成品碼頭鋼卷捆扎系固的受力分析及算例校核

成品碼頭鋼卷捆扎系固的受力分析及算例校核摘要：通過受力分析，對成品鋼卷裝船捆扎、系固受力情況進行了系統(tǒng)解析。根據(jù)《貨物系固手冊》，設(shè)定滿足系固要求的限制條件，并通過一則實際案例對貨物橫向受力、傾覆力矩以及復(fù)原力矩進行校核。關(guān)鍵詞：鋼卷系固；力矩分析；校核引言船舶載運重大件貨物時，必須對所載運的重大件貨物進行捆扎、系固，以防止在航行途中出現(xiàn)橫移、縱移和橫向傾覆。因系固不當(dāng)而引起貨物在航行途中移動或者傾覆從而導(dǎo)致船、貨物受損的事件時有發(fā)生，為確保海上航行安全，《SOLAS74》公約要求除液貨船和原木船（原木船另有要求）外的其他船舶必須配備經(jīng)主管機關(guān)批準(zhǔn)的《貨物系固手冊》。2006年1月，中國海事局要求中國船舶必須按IMO最新版《貨物積載和系固安全操作規(guī)則》和《貨物貨物系固手冊的編制指南》的要求編寫并攜帶《貨物系固手冊》（簡稱《手冊》）。鋼卷作為重大件貨物裝船運輸，因其本身特性而易發(fā)生滾動、傾覆，因此需制定相應(yīng)的捆扎系固方案加固，以確保航行過程中不受外力影響而產(chǎn)生貨損。鋼卷所受外力及力矩的確定船舶在航行過程中，貨物隨船受到風(fēng)、海浪及自身重力等因素的影響，將會在縱向、橫向、垂向三個方位分別收到慣性力、風(fēng)壓力、波濺力等的作用，產(chǎn)生橫向、縱向的移動、傾覆趨勢。1.1慣性力Fa式中：m是貨物質(zhì)量，ax,ay,az分別是縱向、橫向、垂向慣性加速度，可根據(jù)基本慣性加速度經(jīng)船長、船速、穩(wěn)性修正求得，其中：式中：aox、aOy、aOz是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下《手冊》規(guī)定的貨物縱向、橫向、垂向標(biāo)準(zhǔn)慣性加速度；k1是按照實際船長和船速查的的船長、船速修正系數(shù)；k2是穩(wěn)性修正系數(shù)，按B/GM的數(shù)值查取，當(dāng)B/GMA13時，k2=1.1.2風(fēng)壓力Fw裝載于甲板上貨物直接受到分壓力的作用：式中：Awx、Awy是貨物橫向和從向受風(fēng)面積；pw為風(fēng)壓強，按《手冊》規(guī)定pw=1kn/m2波濺力Fs裝載于甲板上的貨物會受到波浪濺力作用：式中：Asx、Asy是貨物縱向和橫向的波濺面積，按《手冊》規(guī)定“僅就高于露天甲板或艙口2M以下的范圍內(nèi)的甲板貨考慮飛濺力”。因此，h'=min{2,h},ps為波濺壓強，按照《手冊》規(guī)定，ps=1KPa。鋼卷外力及力矩分析通過前述受力的分析可知，風(fēng)壓力Fw和波濺力Fs的計算只針對裝載于甲板上的貨物。鋼卷通常情況下裝載在艙底，因此風(fēng)壓力Fw、波濺力Fs受力為零。根據(jù)船艙內(nèi)鋼卷的裝載、加固方式，我們對其所受外力分析如下（圖一）：由于鋼卷裝載在船艙艙底，F(xiàn)w、Fs均為零，所以鋼卷在艙底所受外力作用為：（1）即，鋼卷在艙底主要受慣性力的作用，產(chǎn)生相對運動的趨勢。鋼卷所受到的橫向傾覆力矩Mh為：（2）式中：hh為貨物受傾覆力作用時的中心高度。鋼卷系固合力及力矩的確定系固合力是由系固力和船、貨之間的摩擦力兩部分分構(gòu)成。