大型集装箱船横舱壁结构形式探讨

李丹丹 韩 钰 陈乐昆

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

大型集装箱船横舱壁结构形式探讨

李丹丹 韩 钰 陈乐昆

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

横舱壁作为集装箱船的重要结构之一，不仅要支撑货舱导轨，还要支撑其上部的舱口盖、绑扎桥及上面堆放的集装箱。与其他船型相比，集装箱船的甲板具有大开口特性，船的横向强度及扭转强度更多地依赖横舱壁。集装箱船其他区域的结构形式相对较为固化，但其横舱壁的结构形式具有多样性，文中介绍了集装箱船横舱壁的三种主要形式（垂直式、水平式、混合式），并进行对比分析，从而有助于设计相关设计人员根据货舱实际装箱情况，选取合适的横舱壁形式。

集装箱船；水密横舱壁；支撑横舱壁；混合式横舱壁；横向强度

引 言

伴随着集装箱航运市场的持续低迷，在安全的前提下，各个设计公司及船厂努力优化集装箱船的设计，降低空船质量，从而达到集装箱船性能指标优异，以抢占市场。集装箱船特别是超大型集装箱船，明显不同于其他船型：货舱开口较宽且很长，整船的横向强度主要依赖于横舱壁。船体的扭转强度，尤其是货舱段的变形也因横舱壁而得到有效控制。根据横舱壁的功能其主要分为水密横舱壁和支撑横舱壁两种。本文分别介绍其各自的结构特点，以及一种改进的混合型的横舱壁结构形式。

1 集装箱船横舱壁的作用及用途

集装箱船通常在两个标准集装箱（一个40 ft集装箱长度）之间设置横舱壁/支撑横舱壁，一般与横向舱口围板对齐，从而构成双板型的箱型结构，以便更有效装载及支撑集装箱；同时，集装箱船货舱区域的功能化模块也设置在横舱壁范围内。对于超大型集装箱船，横舱壁在垂向范围内，通常从内底或货舱最底部，一直延伸至横向舱口围板顶。横舱壁的前后两侧设有集装箱导轨，方便集装箱的吊装，导轨通常延伸至最下层的集装箱顶部，这样集装箱在装卸货的时候都能顺着导轨，以确保集装箱装卸的准确高效。当船舶纵倾时，集装箱通过导轨将纵向力传递至横舱壁。货舱区域船体纵剖面图如图1所示。

横舱壁的顶部支撑着两侧货舱的舱口盖以及绑扎桥，为了能够多装箱子，故力求在舱口盖上堆装最大层数和最多堆重的集装箱，由此产生较大反作用力作用于横舱壁，制约着横舱壁的刚度及强度。为了确保舱口盖上的集装箱在航行过程中不会因为船舶的运动而发生移动及丢失，集装箱船甲板面上通常设有绑扎桥。绑扎桥能够较好地把舱口盖上最下3～4层的集装箱系固在船体上。绑扎桥的宽度需满足CSS（Cargo Stowage and Securing）code［1］中横向通道的最小要求，这在一定程度上限制了集装箱船横舱壁双板间的最小宽度。

双板型横舱壁参数见表1。

表1 双板型横舱壁参数mm

双板型横舱壁内需要布置货舱污水井、压载舱的管系、进入货舱的梯道、货舱通风管路等功能性模块，这些布置在一定程度上削弱了横舱壁的结构强度。对于部分燃油舱/压载水舱舱容紧张的集装箱船，会在水密横舱壁处设置燃油深舱/压载水舱。

2 横舱壁抗扭设计

由于集装箱船大开口的特性，船体梁会承受各种载荷下的联合作用——静水弯矩、货物和不对称液舱室布置引起的静水扭矩、垂向弯矩、水平弯矩等。可以看出具有大开口的集装箱船不仅有纵向的弯曲，扭转变形也是其主要特征之一。而在开口区域内设置多个水密横舱壁和支撑横舱壁，不但可以增强开口区域的刚度，也可以抑制船体梁扭转变形。

