船舶建筑與結(jié)構(gòu)綜述

第六章船舶建筑與結(jié)構(gòu)

§1船體的構(gòu)成一.船體概貌為了保證船舶具有一定的浮性及特定的外部形狀,船體結(jié)構(gòu)必須有可靠的水密性和足夠的堅(jiān)固性,同時(shí)船體結(jié)構(gòu)又應(yīng)符合船的使用要.所以,船體是一個(gè)浮在水上的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu).。圖所示的為15000t級(jí)多用途貨船的船體構(gòu)成。船體結(jié)構(gòu)分為主船體和上層建筑兩大部分。船體結(jié)構(gòu)大都用鋼材，由板材和型材組合成板架結(jié)構(gòu)。下面分主船體及上層建筑兩部分進(jìn)行討論。

二.主船體主船體是指船舶的連續(xù)露天甲板(通常為上甲板)以下的部分。主船體內(nèi)的艙室劃分，沿船長(zhǎng)方向通過(guò)水密橫艙壁進(jìn)行縱向劃分；沿型深方向通過(guò)甲板或平臺(tái)作出豎向劃分；沿船寬方向通過(guò)縱向艙壁進(jìn)行橫向劃分。主船體是由船殼(船底及船側(cè))和上甲板圍成的具有特定形狀的空心體，是保證船舶具有所需浮力，航海性能和船體強(qiáng)度的關(guān)鍵部分，一般用于布置動(dòng)力裝置、裝載貨物、儲(chǔ)存燃油和淡水，以及布置其他各種艙室。為保障船體強(qiáng)度、提高船舶的抗沉性和布置各種艙室，通常設(shè)置若干強(qiáng)固的水密橫艙壁或縱艙壁，并根據(jù)需要加設(shè)中間甲板（平臺(tái)板）。在船長(zhǎng)方向分為：首部、中部、尾部及其間過(guò)渡部分。而后每一部分又都是由船底、舷側(cè)、甲板等形成的水密的空心結(jié)構(gòu)。在空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部，又有由甲板和艙壁分隔成許多艙室。安裝在船寬方向的艙壁稱為橫艙壁，首、尾端的橫艙壁稱為首尖艙壁和尾尖艙壁。沿船長(zhǎng)方向的艙壁稱為縱艙壁。為了加強(qiáng)首、尾端，在首端安有首柱，在尾端安有尾柱。圖為某貨船的船中部的結(jié)構(gòu)。其船底結(jié)構(gòu)由船底外板（包括平板龍骨、船底板和舭列板）、中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨及肋板等構(gòu)件組成。船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)是由舷側(cè)外板（包括舷側(cè)板、舷頂列板）、肋骨、舷側(cè)縱桁等構(gòu)件組成。

