船舶运动载荷对起重船船体构件的影响

龙涛 阳宇麟

摘 要：本文从我国《起重设备法定检验技术规则》有关船舶运动载荷的计算方法入手，根据运动载荷大小与船舶运动参数之间的对应关系，通过典型实例揭示了船舶运动参数对载荷计算结果影响的基本量值，并对船舶设计者提出了计算中需要考虑的相关因素。

关键词：船舶； 起重； 载荷； 计算

中图分类号：U663.2 文献标识码：A

1 引言

随着我国海工建设领域的发展，船舶与海上设施的起重设备也呈现大型化、复杂化，并且形成自港区、沿海向近海、远洋发展的趋势。船舶起重设备的多元化发展，也影响了与其相关的船舶结构和有关构件的设计型式。

起重机是典型的船上起重设备，其通常处于两种状态：作业和放置。出于安全考虑，起重机通常仅要求在港区或对海浪有良好遮蔽的海域内作业，这在中国海事局颁布的《起重设备法定检验技术规则》（以下简称《起重法规》）中有明确的表述。然而，在放置状态下，船舶往往要在相对恶劣的海况下航行，所以船上起重机在放置状态下船舶的运动形式，决定了与起重机、起重机放置装置相关联的船体构件的设计与选取。

影响船体构件的附加载荷，到底在多大程度上受船舶运动型式的影响，其载荷大小与运动参数之间的量值关系如何，目前有关法规文件并没有给出具体的指引，而这恰恰是船舶设计和船舶运营者非常关心的问题。本文拟通过典型算例予以揭示，并提供建议参考。

2 计算依据和方法

《起重法规》在起重机、升降机和跳板的章节中，均包含对船舶运动载荷的要求，这是根据起重机在放置状态下，考虑船舶的运动形式，计算和选取与起重机、起重机放置装置关联的船体构件的依据。

这些要求包括：

（1）考虑起重机自身重量或与重量的分力有关的静载荷；

（2）考虑船舶在波浪上横摇、纵摇、垂荡产生的动载荷；

（3）考虑风压载荷。

除上述外，船舶结构设计还要考虑这些受力最不利的组合状况。根据这些受力和受力组合的计算，可得出起重机因船舶运动而施加给船体的总运动载荷，进而推算出相关构件的尺寸。

首先，确定起重机放置状态下船舶运动的边界条件，如纵、横、垂向的加速度值、最大横倾角值、风速值等；其次，计算船舶的运动参数，如实际纵、横倾角、垂荡幅度、摇摆周期；第三，根据运动参数，辅以船舶基本要素（船舶主尺度、重量重心、初稳性高度、起重机的几何位置等），计算出起重机在船舶运动状态下的动、静载荷分力；最后，是计算船体结构强度衡准，即将上述计算结果代入起重机支撑结构的强度计算中，通过建立起重机及其连接船体结构的模型，将最不利的受力组合状态加载给起重柱，选择合适的构件尺寸，确保在各种工况下、各相关船体构件的计算应力不大于材料的许用应力，如满足则船体构件的设计和强度衡准便完成。

《起重法规》给出了常规船型在上述三维加速度等边界条件下的摇摆周期、运动幅值和动、静载荷分力的计算方法与换算公式。

3 计算分析和结论

本文选取一普通起重船，在不考虑风压载荷的情况下，通过分别校核横摇角10°与30°下船舶所承受的各向载荷分力，探寻并揭示船体载荷与船舶运动幅度之间的大致关系。

3.1 船舶基本要素

3.2 船舶运动参数计算

（1）根据《起重法规》，在横摇角30°时：

①运动的最大单幅值

在横摇角10°时：上述系数除最大横摇值φ=10°外，其余单幅值与周期均与横摇角30°时相同。

3.3 运动分力计算

根据《起重法规》，船舶运动分力的计算公式如表1。

分别计算横摇角为30°和10°时的三维运动分力，计算结果如表2（第一数值代表横摇角30°的计算结果；第二数值代表横摇角10°的计算结果，两者相差用百分比表示）。

由表2可见，随着船舶运动的横摇角由10°增加到30°，垂直于甲板的动/静载荷增加幅度不大，而平行于甲板的横向动、静载荷，均几乎增加到两倍左右，这必将大幅影响相关构件的选取尺寸。

4 实际应用建议

为便于表述，将起重机的几何重心设定在船舶重心的垂线上，旨在排除运动载荷计算时，因初始倾侧力矩导致的前后向、左右向的动静载荷不平衡，但实际上往往存在起重机重心偏心布置的情况。

对于常规运输船上作辅助装卸用的起重设备而言，由于其自重往往较小，按横摇角30°计入运动载荷后，计算所得的船体构件尺寸也不会太大，较易满足要求。

而对于大型起重船而言，由于其起重设备的自重往往较大，若按横摇30°计入运动载荷后，其计算所得的船体构件尺寸较大，存在一定困难。由于这类大型起重船一般采用宽深比较大的箱型船体型式，船舶进水角往往达不到30°，故在运动载荷的计算过程中，横摇角最大取至船舶进水角即可。