IACS统一要求对超大型集装箱船结构设计的影响

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(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

近年来，集装箱船的大型化趋势日益明显[1]。超厚板和超高强度钢板的广泛应用使得超大型集装船的刚度问题日益凸显，2007年MSC的“Napoli”号和2013年MOL的“Comfort”号[2-3]两次海损事故使业内人士重新审视集装箱船的总强度问题，尤其是后者的事故，船体断为两截，无法自航，最终沉没。为了有效防止此类事故的再次发生，国际船级社协会(IACS)相继颁布了针对集装箱船超高强度厚板的URS33要求[4]、针对集装箱船总强度问题的URS11A[5]要求及针对集装箱船有限元分析的URS34要求[6]。前者于2014年1月1日生效，后两者于2016年7月1日生效。这些统一要求已逐步被各船级社吸收入各自的规范并加以执行。

本文将结合MARIC设计的两型20 000 TEU级超大型集装箱船讨论新要求对结构设计的影响，其中20 000 TEU满足了URS33的要求，21 000 TEU尽管根据合同签订时间不需要满足URS11A和URS34，但船东额外提出，要求该船满足新要求，因此,在设计过程中21 000 TEU同时满足了URS11和URS11A及URS34，这为本文进行IACS要求的比较提供了较好的平台。两型船舶的主尺度见表1。

表1 两型船舶主要参数 m

1 URS33的影响

URS33统一要求主要是对集装箱船上使用超厚高强度钢做了规定，提出了止裂设计的要求。对于集装箱船结构设计的影响主要体现在是否需要止裂钢，而唯一的条件取决于舱口围板侧板结构。根据URS33要求，只有当舱口围侧板使用厚度超过85EH40或50EH47的板材时，才需要对相应结构使用止裂钢。如果舱口围结构没有达到使用止裂钢的要求，船上其余位置，即使使用了厚度超过85EH40或50EH47的板材也不需要考虑使用止裂钢。

20 000 TEU集装箱船在设计过程中，由于型深相对较矮，剖面模数较难满足，因此在舱口围区域采用了80EH47的高强度钢材，根据URS33要求，需要进行相应的止裂设计。在实际止裂设计过程中有A和B两种选项，相较于选项A，选项B对于焊接和探伤有更高的要求，从设计及建造的角度，目前国内的船厂较倾向于选项A的方案。根据选项A的要求，结构设计时需要在主甲板和纵向舱口围侧板使用止裂钢，见图1，同时要求纵向舱口围板的分段缝与主船体的分段缝在纵向范围至少错开300 mm，见图2。

20 000 TEU还首次使用了国产止裂钢[7]。

2 URS11A的影响

URS11A要求的推出取代了已长期使用的URS11要求，关于新老要求的差别已有不少研究[8]，这里不再赘述。考虑以21 000 TEU作为实例，在评估范围(0.2L～0.75L)内沿船长取30个横剖面进行计算，通过与URS11的对比，从船体梁总纵强度、船体梁刚度、剪切强度、屈曲强度要求等方面分析URS11A对结构设计及船体重量的影响。

2.1 船体梁强度

船体梁强度涵盖了船体梁弯曲强度、剪切强度及船体梁刚度等方面，URS11A对船体梁强度的影响主要体现在引入了净厚度的概念，修改了评估船体总纵屈服强度、船体梁刚度的衡准。

在URS11A中IACS重新定义了波浪载荷的公式，21 000 TEU波浪弯矩和剪力的分布见图3，其中虚线表示的是URS11A的载荷，而实线表示的是URS11的载荷。

就弯矩分布图而言，由于集装箱船的纵向构件尺寸一般由中拱状态决定，新老要求差距较小，同时由于在校核船体梁弯曲强度时，衡准由原先的175/k(k为材料系数)提高到了约189/k，这也抵消了部分弯矩增加及采用净厚度校核所带来的不利影响，弯矩变化对构件尺寸影响较小。以舱口围顶板和船底板为例进行分析，见图4。

由图4可见，就船底板而言，对超大型集装箱船，原本余量比较大，基于URS11A仍能满足要求，而对于舱口围顶板，在0.25L附近总纵弯曲应力无法满足要求，这主要是由于URS11A中拱弯矩增加造成的，但应力超过许用值并不多，只需对舱口围、主甲板、外板等纵向构件略做加强，就可以满足要求。

对波浪剪力而言，可以发现在艏艉处，新老要求的差距比较大，个别位置的值甚至增加了1倍，图5是0.2L-0.1 m及0.75L+0.1 m处横剖面的计算结果。虽然URS11A将剪应力衡准由110/k提高到了约120/k，但如果施加URS11A的波浪剪力，外板仍需要在URS11要求的基础上增加1～4 mm的板厚。

对于集装箱船而言，舷侧双壳结构的外板和内纵舱壁上的剪应力往往比较大，通过计算这2个构件的最大剪应力来分析URS11A的影响，见图6。

由图6可见，内纵壁和外板在评估范围的艏艉段都无法满足URS11A的要求，主要原因还在于波浪剪力较URS11有较大幅度的增加。通过下文的重量统计也可以发现，由于剪切强度不足引起的结构加强所占比重最大。

URS11A除了规定了船体梁的弯曲强度外，还对船体梁的刚度做了要求，原先的URS11只在船中处有刚度要求，而URS11A则在整个评估范围内做了要求。通过计算发现，在船体梁刚度上，URS11A并未对21 000 TEU级别的集装箱船产生影响。