船體甲板結(jié)構(gòu)是由甲板板、橫梁、甲板縱桁等構(gòu)件組成。艙壁則由艙壁板和扶強(qiáng)材組成。肋板、肋骨及橫梁一般都布置在同一個(gè)平面上，并相互連接成肋骨框架（一般用三角肘板連接）。肋骨之間的距離稱為肋距。三.上層建筑上層建筑位于上甲板以上，由左、右側(cè)壁，前、后端壁和各層甲板圍成，其內(nèi)部主要用于布置各種用途的艙室，如工作艙室、生活艙室、貯藏艙室、儀器設(shè)備艙室等。上層建筑的大小、層樓和型式因船舶用途和尺度而異。當(dāng)此結(jié)構(gòu)自一舷伸至一舷，或其側(cè)壁自外板內(nèi)縮不大于4%船寬的稱為上層建筑。通常，在首部的上層建筑稱為首摟，在尾部的上層建筑稱為尾摟，在中部的上層建筑稱為橋摟。在甲板上的結(jié)構(gòu)物其側(cè)壁并非外板的延續(xù)部分或不能算作外板延續(xù)部分的稱為甲板室?！?船體結(jié)構(gòu)的形式一.船體結(jié)構(gòu)用鋼材船體結(jié)構(gòu)基本上是由板和裝焊在板上的縱橫交錯(cuò)結(jié)構(gòu)件（船體中通常稱為骨架）組成的。形成骨架的型鋼有：船體結(jié)構(gòu)的骨架還有T型材，設(shè)計(jì)者按需要決定其面板和腹板的尺度。船體結(jié)構(gòu)中的骨架粱大多由軋制型鋼、T型材或折邊鋼板等制成，并與焊接的船體鋼板形成組合梁，共同抵抗彎曲。軋制型鋼(扁鋼、角鋼、球扁鋼、I型鋼、槽型鋼等)國(guó)家已批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只是按要求選擇型號(hào)。T型材最合理地使用材料而得到最高的強(qiáng)度，且能使結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)稱性，二.船體結(jié)構(gòu)型式1、橫骨架式橫向鉤件布置較密，縱向鉤件布置較疏。2、縱骨架式橫向鉤件布置較疏，縱向鉤件布置較密。3、混合骨架式橫向鉤件與縱向鉤件布置疏密程度相差不大。。§3船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度概念船體結(jié)構(gòu)中的骨架構(gòu)件，一些僅承受拉伸或壓縮荷重的作用，如支柱、桁架斜桿等，這類構(gòu)件剖面的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，并且已在材料力學(xué)課程中充分地討論過(guò)了；另一些(船體結(jié)構(gòu)中絕大部分構(gòu)件)主要承受彎曲，即作為“梁”使用。船體結(jié)構(gòu)抵抗外力作用和變形的能力稱船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度。重力和水壓力是船體結(jié)構(gòu)所承受的主要外力。重力在船體上的分布與結(jié)構(gòu)本重、設(shè)備重量、載貨重量及燃油、水等有關(guān)，水壓力在船體上的分布與船的浮態(tài)和形狀有關(guān)。一.總強(qiáng)度整個(gè)船的重力和浮力是大小相等、方向相反，是平衡的。但沿船長(zhǎng)的重力曲線和浮力曲線是形狀不同的。向上的浮力與向下的重力的差值就相當(dāng)于作用于船體上的載荷。這個(gè)載荷可使整個(gè)船體發(fā)生沿船長(zhǎng)的彎曲變形，稱為總縱彎曲。通常把中間上拱、兩端下垂的彎曲稱為“中拱”；把中間下垂、兩端上翹的彎曲稱為“中垂”，把船體看作為一組變斷面的空心糧，其抵抗縱向彎曲的能力稱為船體的總縱強(qiáng)度。船體結(jié)構(gòu)抵抗總扭曲的能力稱為船體的總扭曲強(qiáng)度。二.局部強(qiáng)度僅涉及船體個(gè)別結(jié)構(gòu)的變形和破壞稱為局部變形和破壞。船體結(jié)構(gòu)必須要有足夠的能力抵抗這些局部性變形和破壞，稱為船體的局部強(qiáng)度。有時(shí)，局部變形和破壞會(huì)導(dǎo)致全船的破壞。三.橫向強(qiáng)度有一些船體變形是發(fā)生在橫向的。船體結(jié)構(gòu)必須要有足夠的能力抵抗這些橫向變形和破壞，稱為船體的橫向強(qiáng)度。保證船體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)者應(yīng)首先考慮的問(wèn)題?！?主船體結(jié)構(gòu)板架結(jié)構(gòu)——船體中由交叉布置的骨材（或板材）和覆蓋在其上的板構(gòu)成的一種典型平面結(jié)構(gòu)。板架結(jié)構(gòu)的四周都受到相鄰板架的支持。常見(jiàn)的有甲板板架、舷部板架、船底板架以及橫艙壁、縱艙壁、平臺(tái)板等。從構(gòu)造上分析，船體結(jié)構(gòu)可看作板架的組合。各板架在整個(gè)船體中的部位和作用不同，受力情況也不同。在研究方法上，常把覆蓋在骨材或板材上的板，用具有一定寬度的帶板與其一起組成理想化的交叉梁系進(jìn)行研究。對(duì)于用板材加強(qiáng)的板架（如雙底結(jié)構(gòu)），有時(shí)也化成結(jié)構(gòu)上的正交異性板來(lái)研究。一.船底結(jié)構(gòu)1、船體外板鋼板的長(zhǎng)邊沿船長(zhǎng)方向布置，形成沿船長(zhǎng)的一長(zhǎng)列，稱為列板。船底中心處的一列板稱為平板龍骨，又稱為K行板。沿舭部延伸的一列板稱為舭列板。在平板龍骨和舭列板之間的列板統(tǒng)稱為船底板。同一列板上各鋼板間的連接縫稱為端接縫，兩相鄰列板間的連接縫稱為邊接縫。2、單底結(jié)構(gòu)(1)橫骨架式單底結(jié)構(gòu)橫骨架式單底結(jié)構(gòu)的骨架由肋板（包括水密肋板、組合肋板實(shí)肋板）和內(nèi)龍骨（包括中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨）等構(gòu)件組成。其肋板在每一肋位上裝設(shè)，中內(nèi)龍骨高度與肋板高度相同。(2)縱骨架式單底結(jié)構(gòu)縱骨架式單底結(jié)構(gòu)中增加了大量縱骨，中內(nèi)龍骨做成連續(xù)的，每隔幾檔肋距設(shè)置一肋板。中內(nèi)龍骨與肋板相交處高度不一定相同。3、雙底結(jié)構(gòu)雙底是指船底有外底和內(nèi)底兩層，它由船底外板、內(nèi)底板、內(nèi)底邊板及雙底內(nèi)的縱橫骨架等構(gòu)件組成。雙底結(jié)構(gòu)有利于防底部進(jìn)水，雙底還可裝載燃油、淡水、壓載水等，也有利于增加底部強(qiáng)度。雙底高度至少為700mm。分為橫骨架式雙底結(jié)構(gòu)和縱骨架式雙底結(jié)構(gòu)。二.舷側(cè)結(jié)構(gòu)舷側(cè)結(jié)構(gòu)是連接船底與甲板的側(cè)壁。它直接受到舷外水壓力、碰撞力、波浪沖擊力、冰塊的沖擊與擠壓等作用。船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)是由舷側(cè)外板（包括舷側(cè)板、舷頂列板）和加強(qiáng)它的骨架（肋骨、強(qiáng)肋骨、舷側(cè)縱桁）等構(gòu)件組成。

