成品码头钢卷捆扎系固的受力分析及算例校核--中国期刊网

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成品码头钢卷捆扎系固的受力分析及算例校核

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘春成

[导读] 摘要：通过受力分析，对成品钢卷装船捆扎、系固受力情况进行了系统解析。

        宝钢湛江钢铁有限公司广东湛江中国
        摘要：通过受力分析，对成品钢卷装船捆扎、系固受力情况进行了系统解析。根据《货物系固手册》，设定满足系固要求的限制条件，并通过一则实际案例对货物横向受力、倾覆力矩以及复原力矩进行校核。
        关键词：钢卷系固；力矩分析；校核
        引言
        船舶载运重大件货物时，必须对所载运的重大件货物进行捆扎、系固，以防止在航行途中出现横移、纵移和横向倾覆。因系固不当而引起货物在航行途中移动或者倾覆从而导致船、货物受损的事件时有发生，为确保海上航行安全，《SOLAS74》公约要求除液货船和原木船（原木船另有要求）外的其他船舶必须配备经主管机关批准的《货物系固手册》。2006年1月，中国海事局要求中国船舶必须按IMO最新版《货物积载和系固安全操作规则》和《货物货物系固手册的编制指南》的要求编写并携带《货物系固手册》（简称《手册》）。
        钢卷作为重大件货物装船运输，因其本身特性而易发生滚动、倾覆，因此需制定相应的捆扎系固方案加固，以确保航行过程中不受外力影响而产生货损。
        1 钢卷所受外力及力矩的确定
        船舶在航行过程中，货物随船受到风、海浪及自身重力等因素的影响，将会在纵向、横向、垂向三个方位分别收到惯性力、风压力、波溅力等的作用，产生横向、纵向的移动、倾覆趋势。
        1.1 惯性力Fa

        式中：m是货物质量，ax，ay，az分别是纵向、横向、垂向惯性加速度，可根据基本惯性加速度经船长、船速、稳性修正求得，其中：

        式中：aox、a0y、a0z是标准状态下《手册》规定的货物纵向、横向、垂向标准惯性加速度；k1是按照实际船长和船速查的的船长、船速修正系数；k2是稳性修正系数，按B/GM的数值查取，当B/GM≥13时，k2=1.
        1.2 风压力Fw
        装载于甲板上货物直接受到分压力的作用：

        式中：Awx、Awy是货物横向和从向受风面积；pw为风压强，按《手册》规定pw=1kn/m2
        1.3 波溅力Fs
        装载于甲板上的货物会受到波浪溅力作用：

        式中：Asx、Asy是货物纵向和横向的波溅面积，按《手册》规定“仅就高于露天甲板或舱口2M以下的范围内的甲板货考虑飞溅力”。因此，h’=min{2,h}，ps为波溅压强，按照《手册》规定，ps=1KPa。
        1.4 钢卷外力及力矩分析
        通过前述受力的分析可知，风压力Fw和波溅力Fs的计算只针对装载于甲板上的货物。钢卷通常情况下装载在舱底，因此风压力Fw、波溅力Fs受力为零。根据船舱内钢卷的装载、加固方式，我们对其所受外力分析如下（图一）：

        由于钢卷装载在船舱舱底，Fw、Fs均为零，所以钢卷在舱底所受外力作用为：
           （1）
        即，钢卷在舱底主要受惯性力的作用，产生相对运动的趋势。钢卷所受到的横向倾覆力矩Mh为：
                                            （2）
        式中：hh为货物受倾覆力作用时的中心高度。
        2 钢卷系固合力及力矩的确定
        系固合力是由系固力和船、货之间的摩擦力两部分分构成。
        2.1 系索（钢带）所产生的系固力
        如图二所示，设一根最大系固载荷为MSL的系索按照图示方式进行系固，系索与水平平面夹角α，则按《手册》其绑扎的计算强度（CS)为:

        式中：（1）MSL为系索的最大系固载荷；
        （2）1.35是考虑到系固操作水平和系固工艺不平衡后的安全系数。
        CS的拉力可以分解为一个向下的拉力CSz和水平平面上的横向拉力CSy，因此：

        CSz使货物对下垫面的摩擦力增加了，因此系索对货物产生的横向系固力为：

        式中：fy是α和μ的函数，具体可按《手册》中下表查询。
        表一
        Table 1

        同理，当系索纵向系固时，所产生的纵向系固力为：

        综上所述，系索产生的系固合力为：

        另外，在通常情况下系索的纵向分力Fx＇足够防止货物的纵向移动。
        2.2 系索（钢带）所产生的系固力矩

        如图二所示，当货物在外力倾覆力矩作用下绕支点M进行倾覆转动时，系索作用在货物上的三个力 CSx、CSy、CSz中CSx产生的力矩在纵向上，与货物转动无关。CSy、CSz对货物形成与倾覆方向相反的系固力矩MCSy、MCSz，力臂分别为c、b，因此货物的复原力矩MCS为：

        式中：（1）ai为系横向系固力臂，由系索产生的横向分力产生；
        （2）b为稳定力臂，由垂向力产生；
        （3）ci为系固力臂，由系固力产生。
        2.3 钢卷系固合力、系固力矩分析
        如图二所示，钢卷装载主要装载于舱底、二层装载，钢带横向捆扎、左右对称捆扎，且通常情况下纵向分力能够防止纵向的滑动。因此只需分析一侧的横向系固力情况即可，以下以左舷为例，横向系固力Fy＇、复原力矩MCS分别为：
                                      （3）
        只有当Fy≤Fy＇，且Mh≤MCS时，才能满足捆扎加固要求。
        3 常规船型系固算例
        船舶在航行过程中，不同装载位置货物其所受的外力影响大小不一。一般情况而言，装载位置越高，其纵向、横向加速度越大；船头、船尾的横向加速度大于船中位置；装载甲板的货物还同时受到风压力、波溅力的影响。在此，我们选用一常规船型作为参数，分别选择船长0.1L、0.5L、0.9L三处位置对成品码头钢卷装载、系固进行检验。
        设置条件如下：
        （1）船型资料：船长100m，船宽15m，初稳性高度1.35m，航速9kn；
        （2）钢卷资料：28t，卷宽1500mm，卷外径1612mm；
        （3）钢卷装载舱底位置：船尾0.1L、船中0.5L、船头0.9L
        （4）钢卷舱内系固方案如图二所示，具体参数见下表2。
        表2
        Table 2

        3.1 钢卷在船舱不同位置所受外力、力矩的计算
        由公式（1）计算可得，在设定的三处位置钢卷所受外力分别为：
        表3
        Table 3

        由公式（2）计算可得，钢卷在不同装载位置的倾覆力矩为：
        表4
        Table 4

        通过上述计算可知，靠紧船尾、船头部位的横向力、力矩大于船中部位。在船头横向力和力矩达到最大135.7kN、94.74kN•m。
        3.2 钢卷系固力计算
        由公式（3）计算可得，钢卷在设定条件下的单侧（左舷）系固力Fy＇及复原力矩MCS分别为：
        表5
        Table 5

        3.3 钢卷受力校核
        由前述计算可知，设定情况下的捆扎系固方案中Fy＇（kN)＞Fy，MCS＞Mh，满足加固要求。
        4 结语
        本文对成品码头钢卷装船的捆扎系固受力着重进行了分析，并设定了捆扎系固满足要求的限制条件；通过常规船型的计算案例分析，对设定条件下的捆扎系固方案进行了校核，证明系固方案满足要求。
        参考文献
        [1]IMO.Guidelines for the cargo securing manual[S].1997.
        [2]沈江.论大重件货物的系固[J].中国航海.2008.
        [3]沈江.重大件货物系固的计算方法[J].大连海事大学学报，2008
        作者简介：刘春成，宝钢湛江钢铁有限公司，广东湛江，1987.4，男，广东湛江，本科，助理经济师，研究方向：物流运输信息化管理