(jí)社陸續(xù)推出關(guān)于綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的相關(guān)規(guī)范，對(duì)于綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度做出明確的要求。但不同船級(jí)社規(guī)范的要求存在差異。為此，考慮以某14 500 TEU集裝箱船為研究對(duì)象，主要針對(duì)DNV GL[4-6]、LR[7]、BV[8]、CCS[9]等主要船級(jí)社的綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估不同規(guī)范對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

1 目標(biāo)綁扎橋介紹

14 500 TEU集裝箱船所采用的綁扎橋?yàn)榈湫偷姆焦芗袅κ浇壴鷺?，選取貨艙區(qū)域NO.17典型綁扎橋作為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。

圖1 目標(biāo)綁扎橋結(jié)構(gòu)示意

該綁扎橋按GL 2013版規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，其高度以高箱高度為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，總高9.6 m，共設(shè)置4層平臺(tái)，滿足20列集裝箱的綁扎需求。綁扎橋結(jié)構(gòu)主要由立柱和剪力墻組成，共設(shè)置5片剪力墻，其中4片集中對(duì)稱布置，剩余1片布置于中間位置，剪力墻中設(shè)置減輕孔，既可以減輕結(jié)構(gòu)重量,也有利于觀察集裝箱綁扎操作。綁扎眼板分布于第三、四層平臺(tái)，除左右舷舷側(cè)最外列之外其余集裝箱均采用外綁形式，同時(shí)在左右舷最舷側(cè)立柱上設(shè)置風(fēng)綁眼板。

2 有限元模型要求對(duì)比

CCS規(guī)范要求有限元模型只需包含甲板或艙口蓋以上的綁扎橋結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸一般為100 mm×100 mm，同時(shí)避免在高應(yīng)力區(qū)域采用三角形單元，在加載邊界條件時(shí)需約束綁扎橋與甲板或艙口蓋連接處的3個(gè)平動(dòng)自由度，見(jiàn)圖2。

圖2 CCS規(guī)范要求的有限元模型和邊界條件

LR規(guī)范則要求有限元模型除包含綁扎橋結(jié)構(gòu)之外還附帶部分船體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸為20t×20t(t為板厚)或150 mm×150 mm，根據(jù)指南在邊界條件方面的要求需對(duì)部分船體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，見(jiàn)圖3。

圖3 LR規(guī)范要求的有限元模型和邊界條件

CCS規(guī)范和LR規(guī)范在模型范圍和邊界條件上存在一定的差異，LR規(guī)范考慮到船體對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)的影響。

DNV GL規(guī)范和BV規(guī)范未對(duì)模型做出明確的要求，但經(jīng)過(guò)咨詢審圖工程師，更傾向于采用LR規(guī)范所推薦的有限元模型。特別需要注意的是，BV規(guī)范要求按照扣除腐蝕余量之后的凈尺寸進(jìn)行計(jì)算分析。

3 載荷工況要求對(duì)比

3.1 設(shè)計(jì)載荷

理論上，綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算需要按照集裝箱系固手冊(cè)中可能出現(xiàn)的最大綁扎力進(jìn)行加載，但是在大部分情況下綁扎橋設(shè)計(jì)時(shí)系固手冊(cè)并沒(méi)有編制完成。因此,部分船級(jí)社規(guī)范允許按照綁扎桿的安全工作負(fù)荷(SWL)取一定的比例系數(shù)作為設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)不同規(guī)范要求，計(jì)算目標(biāo)綁扎橋的設(shè)計(jì)載荷，見(jiàn)表1。

表1 不同規(guī)范下目標(biāo)綁扎橋設(shè)計(jì)載荷對(duì)比

表1中除DNV GL是按照規(guī)范要求根據(jù)該船實(shí)際堆重所得到的最大綁扎力之外，其余船級(jí)社都是參考規(guī)范給出的SWL比例系數(shù)作為設(shè)計(jì)載荷。

由表1可知，不同船級(jí)社規(guī)范關(guān)于綁扎橋設(shè)計(jì)載荷的規(guī)定存在較大的差異，CCS、GL和BV的載荷相對(duì)較小，而LR和DNV GL則考慮了外綁狀態(tài)下不同高度綁扎桿的受力存在差異。目標(biāo)綁扎橋在設(shè)計(jì)時(shí)按照GL規(guī)范以61%SWL作為設(shè)計(jì)載荷，該值適用于內(nèi)綁狀態(tài)下的綁扎力分布，但是對(duì)于目前大型集裝箱船普遍采用的外綁形式則存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[10]。隨著GL規(guī)范被DNV GL規(guī)范所替代，在新的DNV GL規(guī)范中已經(jīng)將61%SWL的描述所剔除，并要求按照堆重計(jì)算出現(xiàn)的最大綁扎力進(jìn)行綁扎橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算。在今后綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建議在考慮規(guī)范要求和系固方式的前提下同步進(jìn)行堆重計(jì)算，將計(jì)算得到的最大綁扎力作為綁扎橋的設(shè)計(jì)載荷。