舷側(cè)外板最上面的一列板稱為舷頂列板。它比一般的舷側(cè)板厚。舷側(cè)結(jié)構(gòu)也有橫骨架式結(jié)構(gòu)和縱骨架式結(jié)構(gòu)。三.甲板結(jié)構(gòu)船體甲板結(jié)構(gòu)是由甲板板、橫梁、強(qiáng)橫梁、艙口端梁、甲板縱桁、甲板縱骨等構(gòu)件組成。甲板結(jié)構(gòu)也有橫骨架式結(jié)構(gòu)和縱骨架式結(jié)構(gòu)。1、甲板板甲板邊板順著甲板邊線。甲板板的端接縫不能放在大開口的端部附近。艙口角部位的甲板需加厚。2、橫骨架式甲板結(jié)構(gòu)的骨架橫骨架式甲板結(jié)構(gòu)的骨架包括普通橫梁、艙口端梁、甲板縱桁等，局部區(qū)域設(shè)置強(qiáng)橫梁。3、縱骨架式甲板結(jié)構(gòu)的骨架縱骨架式甲板結(jié)構(gòu)的骨架包括甲板縱骨、強(qiáng)橫梁、艙口端梁、甲板縱桁等。強(qiáng)橫梁支持甲板縱骨，甲板縱桁支持強(qiáng)橫梁。4、貨艙口圍板結(jié)構(gòu)

貨艙口圍板的結(jié)構(gòu)由縱向和橫向圍板、水平加強(qiáng)垂直加強(qiáng)筋等構(gòu)成。四.水密艙壁結(jié)構(gòu)艙壁結(jié)構(gòu)型式有兩類，一類是由鋼板和扶強(qiáng)材等組成的平面艙壁，另一類是由壓成槽形的鋼板組成的槽形艙壁。水密艙壁上是不容許設(shè)置通道的（必要時(shí)要加水密門）。首防撞艙壁距首垂線不小于0.05Ls或10m，取其小者，但不得大于0.08Ls。油艙與水艙之間必須設(shè)置水密的隔艙，水密隔艙的長(zhǎng)度一般是一個(gè)肋距。五、船首端結(jié)構(gòu)船首端結(jié)構(gòu)（首柱）一般是三種型式：①鑄鋼件或鍛鋼件首柱，它一般用于較大的船舶。②厚鋼板在加工中彎曲成首柱形狀，再焊接成首柱，它一般用于較小的船舶。③水線上部為厚鋼板焊接、水線下部為鑄鋼件或鍛鋼件的混合型首柱。內(nèi)河船上還采用圓鋼、鋼管首柱。六、船尾端結(jié)構(gòu)尾柱結(jié)構(gòu)過(guò)去一般是由舵柱、螺旋槳柱和尾柱底骨組成?，F(xiàn)在有的沒(méi)有舵柱了。雙娓鰭船的尾部結(jié)構(gòu)為厚鋼板焊接而成。七、基座結(jié)構(gòu)八、煙囪結(jié)構(gòu)§5上層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)若上層建筑與主船體一樣地彎曲，則要求很強(qiáng)，通常稱為強(qiáng)力上層建筑。若上層建筑極差小，不參加總縱彎曲，結(jié)構(gòu)較弱，通常稱為輕型上層建筑。壓筋板結(jié)構(gòu)和鋁合金板可作為上層建筑的圍壁結(jié)構(gòu)。要使它們不參加總強(qiáng)度，可用橫貫全船的通道把它們分成幾小段。壓筋板作為上層建筑的圍壁結(jié)構(gòu)，重量輕，施工簡(jiǎn)單，減少了焊接工作量，也減少了焊接變形。而且它具有縱向收縮性，能減少總縱彎曲對(duì)上層建筑的影響。壓筋板結(jié)構(gòu)分為開式和閉式兩種，開式在全長(zhǎng)壓通，制造簡(jiǎn)單；閉式在兩端逐漸過(guò)度到平板結(jié)構(gòu)。在橋樓或長(zhǎng)首樓、長(zhǎng)尾樓的端部，因結(jié)構(gòu)突然中斷，易產(chǎn)生破壞，因此在一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強(qiáng)。通常，將端部側(cè)壁向外以圓弧形過(guò)渡到舷頂列板，并適當(dāng)加強(qiáng)端壁前后上甲板的甲板邊板與舷頂列板的厚度。

