重大件落支墩拖航運(yùn)輸系固分析及應(yīng)用

黃雨促，田佰軍2，李興舉，楊棟

(1.中國(guó)外運(yùn)大件物流有限公司,上海 201204；2.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院,遼寧 大連 116026)

滾卸已成為當(dāng)今重大件貨物卸船的主流方式之一，由于重大件滾卸時(shí)需要讓車輛鉆到底部進(jìn)行頂升，因此，在運(yùn)輸時(shí)貨物通常需要落到一定高度的支墩上為滾卸時(shí)車輛的進(jìn)入留出足夠空間，見(jiàn)圖1。

圖1 重大件落支墩示意

某些項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)碼頭條件不足，無(wú)法直接靠泊重吊船，需要重吊船先靠港或者在錨地拋錨，將重大件貨物吊卸至駁船，再由駁船將貨物沿航道進(jìn)一步運(yùn)抵條件較差的現(xiàn)場(chǎng)碼頭進(jìn)行滾卸。

駁船分為自航駁船和非自航駁船，由于重大件貨物的倒運(yùn)屬于短距離港內(nèi)運(yùn)輸，海況平穩(wěn)，采用非自航駁船的拖航運(yùn)輸即可滿足運(yùn)輸要求，且非自航駁船的租賃費(fèi)用通常遠(yuǎn)低于自航駁船，經(jīng)濟(jì)效益較好，故非自航駁船的拖航運(yùn)輸比較適合于重大件貨物的倒運(yùn)[1]?；谶@種情況，重大件采用落支墩的方式進(jìn)行短距離拖航運(yùn)輸，由于貨物底部用支墩進(jìn)行支撐，提高了貨物的重心高度，且貨物與支墩不是一個(gè)整體，運(yùn)輸過(guò)程中兩者有可能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，增大了重大件的系固難度，稍有不慎就有可能導(dǎo)致貨物從支墩上落下，造成貨損船毀的局面。

1 外力

由于重大件貨物的倒運(yùn)屬于短距離港內(nèi)拖航運(yùn)輸，一般情況下風(fēng)浪不大，且貨物落在支墩上，幾乎不受海水飛濺的影響，因此，在拖航運(yùn)輸過(guò)程中波濺力可以忽略不計(jì)，作用在貨物上的外力還有慣性力和風(fēng)壓力。

1.1 橫向作用力

貨物受到的橫向合外力Fy為[2]

Fy=MAy+Fqy

(1)

式中：M為貨物重量，t；Fqy為橫向風(fēng)作用力，根據(jù)貨物側(cè)向投影面積，取0.70 kN/m2；Ay為橫向加速度，m/s2，按下式計(jì)算。

(2)

式中：rφ為貨物質(zhì)量中心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離，m，見(jiàn)圖2；β為夾角，見(jiàn)圖2；φ0為最大橫搖角，通常按15°計(jì)算；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Tφ為橫搖周期，s，按下式計(jì)算。

(3)

(4)

圖2 駁船橫剖面

1.2 縱向作用力

貨物受到的縱向合外力Fx為

Fx=MAx+Fqx

(5)

式中：Ax為縱向加速度，m/s2；M為貨物質(zhì)量，t；Fqx為縱向風(fēng)作用力，根據(jù)貨物在船中橫剖面上的投影面積計(jì)算，其取值標(biāo)準(zhǔn)同式(1)，其中縱向加速度Ax為

(6)

式中：rψ為貨物質(zhì)量中心至水線處假定的旋轉(zhuǎn)中心的距離，m，見(jiàn)圖3；β為夾角，見(jiàn)圖3；ψ0為最大縱搖角，通常按5°計(jì)算；Tψ為縱搖周期，如無(wú)資料可按10 s計(jì)算；g為重力加速度。

圖3 駁船縱剖面

1.3 垂向作用力

作用在貨物上的垂向合外力Fz為

Fz=M(g-a)

(7)

