系泊设备及结构加强的规范分析及应用

张冠楠 孙慧莉

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

船舶在营运中经常要进行拖带和系泊作业，故拖带和系泊设备要承受较大的载荷。为保证船舶在使用过程中的安全，需要对拖带和系泊设备及其相连的船体支撑结构进行强度分析。

系泊设备系指船舶正常系泊作业时所用的系缆桩与缆柱、系缆器、立式滚轮、导缆孔以及用于正常拖带作业的拖桩、拖缆孔等类似设备。船体支撑结构系指上部或内部安装船用配件并直接承受作用在船用配件上的力的部分船体结构，如与之相连的横梁、纵桁、支柱和舱壁等。通常，拖带和系泊设备为标准件，根据规范［1-3］要求选取，能够满足结构强度要求，所以只要分析拖带与系泊设备支撑结构的强度即可。

本文以1 100 TEU（锦江）集装箱船为例，从舾装和结构两方面对系泊设备及结构加强进行了系统的阐述，希望对以后的工作有一定的指导作用。

1 实船相关参数

1 100 TEU（锦江）集装箱船为单机单桨尾机型船，主要参数如下：

计算船长 138.86 m

垂线船长 139.6 m

型 宽 23.25 m

型 深 11.5 m

结构吃水 8.5 m

2 舾装数

舾装数是用来确定船上锚泊设备的主要依据。它表征作用在锚泊船舶上的外力，即风压力、水阻力，以及波浪使船舶摇动产生的惯性力。根据IACS规定，海船的锚泊和系泊设备应根据舾装数N配备设备。舾装数 N 按式（1）、（2）计算：

式中：Δ——夏季载重线下的型排水量，t；

B——船宽，m；

H——从夏季载重水线到最上层舱室顶部的有效高度，对最下层的层高Hi从上甲板中心线量起，或具有不连续上甲板时，从上甲板的最低线及其平行于升高部分甲板的延伸线量起；

A——船长范围内夏季载重水线以上的船体

部分和上层建筑以及各层宽度大于B/4的甲板室的测投影面积的总和（对于系泊计算，甲板上有货物的情况下，甲板货的侧投影面积也要计入，m2；

a——从船中夏季载重水线至上甲板的距离，m；

Hi——各层宽度大于B/4的舱室，在其中心线处量计的高度，m

根据舾装数，按照规范要求的标准查得所选取的拖索和系索的公称破断强度，进而得到拖索和系索的设计载荷。对于本船，A=2 045，N=2 062，最终配备如下：

钢丝绳拖索：1根，长220 m，破断力1 169 kN；

聚丙烯系缆索：8根，每根长190 m，破断力402.1 kN。

3 设计载荷的确定

在船首、舷侧和船尾用于系泊/拖带的设备必须布置在作为甲板结构一部分的纵桁、横梁等构件上，以便有效的分布系泊/拖带力。对于巴拿马导缆孔等设备，如能提供强度计算以证明能满足特定的服务要求，其他形式的布置也可接受。

3.1 系泊

在系泊计算中，作用于船舶设备及船体支撑结构的设计载荷应为按舾装数对应的系索破断强度的1.25倍，除非使用者申请了更大的安全工作载荷（SWL）。

绞车等船体支撑结构的设计载荷按1.25倍预计最大刹车拉力选取，对绞盘来说按1.25倍绞盘最大卷进拉力选取。系泊设备的SWL不超过设计载荷的80%。

对于本船，系泊设备的安全工作载荷FSWL=402.1 kN；设计载荷（DL）FDL=402.1×1.25=502.6 kN。

3.2 拖带

一般情况下，拖带分为正常拖带，伴航拖带和应急拖带。除非使用者特别申请更大的SWL。拖带设备的最小设计载荷根据IACS规定按下要求确定：

1）用于正常拖带操作（如港区／调遣）的设计载荷应为拖带与系泊布置图内标示的最大预计拖带载荷（如系柱静拖力）的1.25倍；

2）对于其他拖带（伴航），根据船舶的舾装数取相应的拖缆公称破断拉力。此工况仅适用于首楼甲板上的主拖带设备，通常布置在首楼甲板的中心线上。通常情况下，这里的其他拖带工况应理解为仅用拖带缆绳正向拖带的情形。

3）应急拖带中，对于载重吨大于20 000 t小于50 000 t的船舶，SWL最小为1 000 kN；对于载重吨大于50 000 t的船舶，SWL最小为2 000 kN。SWL定义为拖索的最小破断拉力的0.5倍，应足够承担任意方向的拖带，如拖索指向左右舷并与船体中心线水平成90°的夹角同时垂直方向成30°。

对于本船，仅有正常拖带工况，单根拖索的安全工作载荷FSWL=633 kN；设计载荷FDL=633×1.25=791.25 kN。

3.3 注意事项

1）在系泊计算中，评估横向风载荷、拖轮布置和系索/拖索选择时应计入包括甲板货最大堆装货物的侧投影面积；

2）IACS中有关拖索和系泊索的破断拉力必须强制执行，以便于确定拖带和系泊设备及其支撑结构的设计载荷；

3）IACS规定单根系索的破断强度超过490 kN时，如果船上所有系索破断载荷的总和不小于规定的总载荷，可以增加相应的系索数量同时减小系索的破断强度。系索的数量应不少于6根并且单根系索的强度不小于490 kN；