3.2 計(jì)算工況

關(guān)于綁扎橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算工況，各規(guī)范之間并無(wú)太大的差異。需要考慮綁扎力分別加載于綁扎橋艏部、艉部以及艏艉兩側(cè)同時(shí)加載的工況；同時(shí)，還需考慮不同尺寸集裝箱綁扎時(shí)，綁扎桿角度差異引起的綁扎力在各自由度上分量的差異，因此，需要考慮分別堆裝8 ft 6 in標(biāo)箱和9 ft 6 in高箱兩種計(jì)算工況；此外，對(duì)于與算例類似的橫向不對(duì)稱綁扎橋，還需考慮船舶不同橫搖方向時(shí)，不同位置綁扎眼板因受力不同所帶來(lái)的結(jié)果差異。

4 計(jì)算衡準(zhǔn)要求對(duì)比

綁扎橋結(jié)構(gòu)需要滿足所入級(jí)船級(jí)社規(guī)范在強(qiáng)度和剛度方面的要求，其中強(qiáng)度方面主要是控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力，防止應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；在剛度方面主要是控制橫向變形，避免綁扎橋結(jié)構(gòu)偏弱削減綁扎桿受力進(jìn)而影響堆重分布。

目前,我國(guó)輸電導(dǎo)線采用1999年頒布的GB 1179—1999《圓線同心絞架空導(dǎo)線》,該標(biāo)準(zhǔn)基本參照IEC相關(guān)架空線路導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)編制的,在導(dǎo)線設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)方面基本與國(guó)際接軌.導(dǎo)地線為四分裂鋼芯鋁絞線,其參數(shù)如表1所示,導(dǎo)線單元類型選用桿單元B31.

4.1 許用應(yīng)力

不同規(guī)范下綁扎橋結(jié)構(gòu)許用合成應(yīng)力與材料屈服應(yīng)力(ReH)的比值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 許用合成應(yīng)力與材料屈服應(yīng)力比值對(duì)比

由表2可知，各規(guī)范之間許用應(yīng)力衡準(zhǔn)雖然略有差別，但彼此之間的差別并不明顯。

由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，綁扎橋結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域通常采用精細(xì)網(wǎng)格才能有效地反映出綁扎橋的結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于此類精細(xì)網(wǎng)格，LR規(guī)范和BV規(guī)范中允許放寬許用應(yīng)力衡準(zhǔn)，如LR規(guī)范中對(duì)于精細(xì)網(wǎng)格的許用應(yīng)力值從0.9ReH提高至1.2ReH。

4.2 最大允許變形

綁扎橋最大橫向變形允許值見(jiàn)圖4。

圖4 各規(guī)范橫向最大允許變形值

由圖4可知，各規(guī)范關(guān)于綁扎橋橫向變形的要求差異并不明顯(考慮到LR規(guī)范中允許最大變形有20%的偏差)。如果在堆重計(jì)算時(shí)考慮綁扎橋的實(shí)際變形，關(guān)于綁扎橋的最大允許變形標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)放寬，BV已經(jīng)在其2018年10月最新版本的規(guī)范中去除了最大允許變形的要求[11]。

5 目標(biāo)綁扎橋計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)各規(guī)范的要求建立目標(biāo)綁扎橋有限元模型，確定設(shè)計(jì)載荷并進(jìn)行加載計(jì)算。

5.1 應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

考慮到不同規(guī)范之間關(guān)于設(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力衡準(zhǔn)均存在差異，因此對(duì)比最大相當(dāng)應(yīng)力與許用應(yīng)力衡準(zhǔn)的比值，見(jiàn)圖5。

圖5 各規(guī)范下綁扎橋最大相當(dāng)應(yīng)力與許用應(yīng)力比值對(duì)比

由圖5可知，在CCS、LR、DNV GL和BV規(guī)范要求下，最大相當(dāng)應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值均大于根據(jù)GL規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果。