式中：a為垂向加速度，a=3.75e-0.003L，但不大于3 m/s2，其中L為船長(zhǎng),m。

2 約束力

2.1 系固方式

針對(duì)重大件貨物落支墩后的系固，采用鋼絲繩或者鐵鏈等系固索具將重大件貨物系固于駁船的甲板上，同時(shí)在貨物底部的支墩周圍焊接止動(dòng)塊，防止在拖航運(yùn)輸途中支墩發(fā)生滑動(dòng)[3-5]，見(jiàn)圖4。

圖4 重大件系固示意

2.2 約束力計(jì)算

1)破斷強(qiáng)度(BS)。系固設(shè)備在拉伸試驗(yàn)中使其達(dá)到破斷狀態(tài)時(shí)的拉力，制造廠家應(yīng)提供系固設(shè)備的破斷強(qiáng)度資料。

2)最大系固負(fù)荷(MSL)。用以確定系固設(shè)備系固貨物時(shí)所允許的最大負(fù)荷能力。

MSL=δ×BS

(8)

式中：δ為各系固設(shè)備材料的系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 系固設(shè)備系數(shù)

多設(shè)備串聯(lián)使用時(shí)，MSL取其中的最小者。

3)計(jì)算強(qiáng)度(CS)?？紤]到貨物系固時(shí)可能存在受力不均勻、系固水平限制或其他因數(shù)，應(yīng)取適當(dāng)安全系數(shù)來(lái)折減最大系固負(fù)荷，折減后的MSL則稱為系固設(shè)備的計(jì)算強(qiáng)度，安全系數(shù)取1.35[6]。

表1中各系固設(shè)備的系數(shù)是IMO《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》基于10級(jí)風(fēng)以上的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸海況進(jìn)行折減所得，文中的重大件港內(nèi)倒運(yùn)一般海況較好，風(fēng)級(jí)為6級(jí)以下。因此，若采用《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》中表1的系數(shù)進(jìn)行系固力計(jì)算固然安全，但過(guò)于保守，勞動(dòng)強(qiáng)度大且不經(jīng)濟(jì)。由于鐵鏈、地令和卸扣等系固索具均為首次使用，且港內(nèi)海況平穩(wěn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，取CS=MSL=BS×0.9。

重大件貨物橫向滑動(dòng)和縱向滑動(dòng)約束力為

(9)

式中：u為貨件底部與甲板之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)兩者之間的材料來(lái)取值；g為重力加速度；CSi、CSj為橫向和縱向上每根系索的計(jì)算強(qiáng)度；fi、fj為橫向和縱向上每根系索的計(jì)算系數(shù)，fi=cosαcosβ+μsinα，fj=cosαsinβ+μsinα。

作用于貨件上的橫向約束力矩與傾覆力矩方向相反，由貨物自身具有的重量約束力矩和系索提供的約束力矩兩部分組成。約束力矩為

[My]=mgb′+∑CSi·li

(10)

式中：b′為貨物質(zhì)心至橫向翻到軸的水平距離，m，對(duì)于重量橫向?qū)ΨQ的貨件，可取其底部寬度的1/2；當(dāng)貨物橫向不對(duì)稱時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算；li為橫向翻到軸至各系索的垂直距離，m，也就是系索的系固力臂。

l=hccosα+bsinα

(11)

式中：hc為系固點(diǎn)距貨件底部高度，m；b為貨物寬度，m。

在重大件貨物系固中，止動(dòng)塊通常采用等邊直角焊的方式進(jìn)行焊接，見(jiàn)圖5。l為焊縫長(zhǎng)度，mm，h為焊縫高度，mm，單個(gè)止動(dòng)塊的約束力如下。

(12)

式中：σ為止動(dòng)塊材料的屈服強(qiáng)度，取235 MPa；δ為安全系數(shù)。

圖5 直角焊示意

2.3 約束力設(shè)計(jì)原則

防止重大件貨物發(fā)生滑動(dòng)的約束力分為3部分：①由重大件與墊料之間產(chǎn)生的摩擦力所提供;②由鋼絲繩等系固索具提供；③由焊接在支墩周圍的止動(dòng)塊對(duì)支墩產(chǎn)生的約束力提供。重大件貨物的約束力矩由自身的質(zhì)量矩和系固索具產(chǎn)生的約束力矩一起提供。約束力的設(shè)計(jì)原則如下。

