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集装箱系固计算综述2010年8月第4期船舶SHIP&B0ATAugust,2010N0.4船舶结构集装箱系固计算综述罗(七O八研究所扬上海200011)关键词集装箱;系固;堆重计算;捆扎计算摘要针对集装箱船航行过程中集装箱的运输安全,探讨了集装箱系固的计算方法.以德国劳氏规范和中国CCS规范为依据,分析了集装箱的受力及力的传递与分配,重点阐述了集装箱堆重计算的原理.并以堆重计算为基础,介绍了捆扎计算的基本方法.希望对集装箱船的结构设计以及舾装设计有参考作用.中图分类号U661.43文献标识码A文章编号10019855(2010)04002806CalculationoftheforcesinsecuringofcontainersLuoYangKeywords:containers;securingsystem;calculationofcontainersstowage;calculationoflashingforcesAbstract:Forthesafetyofcontainersduringthetransportationonsea,researchonsecuringsystemiseaiedoutinthispaper.AccordingtoGermanischerLloyd(GL)RulesandChinaClassificationSociety(CCS)Rules,thispaperanalysestheforcesactingonthecontainersandthetransmissionanddistributionoftheseforces,andintroducestheprinciplesofthecalculationofcontainersstowage.Basedonthecalculationofcontainersstowage,thedeterminationoftheforcesinthelashingsystemisexplainedbriefly.Thesemethodscouldbereferencedinthestructuresandequipmentsdesignofcontainership.0引言集装箱船以其网络化运输,周转快,成本低等诸多优势而备受航运界青睐.集装箱的系固计算是集装箱船设计的重要环节,不仅关系到集装箱的货物安全,甚至也对船舶的航行安全,起到至关重要的作用.作者曾在装载仪的集装箱版本开发过程中对集装箱船的系固计算进行过比较深入研究,本文旨在介绍集装箱系固计算的基本方法.集装箱运输的优势在于单元式装卸,不仅舱内要布箱,露天甲板上还有大量预留的箱位.但是,无论是舱内的集装箱,或者是甲板上的集装箱,受到的外力却是大体相同的,所以基本的堆重计算都是相同的.只是在甲板上,舷旁外侧的箱体会受到风压的影响,有时候也会添加捆扎装置;而舱内的某些集装箱会得到舱壁辅助结构(如导轨,支柱等)的侧向支撑,考虑到这些因素,集装箱的受力计算会发生改变.本文将依据德国劳氏和中国船级社规范的理论,介绍基本的堆重计算方法和捆扎力的计算方法.1集装箱所受的基本外力集装箱在装运的过程中,为了达到最大的装卸效率,无论是在舱内,还是在甲板上,通常只使用堆锥等最简单的底角锁紧装置,如图1所示.在这种状态下,集装箱所受的外力主要分为以下几种:船舶运动引起的惯性力;集装箱的重力;风压力(风压力仅对甲板上的集装箱起到作用);底角支撑力.收稿日期2010030l【作者简介罗扬(1977.10一),女,湖北人,工程师,硕士研究生,主要从事船舶结构强度分析.28集装箱系固计算综述图1集装箱装载示意图1.1船舶运动引起的惯性力一般来说,船舶在海上运动有六个自由度,即绕z轴的首摇运动,绕Y轴的纵摇运动,绕X轴的横摇运动,以及上下,左右,前后三个移动.而在这六个运动中起到主要作用的是横摇,纵摇和升沉运动.1.2集装箱的重力在船舶发生倾斜的时候,集装箱自身的重力将产生平行于甲板和垂直于甲板的两个分量.1.3风压力风压仅对布置在甲板上的集装箱起到作用,而且也不是甲板上所有的集装箱都受到风压,仅仅是靠近舷旁外侧的集装箱受到影响.关于风压的确定,各个船级社的规定并不一致,比方说,CCS规定Q=qA(kN),其中q为风压,对于甲板上舷旁外侧的集装箱q=1.12kPa,对于中间和货舱内的集装箱q=0,A为受风压作用的集装箱的侧面积(m).