集装箱船水密横舱壁和支撑横舱壁通常在其顶部设置由双向板架构成的横向抗扭箱，并在端部设置大型肘板与纵舱壁连接，用以提供足够的强度来承受由船体梁扭转而引起的扭矩。横向抗扭箱的抗扭强度取决与双向板架的高度及双向板的厚度。

横舱壁的抗扭能力可通过计算分析弯扭合成应力来校核。弯矩合成应力可使用BV的Mars2000软件进行分析，在剖面计算时迭加上翘曲应力，求得总的合成应力，并将总合成应力同许用应力比较，判断结构是否满足强度要求。最后可采用全船有限元分析的扭合成应力分析结构进行验证。

船体薄壁梁模型以及全船有限元模型参见图2、图3。

3 水密横舱壁及支撑横舱壁形式

集装箱船的横舱壁通常分为水密横舱壁和支撑横舱壁。水密横舱壁的一侧是一个完整的水密板架，另一侧则为桁架形式；而支撑舱壁的两端均为桁架式。

由于船舶的破舱稳性的要求，集装箱船设有多道水密横舱壁。通常为纵向每2个40 ft集装箱长度处设一道水密舱壁，有的超大型集装箱船每3个40 ft集装箱长度设一道水密舱壁。水密横舱壁通常作为货舱的边界，将集装箱船划分为若干个货舱。水密横舱壁作为集装箱船最主要的受力构件之一，保证集装箱船的垂向强度、横向强度［2］及扭转强度，同时水密横舱壁还需要能够承受在货舱破损状态下的水压力。

支撑横舱壁位于两道水密横舱壁之间，不同于水密横舱壁，其双板型两侧均为敞开式的桁架。故支撑横舱壁无论在垂向还是横向都比水密横舱壁的承载能力弱。

根据横舱壁平台/桁材的布置形式，可分为垂向式、水平式和混合式。

3.1 垂向式

垂向式是在每个横向箱位向都设置垂直桁，每2～3个集装箱高度处设置水平平台的结构形式。其水平的结构平台个数明显少于垂直桁个数，该结构形式能够承受较大的垂向载荷。垂向式的横舱壁（见图4）在超大型集装箱船上运用较广［3］。由于水密横舱壁要承担船舶破舱水压力，水密横舱壁的下部分一般采用垂向式的结构形式。部分船的支撑横舱壁下部也采用垂向式的结构形式。

3.2 水平式

水平式是指在高度方向每个箱位间都设置水平平台，横向每隔若干个箱宽处设置垂直桁的结构形式。其水平的结构平台个数大于垂直桁个数，该结构形式的单个垂直桁承受更大的载荷，其构件尺寸会大很多。水平式横舱壁结构形式多用于货舱装有冷藏集装箱的情况［3］，每层设有结构平台，方便冷箱集装箱的调控，参见下页图5。

3.3 混合式

混合式是介于垂直式和水平式之间，水平平台和垂直桁均是每隔一个箱位间设置。由于平台及垂直桁的总数量较少，该结构形式的横舱壁的质量相对较轻。参见图6。

4 改进的混合式横舱壁

混合式的横舱壁作为较优的结构形式，在超大型集装箱船中尚未广泛运用。不过，混合式的横舱壁虽然质量较轻，但对建造精度要求较高。由于混合式横舱壁自身平台及垂直桁较少、间距较大，通常间隔大于5 m；另一方面超大型集装箱船的横舱壁普遍很高、很宽，通常高度近30 m，单个横舱壁分段宽度近20 m。对于单片横舱壁分段，无论是运输、翻身、吊装还是大合拢，控制横舱壁的变形，提高建造精度一直是个难题。

由于混合式横舱壁的平台及垂直桁是每隔一个箱位处设置，这样必然会在中间出现空缺部分，导轨无法有效地支持在横舱壁上，致使导轨变形［4］。通常在两个垂直桁之间设置角钢（见图6），并在导轨相应固定处沿纵向方向加强，但这同时也带来了一定缺陷。