貨物任一側(cè)(左舷或右舷)的系固設(shè)備的MSL之和應(yīng)大于等于該貨物的重量，并在貨物支墩周圍適當(dāng)焊接止動(dòng)塊防止支墩滑動(dòng)。

約束力表示如下。

(13)

式中：Ff為重大件貨物與墊料產(chǎn)生的摩擦力；Fy為重大件貨物橫向合外力；Fx為重大件貨物縱向合外力；Fy1為系固索具的橫向約束力；Fy2為止動(dòng)塊的橫向約束力；Fx1為系固索具的縱向設(shè)計(jì)約束力。

2.4 系固方案校核標(biāo)準(zhǔn)

重大件貨物的系固方案需要進(jìn)行校核，各項(xiàng)均須滿足要求。系固方案的校核標(biāo)準(zhǔn)如下[8]。

(14)

式中：Fy、Fx分別為橫向、縱向合外力；[Fy1]、[Fy2]分別為左、右側(cè)橫向約束力；[Fx1]、[Fx2]分別為前、后側(cè)縱向約束力；My為橫向合外力矩；[My]為橫向約束力矩。

3 案例分析

某罐體重大件貨物R內(nèi)徑5.4 m，長(zhǎng)28.4 m，重500 t，底部鞍座寬度8.5 m，系固點(diǎn)距離甲板7.1 m，支墩高度1.5 m，左右對(duì)稱積載于駁船船中，貨物重心距船艏42.65 m，距船舷12.2 m，見(jiàn)圖6?，F(xiàn)將該貨物通過(guò)駁船從A港拖航至B碼頭滾卸，駁船型長(zhǎng)85.3 m，型寬24.4 m，型深4.88 m，拖航時(shí)的平均吃水為1.8 m。

圖6 貨物R在駁船上的積載

1)系固材料。破斷強(qiáng)度BS=200 kN的新鐵鏈、尺寸為25 cm×25 cm×40 cm的H型鋼、破斷強(qiáng)度BS=360 kN的新地令。

2)系固方案。貨物R左右兩側(cè)各拉28道鐵鏈，垂向系固角為45°，橫向系固角為0°；每個(gè)支墩左右各雙面燒焊1個(gè)H型鋼，貨物左右各4個(gè)支墩，單側(cè)共需要8個(gè)H型鋼，焊縫長(zhǎng)度50 cm、高度1 cm；貨物鞍座和支墩之間以及支墩和駁船甲板之間均墊上橡膠皮。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 系固方案計(jì)算結(jié)果

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，系固方案滿足式(14)的校核標(biāo)準(zhǔn)，故該系固方案可以實(shí)施。

4 結(jié)論

1)由于重大件貨物體積大、質(zhì)心高，在滿足滾卸進(jìn)車的條件下應(yīng)優(yōu)先選擇高度低的支墩進(jìn)行支撐，以降低貨物質(zhì)心高度，減小貨物受力，保證運(yùn)輸安全。

2)當(dāng)貨物對(duì)稱積載于船中時(shí)，受到的合外力最小，應(yīng)優(yōu)先考慮將重大件積載于船舯位置，有利于貨物的安全運(yùn)輸。

3)對(duì)于重大件落支墩運(yùn)輸?shù)南倒蹋嵝院蛣傂月?lián)合系固的方式較傳統(tǒng)的柔性系固，既可保證貨物自身的系固，也能防止由于支墩滑動(dòng)而造成貨物掉落的危險(xiǎn)，同時(shí)止動(dòng)塊可由人工通過(guò)錘子解除與甲板的焊接，便于現(xiàn)場(chǎng)操作，安全高效。

4)針對(duì)重大件貨物港內(nèi)短距離拖航倒運(yùn)，由于海況較好，貨物系固時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)IMO《貨物積載與系固安全操作規(guī)則》中系固設(shè)備的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，文中取0.9。在保證安全的前提下，節(jié)省了綁扎材料，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，安全而經(jīng)濟(jì)，可為類似的重大件運(yùn)輸提供參考。