分析產(chǎn)生此結(jié)果的原因，其中LR和DNV GL規(guī)范對(duì)于設(shè)計(jì)載荷的要求相較于GL規(guī)范大幅度提高，與外綁的受力趨勢(shì)相一致；BV規(guī)范相較于GL規(guī)范提高設(shè)計(jì)載荷的要求(從61%SWL提升至70%SWL)，同時(shí)要求模型按照結(jié)構(gòu)凈尺寸(結(jié)構(gòu)板厚需要扣除1 mm的腐蝕余量)進(jìn)行計(jì)算，在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力結(jié)果變大；CCS規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)載荷略小于GL規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)載荷，許用應(yīng)力衡準(zhǔn)也與GL規(guī)范基本一致，但是卻得到了更高的比值。

通過(guò)整理各工況下有限元模型的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，綁扎橋結(jié)構(gòu)主要高應(yīng)力區(qū)均集中在剪力墻兩側(cè)方管根部(見(jiàn)圖6)。由于該綁扎橋此前是按照GL規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，如果需要滿足其他船級(jí)社規(guī)范要求，則需要加強(qiáng)剪力墻兩側(cè)的方管以提升綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖6 綁扎橋結(jié)構(gòu)主要高應(yīng)力區(qū)域分布

5.2 變形結(jié)果對(duì)比

綁扎橋艏艉兩端同時(shí)綁扎時(shí)橫向變形最大，最大變形位置位于最上層平臺(tái)艏端眼板處。整理不同規(guī)范下綁扎橋艏端21根立方管上部眼板的最大位移，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 各規(guī)范下的艏部上端眼板橫向最大位移對(duì)比

LR、DNV GL、GL和BV規(guī)范對(duì)模型范圍和邊界條件的要求基本相同，差異主要在于設(shè)計(jì)載荷的區(qū)別，計(jì)算得到的綁扎橋變形與載荷的比例基本一致。其中LR和DNV GL規(guī)范下計(jì)算得到的綁扎橋結(jié)構(gòu)變形值超過(guò)35 mm的衡準(zhǔn)值，綁扎橋變形過(guò)大對(duì)于集裝箱堆重的具體影響需要做進(jìn)一步分析，如果確認(rèn)綁扎變形對(duì)于堆重計(jì)算結(jié)果影響較大，則需要對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以提升結(jié)構(gòu)剛度減小橫向變形。CCS規(guī)范由于計(jì)算模型和邊界條件的差異，其要求的設(shè)計(jì)載荷與GL規(guī)范的要求差別較小，但其計(jì)算得到的變形結(jié)果要明顯小于GL規(guī)范結(jié)果。

6 邊界條件的影響

CCS規(guī)范和GL規(guī)范關(guān)于綁扎橋設(shè)計(jì)載荷和許用應(yīng)力的衡準(zhǔn)要求基本一致，兩規(guī)范的主要區(qū)別在于有限元模型范圍和邊界條件的要求。因此，基于CCS規(guī)范和GL規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比邊界條件的影響。

由5.1可知，CCS規(guī)范模型計(jì)算應(yīng)力比GL規(guī)范模型結(jié)果大約26%；由5.2可知，CCS規(guī)范模型計(jì)算的變形比GL規(guī)范模型結(jié)果小10 mm。由于CCS模型直接約束了綁扎橋底部節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度，并沒(méi)有考慮到艙口圍對(duì)綁扎橋的實(shí)際支撐情況，在一定程度上人為增加了綁扎橋根部的剛度約束，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏大而橫向變形偏小。在進(jìn)行綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)包含部分船體結(jié)構(gòu)，反映船體結(jié)構(gòu)對(duì)綁扎橋的實(shí)際支撐剛度；同時(shí)，綁扎橋計(jì)算模型包含艙口圍結(jié)構(gòu)，有利于在進(jìn)行綁扎橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)一并校核艙口圍結(jié)構(gòu)內(nèi)綁扎橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)是否滿足要求。

7 結(jié)論

1)各規(guī)范在有限元模型、設(shè)計(jì)載荷和計(jì)算衡準(zhǔn)等方面要求存在一定的差異，特別是在設(shè)計(jì)載荷方面差異較大。在綁扎橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建議同步進(jìn)行綁扎橋堆重計(jì)算，將通過(guò)實(shí)際堆重計(jì)算得到最大的綁扎力作為綁扎橋的設(shè)計(jì)載荷。

2)LR、DNV GL、CCS和BV規(guī)范對(duì)綁扎橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求大于GL規(guī)范要求。對(duì)于此前按照GL規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的綁扎橋，如果需要滿足其他船級(jí)社規(guī)范要求，則需要采取局部加強(qiáng)措施。

3)有限元模型范圍和邊界條件對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果影響較大，在進(jìn)行綁扎橋結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)包含部分船體結(jié)構(gòu)，從而反映出船體結(jié)構(gòu)對(duì)綁扎橋的實(shí)際支撐剛度。