集装箱船为大开口型船舶，在斜浪工况下的扭转变形较大，横舱壁作为抗扭的主要受力构件，会产生较大的扭转变形。横舱壁的垂直桁构件相对较强，连接其上的角钢自身强度较弱，且受制于连接形式，容易产生疲劳问题。若要解决连接处的疲劳问题，就需要一种新的结构形式取代原先的角钢。

改进的混合式横舱壁将传统的角钢连接改为T型材连接（见图7）。其优势在于，T型材面板与垂直桁面板相连时，可以增设软趾，并可根据计算结果局部嵌入厚板或将软趾放大。

5 改进的混合式横舱壁结构强度分析

本文结合我院开发设计的某超大型集装箱船，依据GL 2015年规范［5］中关于舱段有限元的要求，运用Posiedon软件对改进混合式舱壁进行强度分析计算，参见图8—图10。为计算方便，取半宽模型，纵向取1/2+1+1/2范围，模型边界、计算工况及应力、屈曲衡准参考相应规范要求。

舱段有限元分析计算工况见表2。

表2 舱段有限元分析计算工况

改进的混合式横舱壁结构应力及变形量统计值参见表3。

表3 改进的混合式横舱壁结构应力及变形量统计表

在考虑集装箱对横舱壁作用力的情况下，改进的混合式横舱壁结构经由有限元分析计算可知，应力值及相对变形量均满足设计要求。

6 结 论

集装箱船横舱壁的结构形式一般分为水平式、垂直式和混合式，可根据货舱实际装箱情况，选取合适的横舱壁形式。在货舱内不考虑装运冷藏集装箱的情况下，采用混合式的横舱壁形式，更能减轻结构质量。

改进的混合式横舱壁由于主要结构构件间距加大，给工厂的施工建造中控制变形量带来一定的难度，但其以下优点显而易见：

（1）混合式横舱壁由于平台或垂直桁数量较少，相对结构较轻。在满足相等结构强度前提下，对于单个横舱壁，混合式比垂直式减轻5%左右，比水平式减轻8%左右。

（2）改进的混合式横舱壁，运用T型材连接形式替代传统角钢连接形式，能很好地解决节点连接处的疲劳问题。

［1］ IMO. Code of Safe Practice for Cargo Stowage and Securing［S］. 2011.

［2］ 韩钰，陈磊，王伟飞，等.超大型集装箱船的结构设计［J］. 船舶与海洋工程，2015（4）：10-17.

［3］ 陈皓，李文贺，彭贵胜. 超大型集装箱船结构设计关键技术分析［J］. 上海船舶运输科学研究所学报，2015（1）：32-36.

［4］ 刘保华，郭俊林，吕紫维，等. 超大型集装箱船导轨架分段阶段安装技术研究［J］. 造船技术， 2015（5）：46-51.

［5］ GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2015.

Discussion on structure type of transverse bulkhead of

large container vessel
LI Dan-dan HAN Yu CHEN Le-kun (Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The transverse bulkhead, as one of the most important structures of a container vessel, not only supports the container guide rail, but also the hatch covers, the lashing bridges and the containers above the deck in comparison with other ship types, the larger openings on the deck of the container vessel lead the transverse and torsion strength of the ship more dependent upon the transverse bulkheads. Other regions of the container vessel have relatively fi xed structure type, while the transverse bulkhead has various structure type. This paper introduces and compares the three main structure types of the transverse bulkhead of the container vessel, i.e. vertical type, horizontal type and mixed type. It will help the designers to select the appropriate structure type for the transverse bulkhead according to the actual packing situation of the cargo hold.

container vessel; watertight transverse bulkhead; support transverse bulkhead; mixed type transverse bulkhead; transverse strength

U663.4

A

1001-9855（2017）04-0047-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.04.047

工信部高技术船舶科研计划支持项目（工信部联装［2016］25号）

2016-11-18；

2016-12-23

李丹丹（1978-），女，硕士，高级工程师。研究方向：船舶结构设计。

韩 钰（1980-），男，硕士，研究员。研究方向：船舶结构设计。

陈乐昆（1988-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计。