德国劳氏对风压的规定比较简明,规范设定了一张表格,如表1所示,给最常见布箱方式下的风压计算提供了参考依据.对于甲板上,位于舷旁外侧,沿船长方向布置的标准集装箱,根据其高度位置和德国劳氏还提到,如果舷旁外侧的一列集装箱通过横向连接装置与里面的一列或数列集装箱相连,如图2所示,则风压会被传递到相连的数列集装箱上(不过该传递最多不超过三列).每箱所受风力载荷的值应该修正为Fw/n(kN)式中与舷旁外侧集装箱横向相连的集装箱的列数(n=3).图2受风压影响的集装箱示意图1.4底角支撑力前面提到的三种力都是破坏集装箱平衡状态的力,只有底角支撑力是抗衡这些力,维持集装箱的稳定.底角支撑力的确定需要考虑集装箱上各种外力的传递与分配,本文将在下一节集装箱的堆重计算中作出比较详细的分析,此处不再赘述箱子的尺寸风选.21集装箱的堆重计算表风压的选择术1爿王开每箱所受风力载荷F(kN)集装箱尺寸甲板层2040第一层3060第二层或更高I530注:本表仅适用于86高的标准集装箱,对于其他规格的集装箱,风力载荷需要重新修订.2.1集装箱的受力集装箱上所受的力可分为F,F及F三个分力,如图3所示.其中OX为横摇中心轴,F,F及F均作用在集装箱的重心,即认为集装箱的重心位于箱的中心处.备注:其实每个集装箱的重心位置根据其所装货物的不同,重心位置并不都在箱的中心.德国劳氏就规定:重心的高度为箱高45%的位置.292010年8月第4期船舶SHIP&B0ATAugust,2010N0.4I/./一一/)一一,/tFll/,o,图3集装箱受力分析2.1.1集装箱所受横向力平行于甲板的横向分力F,德国劳氏的计算公式为:Fy=(G?9.81?b.)+Fw(kN)式中G集装箱的重量(包括所装货物),(t);Fw风载荷(对甲板上受到风压影响的集装箱可取有效值,其余情况该值可取0);系数,根据集装箱在船上的前后位置确定如下:AJP0.2L:=1.150.75/L0.2L0.6L:=1.00.6LFP:=0.55+0.75/L集装箱的重心到AP的距离;船舶的垂线间长;bq横摇加速度系数.该值的选取方法在劳氏规范中有详细的介绍,此处不再赘述.其实各个船级社的横向力计算公式大体上是相似的,最大的不同之处就在于横摇加速度的确定,各船级社都有自己不同的经验公式.在德国劳氏的计算公式中,对横摇加速度起决定作用的是系数和b.而在中国CCS的规范中,他们对横摇加速度的确定要涉及最大横摇角,横摇周期,以及集装箱重心的垂向位置.所以对于人不同级的船来说,横向分力F的计算结果略有出人.2.1.2集装箱所受纵向力平行于甲板的纵向分力F,德国劳氏的计算公式为:F=C?b.(kN)30式中bl纵摇加速度系数,该值的选取方法在劳氏规范中有详细的介绍,此处不再赘述.与上一节中提到的横向力计算类似,纵向力的计算关键也是在于纵向加速度的确定,具体的计算方法,各大船级社各有特点,此处不再赘述.2.1.3集装箱所受垂向力垂直于甲板的垂向分力,德国劳氏的计算公式为:Fz:G.(1+b)?9.81(kN)式中by垂向加速度系数,该值的选取方法在劳氏规范中有详细的介绍,此处不再赘述.与前面的横向力,纵向力计算类似,有关垂向加速度的确定方法也是各大船级社有别.此处不再赘述.2.2集装箱上力的传递与分配集装箱上所受的力,F及,通过集装箱的纵壁,端面以及底角进行传递,具体的分配方式参考下面几节的介绍.集装箱封端的受力情况如图4所示.2.2.1横向力横向分力F由箱的前后两端壁传递到支撑点.第i只集装箱的每个端壁传递的横向分力应按下式计算:=Fi/2(kN)其实端壁上的力在该端面还有一次上下的再分配,上端为i/2,在下端为/2.2.2.2纵向力纵向分力F由箱的左右纵壁传递到支撑点.集装箱系固计算综述图4集装箱封端上的力第i只集装箱的每道纵壁传递的纵向分力按下式计算:Li=Fi/2(kN)2.2.3垂向力垂向分力的合力P由箱的四个底角传递到底座处的支撑结构上.第i只集装箱的每只底角处的垂向分力按下式计算:vi=Fi/4(kN)2.3集装箱底角受力的计算方法2.3.1前提条件前提一,仅受横摇影响,且横摇角取可能范围内最大值.对于单个集装箱的六个面来说,前后端壁(门端和墙端)的结构强度是比较弱的,特别是门端(即集装箱入货的开门端),弹性系数是墙端的四倍还多(据德国劳氏规范).另外,绝大多数集装箱船的箱位都是沿船长纵向布置的,特别是大型集装箱船更是如此.