海運中駁船疊裝運輸的支撐結構設計與分析

盧金金，姚壯樂

（中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510623）

船舶工業素有“綜合工業之冠”的美譽，作為現代工業的集大成者，對交通運輸、海洋開發、國防建設等都有著重大意義。截至2022 年，我國造船業三大指標已經連續13 年穩居世界第一[1]。外國船東在中國訂造的各類船舶持續增長，駁船就是其中的一種。這使得駁船這一類重大件貨物的海運出口成為國際航運市場上不可或缺的一部分。在同一航次內，能夠安全地裝運更多的駁船成為外國船東的核心需求，同時，這也對航運公司的承運船舶和貨運技術能力提出了更高的要求。本文將從一個以駁船為運輸對象的實際海運項目來研究基于多用途船舶的駁船疊裝技術，主要內容是對支撐結構展開相應的設計與分析工作。

1 項目簡介

1.1 運輸船舶和航線介紹

（1）該項目由某型36000DWT 多用途船承運，如圖1 所示，船舶主尺度信息如下表1 所示：

圖1 某型36000DWT 多用途船

表1 船舶主尺度和載重量

（2）該項目從中國太倉港運到荷蘭鹿特丹港，航程大概為10614 海里，按照12.5 節的平均航速，預計航行時間為36 天。航行路線如下圖2 所示：

圖2 航行路線

1.2 貨物信息介紹

該項目的貨物為3 艘駁船，主要信息如下表2 所示：

表2 駁船主尺度和重量信息

2 支撐結構設計

2.1 貨物配載對支撐結構的尺寸要求

根據某型36000DWT 多用途船的主尺度以及運輸能力，本文對3 艘駁船進行配載。通過表2 中的貨物信息以及貨物圖紙，將三號駁船配載在多用途運輸船甲板的左舷側，將二號駁船配載在多用途運輸船甲板的右舷側，同時將一號駁船疊裝在二號駁船上方。

（1）高度設計。下層二、三號駁船生活區的最高點到主甲板的高度是2.82 米，因此，在設計支撐結構的高度時，既要保證上層駁船不會碰到下層駁船的生活區，又要控制其高度在安全范圍內的最低值。根據過往經驗以及估算，設計支撐結構的高度為2.98 米。

（2）長度設計。下層駁船的橫向強框架（web frame）的跨距是1476mm，上層駁船的橫向強框架（web frame）的跨距是1755mm，跨距差值為279mm。為了能夠直接將上層駁船的載荷有效的傳遞到下層駁船，本文取下層駁船的橫向強框架（web frame）跨距作為支撐結構的寬度。同時，在配載時，盡可能保證上層駁船橫向強框架（web frame）的一個完整跨距坐在支撐結構的上方，既保證上層駁船船底板的變形最小又滿足載荷傳遞連續的要求。

（3）寬度設計。下層駁船的舷側為雙層殼結構，其船體外板與雙層殼內板之間的距離為800mm。因此，支撐結構的寬度按照800mm 來設計。

3 艘駁船在多用途運輸船上的整體配載方案如圖3所示：

圖3 配載方案

2.2 垂向外力對支撐結構數量的要求

根據IMO 的《Code of safe practice for cargo stowage and securing》(CSS Code)的計算方法[2]，本文將多用途運輸船的主尺度信息、航速、駁船主尺度和重量信息等參數輸入到計算表中，得出作用在駁船上的縱向、橫向和垂向加速度，如表3 所示：

表3 作用在駁船上的縱向、橫向和垂向加速度

進一步按照CSS Code 的計算方法，考慮風載荷、波浪載荷以及上層駁船的自重，對作用在支撐結構上的外力進行計算，得出縱向、橫向和垂向外力，如表4所示：

表4 作用在支撐結構上的縱向、橫向和垂向外力

由表4 可見，垂向外力是支撐結構設計的主要載荷。由于支撐結構需要焊在下層駁船的主甲板上，在綜合考慮不超過下層駁船的支撐能力和保證支撐結構自身強度的情況下，根據以往項目方案和運輸經驗，考慮每個支撐結構按承受120t 垂向載荷進行設計。因此，初步評估需要使用18 個支撐結構。

2.3 縱向和橫向外力對支撐結構肘板數量的要求

在配載方案中，支撐結構需要將上層的一號駁船受到的外力通過自身傳遞到下層的二號駁船。因此，需要在支撐結構的頂部設計一定數量的肘板來連接上層駁船和支撐結構的主體部分。