載重線法規(guī)對(duì)船首的最小高度有明確的規(guī)定，首樓甲板的寬度與長(zhǎng)讀還應(yīng)滿足設(shè)備布置的需要。上層建筑在端部轉(zhuǎn)彎處一般是圓弧形，便于人員走動(dòng)和搬運(yùn)物品。船舶設(shè)計(jì)中的進(jìn)水點(diǎn)影響上層建筑結(jié)構(gòu)：①上層建筑中不進(jìn)水的那一層的圍壁結(jié)構(gòu)必須是水密的，它上面的門和窗也必須是水密的。②上層建筑剛進(jìn)水的那一層的圍壁結(jié)構(gòu)中的門檻是較高的，目的是抬高進(jìn)水點(diǎn)，使進(jìn)水角變大。③上層建筑中連接上下層的梯口一般設(shè)置在縱中剖面附近，目的是使進(jìn)水角變大。一、船體結(jié)構(gòu)中的型材

船體結(jié)構(gòu)中的骨架構(gòu)件，一些僅承受拉伸或壓縮荷重的作用，如支柱、桁架斜桿等，這類構(gòu)件剖面的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，并且已在材料力學(xué)課程中充分地討論過(guò)了；另一些(船體結(jié)構(gòu)中絕大部分構(gòu)件)主要承受彎曲，即作為“梁”使用。軋制型鋼(扁鋼、角鋼、球扁鋼、I型鋼、槽型鋼等)國(guó)家已批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只是按要求選擇型號(hào)。T型材最合理地使用材料而得到最高的強(qiáng)度，且能使結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)稱性，二、衡量型材剖面材料利用的指標(biāo)

型材削面設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列要求：

①具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；

②應(yīng)盡可能符合牛產(chǎn)與工藝方面的要求，如制造簡(jiǎn)單、施工質(zhì)量高等；

§6船體結(jié)構(gòu)中的型材的使用③滿足特殊結(jié)構(gòu)與營(yíng)運(yùn)使用的要求，例如，為保證貨艙容積而對(duì)型材剖面高度的限制、因腐蝕磨損而對(duì)最小板厚的要求等；

④剖面內(nèi)材料分布合理，使所得結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕，這是船體結(jié)構(gòu)工程師的重要目標(biāo)之一。

衡量型材剖面內(nèi)材料分布合理程度的指標(biāo)有：剖面利用系數(shù)和比面積。

大家知道，梁材受橫荷重作用時(shí)，其抵抗彎矩的能力由剖面的最小剖面模數(shù)保證。剖面的最小剖面模數(shù)W1為：

這就相當(dāng)于由兩個(gè)離中和軸的距離為｜Z｜max、面積各為0．5F的翼板組成的剖面(圖9-2)?？墒?，這種型材實(shí)際上是無(wú)法制造的，因?yàn)樗鼪](méi)有連接兩翼板的腹板，所以稱為“理想”削面。設(shè)“理想”剖面的剖面模數(shù)為Wo，則：式中：n——剖面的利用系數(shù)。

在剖面積和高度相同的情況下，系數(shù)n能表明材料在剖面中分布的合理程度，即n值越大，所設(shè)計(jì)的型材剖面越接近于“理想”剖面，剖面材料的利用率就越高。由于剖面高度對(duì)剖面模數(shù)有很大影響，當(dāng)剖面高度h不同時(shí)，n值的大小就不能反映材料在剖面中的利用率了。三、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與質(zhì)量、工藝的矛盾1、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與質(zhì)量的矛盾