根据箱体的强度以及箱位的布置,通常情况下,三种主要的船体运动(横摇,纵摇,升沉)中,横摇对集装箱的强度影响最为剧烈.本文下面要分析集装箱底角受力计算的方法,为了计算简化,假设船舶仅受到横摇影响,且横摇角取可能范围内的最大值.前提二,集装箱仅有箱角固定,而不受其他固定装置的影响.本文曾经在前面提过,为了达到最大的装卸效率,船舶实际运营过程中,总是希望采用尽量少的固定装置.下面的计算方法就是沿用了这一思路,采用最简单的计算模型,假定所分析的一列集装箱仅受单纯的箱角支撑.前提三,集装箱没有受到风压的作用.在集装箱船的运营中,受到风压力影响的集装箱其实比例并不大,仅仅是甲板上靠近舷旁外侧的集装箱受到影响.所以为了计算的简化,假定所分析的一列集装箱不受风压的影响.2.3.2计算分析德国劳氏对于箱底角支撑力的计算给出了公式,只是说明比较简略.本文将作一个比较详细的解释.横倾状态下,单列集装箱的受力情况如图5所示,该列集装箱最下层的底角堆锥的受力示意图如图6所示.以这两个图为依据,劳氏规范中底角支撑力的公式就容易理解了.图5单列集装箱受力示意图312010年8月第4期船舶SHIP&B0ATAugust,2010N0.4图6集装箱底角螺栓受力示意图根据劳氏规范,底角支撑力的计算公式是Pl=FH+vPl=FHFvFH=(Fl.hl+F2?h2+F?h)/(2?B.)Fv:(Gl+G2+G)?b?9.81?cos30./4式中6计算系数,该值的选取方法在劳氏规范中有详细的介绍,此处不再赘述.这两个公式看似复杂,稍作分析,便可知这只是简单的力学问题.为横倾状态下,该列箱在倾倒时产生的力偶分量,上面的公式经过变形,就可以看出其实是一个力偶平衡方程,如下:-H.B=Frl/2?h1+Fv2/2?h2+/2?h式中B.集装箱的宽度.F为横倾状态下,该列集装箱总重量在该底角上的分配.其中最大横倾角的确定各船级社有所不同,德国劳氏规定为3O.,实际运营中,横倾角是很难达到30.的,此处是出于偏安全的考虑.当P<0的时候,实际上这个底角对箱体的支撑是以拉力方式体现的.中国CCS规范对于底角的计算也给出了计算表格(参见ccs(钢制海船人级与建造规范第8章,第4节),经过换算之后,可以发现两家船级社32的计算原理完全相同,只是表述上有所差异.2.3.3补充说明前面介绍的底角支撑力计算方法,虽然有很多前提条件的限制,但是只要弄清楚计算原理,其实具有很大的适应性.对于纵摇的状况,或者横置箱位,或者该列箱受到风压影响,其计算方法都可以推而广之.只需要调整相应的计算参量,比方说,用纵向力取代横向力,或者用箱长代替箱宽,具体情况具体对待,此处不再赘述.2.4集装箱端壁扭变力的计算方法集装箱在横倾状态下,除了底角的堆锥受到拉压作用之外,端壁本身的强度也在经受扭转变形的考验,特别是门端.不同型号的集装箱,端壁的许用值都有差异,各家船级社也有自己的硬性规定.不过,端壁所受扭变力的计算,原理都是相同的.扭变力计算公式:Ti=Fi/4+Fi+1/2+Fi+2/2+F/2=F/4式中i值可取1n一1;n该列集装箱总的层数.其实不仅是端壁受到扭变力的影响,集装箱的纵壁也受到扭变力的影响,计算公式与横向扭变力的计算公式相同,只需要把F替代成,就可以了.纵壁扭变力的许用值也各有不同,CCS规范的要求是不超过100kN.3集装箱的捆扎计算如果仅靠底角堆锥无法提供足够的支撑力,或者集装箱端壁的扭变力超过许用值,那么就要依靠其他的支撑装置.舱内的集装箱通常是利用轨道或支柱的侧向支撑,不过,最具运输危险性的集装箱还是甲板上的那些,甲板上最重要的辅助支撑方式就是捆扎.捆扎的计算比较繁琐,下面根据德国劳氏的算法对基本原理做出简要的解释.3.1捆扎计算模型的简化与前面堆重计算的方法相同,为了使得处理相对直观,仍然对计算模型进行了一定程度的简化.现在最流行的捆扎方式是交叉捆,具体形式如集装箱系固计算综述图7所示.对于这种捆扎方式,可以进行比较精确的数学计算,本文所关心的也是这种捆扎方式,相关的前提条件有如下约定:?简化一假设箱体所受的扭变力等于捆扎绳的拉力;?简化二假设箱体的变形位移等于捆扎绳的拉伸位移;?简化三假设箱体底角的位移为0,或者取一个定值,单位,mm;?简化四假设捆扎绳的预应力为0,或者取一个定值.oo0o盆叠I-/V卫图7集装箱捆扎示意图3.2捆扎计算方法解决捆扎力的关键在于算出各层箱体的位移,也就是捆扎绳的位移,6,6,不过,在实际操作中,通常交叉捆扎最多捆三层.其实解决捆扎计算的关