由表4 可見，橫向外力約等于縱向外力的2 倍，因此橫向肘板的數量也是縱向肘板的2 倍?；谝酝椖糠桨?，使用如圖4 所示的肘板，可按傳遞15t 載荷來進行設計。

圖4 肘板設計圖

經過計算，肘板數量需求如表5 所示：

表5 肘板數量需求

由表5 可見，每一個支撐結構需要設計2 個縱向肘板和4 個橫向肘板，就能夠滿足傳遞縱向和橫向載荷的要求。支撐結構的設計圖如圖5 所示：

圖5 支撐結構設計圖

3 支撐結構有限元分析

在第二節，本文已經完成了對支撐結構的尺寸設計和數量分析、受力分析、肘板數量分析。在本節，將對支撐結構與下層駁船的局部船體結構進行有限元模型建模。選擇局部船體結構的范圍時，本文綜合考慮了載荷傳遞和有限元模型計算效率。按照經驗，在船長方向上選擇前后相鄰一個強框架的范圍、在船寬方向上選擇兩個桁材間距的范圍、在型深方向上選擇兩個骨材間距的范圍納入有限元模型[3]。同時，在分析過程中，反復迭代和優化支撐結構主體的減輕孔設計。

支撐結構在橫向受力上具有不對稱性，因此要分別考慮橫向外力是來自右舷方向和左舷方向兩種情況，并對該有限元模型在兩種載荷組合下進行強度分析。載荷組合如表6 所示，有限元模型如圖6 所示：

圖6 有限元模型

表6 載荷組合

在有限元模型中，支撐結構的材料為：楊氏模量2.06x105Mpa，泊松比0.3，屈服強度為355Mpa，許用應力為284Mpa，許用剪切應力為188Mpa。校核結果如下表7～8 所示，應力云圖如圖7～10 所示。

圖7 Von Mise Stress

表7 載荷組合1 的校核結果

表8 載荷組合2 的校核結果

（1）在載荷組合1 下，對有限元模型進行計算，應力分布如圖7 和圖8 所示：

圖8 Max Shear Stress

在圖7 中，最大合成應力為221.3Mpa，小于許用應力。在圖8 中，最大剪切應力為108.0Mpa，小于許用剪切應力。

（2）在載荷組合2 下，對有限元模型進行計算，應力分布如圖9 和圖10 所示：

圖9 Von Mise Stress

圖10 Max Shear Stress

在圖9 中，最大合成應力為184.0Mpa，小于許用應力。在圖10 中，最大剪切應力為74.92Mpa，小于許用剪切應力。

因此，第二節中考慮的支墩設計方案，即使用18個支撐結構，同時一個支撐結構設計4 個橫向肘板和2個縱向肘板，能夠滿足駁船運輸中的結構強度要求。

4 支撐結構焊縫強度校核

在本節，將對支撐結構與下層的二號駁船的焊縫強度以及與上層的一號駁船的焊縫強度進行校核。支撐結構在上下層駁船之間的橫剖面布置圖如圖11 所示：

圖11 支撐結構在上下層駁船之間的橫剖面布置圖

根 據DNVGL-ST-001 的《Marine operations and marine warranty》的計算方法對角焊縫做強度校核[4]。在焊縫設計中，取焊縫的焊腳高度為0.8 倍的板厚，主要校核的是焊喉所在平面內的三向應力：焊喉面內平行于焊縫長度方向的切應力τ‖、焊喉面內垂直于焊縫長度方向的切應力τ、垂直于焊喉面的正應力σ，以及合成應力σc。三向應力的示意圖，如下圖12 所示：

圖12 焊縫校核的三向應力示意圖

（1）支撐結構與下層駁船的焊縫校核。焊縫示意圖如圖13 所示：

圖13 支撐結構與下層駁船的焊縫示意圖

在橫向外力、縱向外力以及由這兩個外力作用在焊縫上的力矩下，本文對整個焊縫截面進行計算，焊縫強度校核結果如下表9 所示：

表9 支撐結構與下層駁船的焊縫校核

由表9 可見，各項校核結果均小于許用值，符合規范要求。

（2）支撐結構的肘板與上層駁船的焊縫校核。焊縫示意圖如圖14 所示：

圖14 支撐結構與上層的一號駁船的焊縫示意圖

在橫向外力和縱向外力的作用下，本文對整個焊縫截面進行計算，焊縫強度校核結果如下表10 所示：

表10 支撐結構的肘板與上層駁船的焊縫校核

由表10 可見，各項校核結果均小于許用值，符合規范要求。

5 結語

重大件海運項目在特種船運輸領域占據著重要地位。駁船作為具有超重、超長、超寬、超大等特征的海運貨物，對其運輸方案進行全面、詳細、經濟、安全的設計顯得十分必要。本文從“駁船疊裝技術”切入，對支撐結構與駁船之間的相互作用進行了分析，主要包括支撐結構的詳細設計、支撐結構與局部船體結構的有限元分析、支撐結構與上下層駁船之間的焊縫強度校核。本文的研究內容將為同類貨物的海運項目提供一個支撐結構的設計思路和分析方法。