保證船體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)者應(yīng)首先考慮的問(wèn)題。但這并不是說(shuō)構(gòu)件選得愈大、愈堅(jiān)固愈好，強(qiáng)度過(guò)剩會(huì)造成質(zhì)量增加，鋼材消耗多，建造成本提高并減少船舶載運(yùn)能力。我們希望在保證船體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，力求減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約材料。2．結(jié)構(gòu)與工藝性的矛盾

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還必須考慮到結(jié)構(gòu)工藝性要求。好的結(jié)構(gòu)工藝性包括：考慮到船舶所有部位的裝配和施焊的可能性；盡可能擴(kuò)大分段建造范圍，縮短造船周期，改善作業(yè)條件，提高造船質(zhì)量；盡量簡(jiǎn)化零部件結(jié)構(gòu)，減少規(guī)范品種，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件；盡量減少零部件的曲線外形，結(jié)構(gòu)上的開孔、切角等應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸或常取尺寸；考慮船體結(jié)構(gòu)維修與保養(yǎng)的可能性與方便性等。

3，結(jié)構(gòu)與使用性的矛盾

結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)件尺寸要符合使用要求。例如，貨船的結(jié)構(gòu)布置要便于裝卸貨物；旅客及船員住艙應(yīng)有足夠凈空高；支柱的布置應(yīng)不妨礙總體布置及機(jī)器設(shè)備安裝的要求等。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要與總體、輪機(jī)和設(shè)備的設(shè)計(jì)密切配合，樹立整體觀念，保證船舶各方面都有良好的性能。此外，根據(jù)使用要求在選取構(gòu)件尺寸時(shí)要合理地考慮銹蝕、磨損余量及其他特殊加強(qiáng)，以降低維修費(fèi)用和提高使用年限。

船體結(jié)構(gòu)的圖紙有多種；基本結(jié)構(gòu)圖、中橫剖面圖、外板展開圖和各個(gè)部位或分段的結(jié)構(gòu)圖。

（一）由于船體結(jié)構(gòu)基本上有板材構(gòu)成的，而板材的厚度比船體結(jié)構(gòu)的主要尺度小得多，因此板材的的剖面采用圖線表示。了解船體結(jié)構(gòu)和看懂船體結(jié)構(gòu)圖紙，就必須先了解圖線的型式及應(yīng)用范圍。１、粗實(shí)線應(yīng)用范圍：板材、骨材剖面簡(jiǎn)化線。設(shè)備、部件的可見(jiàn)輪廓線。２、細(xì)實(shí)線應(yīng)用范圍：可見(jiàn)輪廓線、尺寸線或尺寸界線、型線、基線、引出線、接縫線、剖面線、規(guī)格線。３、粗虛線應(yīng)用范圍：不可見(jiàn)板材簡(jiǎn)化線。４、軌道線應(yīng)用范圍：主船體結(jié)構(gòu)內(nèi)不可見(jiàn)水密板材簡(jiǎn)化線?！?船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖示方法５、細(xì)虛線應(yīng)用范圍：不可見(jiàn)輪廓線。不可見(jiàn)次要構(gòu)件的簡(jiǎn)化線。６、粗點(diǎn)劃線應(yīng)用范圍：可見(jiàn)主要構(gòu)件的簡(jiǎn)化線。鋼索、繩索、鏈索的簡(jiǎn)化線。７、細(xì)點(diǎn)劃線應(yīng)用范圍：中心線、可見(jiàn)次要構(gòu)件的簡(jiǎn)化線、開口對(duì)角線、轉(zhuǎn)圓線、液艙范圍線、折角線。８、粗雙點(diǎn)劃線應(yīng)用范圍：不可見(jiàn)主要構(gòu)件的簡(jiǎn)化線。９、細(xì)雙點(diǎn)劃線應(yīng)用范圍：非本圖構(gòu)件可見(jiàn)輪廓線。假想構(gòu)件可見(jiàn)輪廓線。肋板邊線。工藝開口線。１０、折斷線應(yīng)用范圍：構(gòu)件斷裂邊界線。（二）船體結(jié)構(gòu)的圖紙舉例１、基本結(jié)構(gòu)圖（側(cè)面、尾部）２、基本結(jié)構(gòu)圖（上甲板、尾部）３、中橫剖面圖４、外板展開圖（