4）GL规范中对SWL进行了进一步修正，即FSWL′=（0.8/1.5）×设计载荷。

3.4 巴拿马运河的规定

巴拿马型导缆孔和带缆桩的结构加强应该使用拖带产生的载荷。单个导缆孔的设计载荷为445 kN，双导缆孔的设计载荷为628 kN。一般情况下，对于巴拿马型导缆孔和带缆桩的设计载荷为SWL。

用于标准系泊/拖带并且需要满足巴拿马运河规定的导缆孔和带缆桩，设计载荷取大者。

4 模型与计算结果

4.1 模型

本文采用3D-BEAM软件对系泊设备甲板进行了模拟梁系的建模：X轴沿船体纵向指向船首，Y轴沿船宽方向指向左舷，Z轴沿船体型深方向向上。

将甲板横梁、纵桁、系泊设备下的加强构件建立梁模型，甲板作为梁的带板，甲板下围壁简化为对梁的简支约束。船中处各节点施加中面约束；与端部横舱壁以及舷侧外板相连的梁节点施加刚固约束。

将船用设备（带缆桩、导缆滚轮、导缆孔等）简化为刚性梁，梁一端为载荷作用点，另一端为设备底座覆盖范围内的船体梁节点。

绞车基座模拟为梁，基座面板视为梁的带板，腹板视为梁的腹板；在基座有螺栓孔的位置处建刚性梁将基座与船体支撑结构相连接；在绞车滚筒顶端出绳处建刚性梁，并将其与绞车基座螺栓组位置连接，根据系泊设备布置图将绞车载荷施加于刚性梁的相应位置上（首部锚机和绞车为一体，故在此不作讨论）。

4.2 构件尺寸

将原系泊加强结构简化为梁模型，即甲板及其他结构构件，采用构件带带板的形式进行简化，导缆器、带缆桩和立式滚轮以刚性梁代替。计算采用结构净尺寸进行，即模型中的构件尺寸为实际尺寸减去2 mm腐蚀增量。钢材的物理参数如下：杨氏模量E=2.06×105（N/mm2）；泊松比 μ=0.3。

4.3 应力衡准

根据IACS及船级社规范规定，许用正应力为100%所用材料的屈服点；许用剪切应力为60%所用材料的屈服点。

式中：K——材料系数；

σy——材料屈服强度，N/mm2

本文为K=1，σy=235 N/mm2。不考虑应力集中因素。正应力包括弯曲应力和因剪切应力产生的轴向应力。

4.4 加载和计算

系泊/拖带载荷的作用点应是系索/拖索的附着点或系索/拖索方向的变化处，设计载荷应根据拖带和系泊布置图里的缆绳方向进行加载。由于篇幅原因，仅选取典型工况进行示例校核：

1）拖带工况下带缆桩承受的载荷按缆绳方向在全局坐标系下分解，通过刚体梁连接到甲板梁节点上。如图1所示，单根系索上的载荷为791.25 kN，得出F1x=731 020 N，F1y=-302 799 N。计算得出最大正应力［σ］=149 N/mm2，最大剪应力［τ］=49 N/mm2，满足规范要求。

图1 拖带工况带缆桩受力分解图

图2 系泊工况绞车受力分解图

2）设计载荷在全局坐标系下分解得到系羊角导缆器上承受的载荷为（见图2）：舷侧导缆孔上承受的载荷为F1x=829 054 N，F1y=382 199 N；绞车上承受的载荷为：F2x=206 038 N，F2y=458 454 N；舷侧羊角导缆器上承受的载荷为：F3x=242 570 N，F3y=115 700 N。计算得出最大正应力［σ］=186 N/mm2，最大剪应力［τ］=85 N/mm2，满足规范要求。

5 结语

篇幅有限，虽未能将所有系泊工况一一列出详细说明，但已可得到如下经验。

1）在船舶进行拖带操作时，由于拖力较大，故拖桩附近的船体结构会产生较大的应力。为保证拖带操作的安全，必须保证这一区域的船体结构有足够的强度。在实际情况下，拖力普遍较大，拖桩附近的船体结构受力往往也都会超出许用应力值，需要进行局部加强。

2）考虑到纵向受力相对较大，加强时重点在纵向结构。

3）在系泊工况下，由于系索本身的破断力相对较小，所以作用在导缆孔、导缆滚轮、带缆桩等系泊设备上的载荷会相对比较小，相应产生的应力也较小。

4）为保证满足结构强度，在布置拖带与系泊设备时，要注意以下几点：

（1）尽量将拖带与系泊设备布置在强构件上或强构件较为密集的区域；

（2）出现2根系索牵引时，要尽量使2根系索间的夹角变大，避免产生过大的合力；

（3）在系索牵引的方向上尽量设有强横梁或纵桁，或作类似加强；

（4）尽量降低拖力和系泊力的作用点，以减小弯矩；

（5）立柱导缆器的高度要按照现场拉线确定，使得绕过的缆绳尽量在一个平面上。

系泊设备作为船舶设备里不可或缺的一部分，其结构加强需要满足IACS及各船级社的规范要求。本文通过对舾装和结构的规范论述希望能让读者对系泊及其结构加强有一个更全面的认识和深刻的理解。

［1］IACSUR-A.Requirements Concerning Mooring，Anchoring and Towing［S］.2007.

［2］中国船级社.钢质海船入级规范［S］.2009.

［3］GL 船 级 社.RULESFOR CLASSIFICATION AND CONSTRUCTION［S］.2009.