系索（鋼帶）所產(chǎn)生的系固力如圖二所示，設(shè)一根最大系固載荷為MSL的系索按照圖示方式進行系固，系索與水平平面夾角a則按《手冊》其綁扎的計算強度（CS）為：式中：（1）MSL為系索的最大系固載荷；（2）1.35是考慮到系固操作水平和系固工藝不平衡后的安全系數(shù)。CS的拉力可以分解為一個向下的拉力CSz和水平平面上的橫向拉力CSy,因此：CSz使貨物對下墊面的摩擦力增加了,因此系索對貨物產(chǎn)生的橫向系固力為式中：fy是a和卩的函數(shù)，具體可按《手冊》中下表查詢。表一Table1同理，當(dāng)系索縱向系固時，所產(chǎn)生的縱向系固力為：綜上所述，系索產(chǎn)生的系固合力為：另外，在通常情況下系索的縱向分力Fx，足夠防止貨物的縱向移動。系索（鋼帶）所產(chǎn)生的系固力矩如圖二所示，當(dāng)貨物在外力傾覆力矩作用下繞支點M進行傾覆轉(zhuǎn)動時，系索作用在貨物上的三個力CSx、CSy、CSz中CSx產(chǎn)生的力矩在縱向上，與貨物轉(zhuǎn)動無關(guān)。CSy、CSz對貨物形成與傾覆方向相反的系固力矩MCSy、MCSz,力臂分別為c、b,因此貨物的復(fù)原力矩MCS為：式中：（1）ai為系橫向系固力臂，由系索產(chǎn)生的橫向分力產(chǎn)生；（2）b為穩(wěn)定力臂，由垂向力產(chǎn)生；（3）ci為系固力臂，由系固力產(chǎn)生。鋼卷系固合力、系固力矩分析如圖二所示，鋼卷裝載主要裝載于艙底、二層裝載，鋼帶橫向捆扎、左右對稱捆扎，且通常情況下縱向分力能夠防止縱向的滑動。因此只需分析一側(cè)的橫向系固力情況即可，以下以左舷為例，橫向系固力Fy，、復(fù)原力矩MCS分別為：（3）只有當(dāng)Fy<Fy，，且MhWMCS時，才能滿足捆扎加固要求。常規(guī)船型系固算例船舶在航行過程中，不同裝載位置貨物其所受的外力影響大小不一。一般情況而言，裝載位置越高，其縱向、橫向加速度越大；船頭、船尾的橫向加速度大于船中位置；裝載甲板的貨物還同時受到風(fēng)壓力、波濺力的影響。在此，我們選用一常規(guī)船型作為參數(shù)，分別選擇船長0.1L、0.5L、0.9L三處位置對成品碼頭鋼卷裝載、系固進行檢驗。設(shè)置條件如下：船型資料：船長100m，船寬15m，初穩(wěn)性高度1.35m，航速9kn；鋼卷資料：28t，卷寬1500mm，卷外徑1612mm；鋼卷裝載艙底位置：船尾0.1L、船中0.5L、船頭0.9L鋼卷艙內(nèi)系固方案如圖二所示，具體參數(shù)見下表2。表2Table2鋼卷在船艙不同位置所受外力、力矩的計算由公式(1)計算可得，在設(shè)定的三處位置鋼卷所受外力分別為：表3Table3由公式(2)計算可得，鋼卷在不同裝載位置的傾覆力矩為：表4Table4通過上述計算可知，靠緊船尾、船頭部位的橫向力、力矩大于船中部位。在船頭橫向力和力矩達到最大135.7kN、94.74kN?m。鋼卷系固力計算由公式(3)計算可得，鋼卷在設(shè)定條件下的單側(cè)(左舷)系固力Fy‘及復(fù)原力矩MCS分別為：表5Table5鋼卷受力校核由前述計算可知，設(shè)定情況下的捆扎系固方案中Fy'(kN)>Fy,MCS>Mh,滿足加固要求。結(jié)語本文對成品碼頭鋼卷裝船的捆扎系固受力著重進行了分析，并設(shè)定了捆扎系固滿足要求的限制條件；通過常規(guī)船型的計算案例分析，對設(shè)定條件下的捆扎系固方案進行了校核，證明系固方案滿足要求。參考文獻IMO.Guidelinesforthecargosecuringm