2.2 屈曲强度

通过对评估范围内30个横剖面的计算,全面分析了板格及纵骨的屈曲强度，鉴于篇幅原因，只对结果进行分析总结，对构件的具体计算结果不一一列举。

1)对于板格屈曲而言，不满足URS11A要求的位置主要集中在内壳纵舱壁上。以往在集装箱船结构设计过程中，内壳纵舱壁的板厚主要由船体梁剪力或局部强度来决定，而在URS11A要求下内纵壁产生较严重屈曲问题，这不仅是因为IACS修改了屈曲计算的公式，如果我们统计每个计算剖面内壳纵壁上不满足屈曲要求的板所占的百分比(图8中的实线，其中去掉了纵舱壁上用以提高剖面模数的厚度大于20 mm的板)，发现艏艉段屈曲问题较严重。再把波浪剪力附到这张图上(考虑剪力的绝对值)，发现两者的趋势大致相同，说明船体梁剪力的增加也是造成屈曲问题的重要原因。

2)对于纵骨屈曲而言，不满足URS11A要求的位置主要集中在二甲板上纵向抗扭箱内外板和内壳纵舱壁上的纵骨，以往这些构件由于位于空舱内，无需考虑液舱的局部载荷，同时由于离水线较远，舷外水压力的载荷也比较小，因此，往往结构尺寸的要求也比较小。而在URS11A生效后，屈曲强度成为决定这些构件尺寸的主要因素，通过21 000 TEU的计算，相较URS11，这些构件几乎在整个评估范围内都需要加强。

2.3 重量影响

为了满足URS11A的要求对船体结构进行加强，表2为各分项重量的占比。由表2可见，船体梁剪切强度引起的重量增加占到了一半以上，而前文也提到板格屈曲的原因也是由于剪力的增加，这两者相加占到了75%左右，因此波浪剪力的增加是造成结构重量增加的主因，对船体结构设计的影响较大。

表2 各项加强结构重量占比 %

3 URS34的影响

URS34是关于采用有限元方法进行集装箱船强度评估时的要求，其中对舱段有限元的载荷工况做了最低要求。以21 000 TEU为例分析URS34与主要船级社规范[9-10]在进行舱段有限元分析时工况的异同。规范近似工况比较见表3。

表3 URS34与某船级社规范舱段有限元工况对比

注：表中的集装箱装载因子数值越大箱重越重。

在表3中，根据计算结果，由于40 ft重载不是构件尺寸的决定工况，因此不做讨论。而20 ft重载与40 ft轻载，参数几乎相同，从计算结果来看差别不大。而对于隔舱装载，URS34与船级社规范相比，仅是舱内集装箱略轻一些，由于隔舱装载在计算时船体梁是中拱状态，集装箱可以抵消一部分船体梁变形，因此箱子重一些较有利，从结果也可以看出URS34要求更高，该工况是造成结果差异的主要原因。

采用URS34的计算工况后，屈服应力超过衡准的位置全部集中在底纵桁靠近水密舱壁位置处，而屈曲不满足衡准的位置集中在内底板、外底板和内壳纵舱壁个别板格上，见图9、10。

对于屈服不满足要求的底纵桁采取加厚嵌入板的方式解决，对于屈曲不满足要求的板格首先考虑增加屈曲筋，而后考虑增加板厚。通过最后的统计，为了满足URS34要求，所产生的重量增加相较原舱段的重量几乎可以忽略不计。

4 结论

1)对于URS33要求，主要影响在舱口围板侧板采用85EH40或50EH47及以上厚度的钢材时，需考虑采用止裂钢，同时采取相应的止裂设计。

2)对于URS11A要求，在实船设计过程中，波浪弯矩的变化并未对结构造成太多的影响，弯曲应力衡准的提高基本可以抵消净厚度和波浪弯矩增加带来的不利影响。而波浪剪力的变化对船体结构尺寸影响较大，不仅造成了部分结构剪应力无法满足要求，同时也是造成板格屈曲的主因。

3)通过21 000 TEU的验证性计算，为了满足URS11A要求，需要增加额外重量。作为主要诱因，由于波浪剪力的大幅增加，个别板格增加的厚度较大，需要引起重视。

4)对于舱段有限元，现有船级社规范所要求的计算工况基本涵盖了URS34的要求，URS34所带来的结构加强重量较小。

[1] 胥苗苗.IACS集装箱船建造新标准呼之欲出[J].中国船检,2015(6):57-59.

[2] ClassNK. Investigation Report on Structural Safety of Large Container Ships[R].Japan.ClassNK,2014.

[3] Yoichi SUMI. Interim Report of Committee on Large Container Ship Safety[R].Japan.Committee on Large Container Ship Safety,2013.

[4] International Association of Classification Societies. Unified requirements S33[S].IACS,2015.

[5] International Association of Classification Societies. Unified requirements S11A[S].IACS,2015.

[6] International Association of Classification Societies. Unified requirements S34[S].IACS,2015.

[7] 黄维,傅振中,富琳,等.集装箱船用止裂钢板开发进展[J].鞍钢技术,2017(2):8-12.

[8] 郑祖园,王德禹.UR-S11A对集装箱船直接强度的影响[J].中国舰船研究,2016,11(4):44-50.

[9] Rules for Classification and Construction Ship Technology[S].DNVGL,2015.

[10] Rules and Regulations for the Classification of Ships Technology[S].LR,2015.