船舶重大件货物安全系固.docx
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船舶重大件货物安全系固
船舶重大件货物安全系固
------集装箱桥吊海上运输主动力计算分析
廖建清
（中华人民共和国福州海事局，福州350015）
摘要集装箱桥吊海上运输属特殊重大件货物海上运输。
本文应用IMO《货物系固手册编制指南》的编制原理，结合集装箱桥吊海上运输实践，推导出集装箱桥吊海上运输过程中整体及重要部位受力分析公式，为这一特殊领域的货物系固和有关强度核算打下理论基础。
关键词桥吊海上运输受力分析
1引言
集装箱桥吊海上运输具有专业性强、技术要求高、风险大的特点，它需要专业的运输船舶或专业的运输驳船，专门的积载和系固，专业的技术人员，涉及船舶稳性和强度以及专业运输管理等方面技术，保证其足以抵御海上的一般风险，从而实现这种特殊的重大件货物的海上运输。
目前国内外在这方面的技术处于业务垄断和技术保密状态，理论研究分析不多。
平常航海人员通常采用设计好的固定堆垛方式或用粗略估计、非语言式思维和模糊控制理论等方式处理一般货物组件的船上积载。
但对于重大件非标准货物海上运输，一定要做到心中有数，一定要用数学思维、量化分析处理船舶稳性和强度等问题。
在整个运输过程中，要考虑种种因素，预先制定出一整套运输方案，且在每一个运输环节还要反复考察论证方案的正确性。
所以本文先从桥吊在船上积载和主动力计算两方面入手，归纳两点理论的主动力计算方法，为这一特殊运输领域的船舶稳性、强度核算、海上拖带、风险控制提供参考。
2集装箱桥吊海上运输的积载
2.1桥吊海上运输要求专门的船舶
首先船舶要有适当的尺度和足够的强度，以抵御海上的一般风险，其次船舶要有能够调节稳性和吃水系统，实现门对门运输。
本文只讨论第一部分的主动力计算问题。
此外船上要装备起重、顶压、气割、焊接等安装设备。
2.2运输船舶尺度要求
一是宽度要基本与桥吊的横向门跨度相一致，或偏宽、偏窄误差在2～3m之内，长度则要大大于桥吊的纵向门跨度，甲板是连续甲板，船体的横梁和肋板要对应在桥吊侧腿支点的正下方，如果不刚好的话，在船体上要加焊强力肋骨和肋板，使之处于桥吊侧腿支点的正下方，以满足船体局部强度的要求。
2.3桥吊积载考虑的因素
桥吊的横向跨度与甲板宽度大致相同，由于桥吊的自身重量很重，单件重量在千吨以上，且重量分布不一定均匀，分布在四个门腿的重量有几百吨，积载时以下因素要认真考虑：
（1）装卸是要靠外力使桥吊从岸上移动到船甲板上或从船甲板上移到岸上的预定位置，整个过程要平稳有序进行，首选的是在门腿下安装轨道，实行轨道滑动装卸。
（2）轨道下面要有足够的衬垫板，以保证船甲板的局部强度要求。
（3）保证桥吊的重心在船舶的中纵剖面上。
所以在装载之前一定要有桥吊的有关资料，如主要尺度、重量、重心位置、受风面积、主要设备保护措施等资料。
（4）要事先选定装卸的舷侧，是右舷还是左舷，以便轨道的安装和预定的装卸操作走向。
这就要求在制定运输方案之前要反复考察论证。
（5）如果甲板宽度不够，或者为调整重心位置而需门腿向一侧偏移时，导致一侧门腿超出甲板宽度，这时需在超出一侧横向加接受载底座，以满足装载要求。
（6）船体各舱要专门设计成可在一定范围内调节船舶重心高度、船舶吃水和防自由液面影响的隔舱，以满足受载后船舶稳性以及装卸时根据潮位调整甲板与码头平台的随时水平。
（7）位置较低的电机、接线箱和开关箱等电器设备，以及裸露的较精密的机械零件和设备均需用油布等包裹严实，避免海水侵蚀，造成损坏。
2.4桥吊船上积载方法
2.4.1轨道安装方法
轨道安装方法如图1，钢轨的铺设有横向和纵向，横向的轨距与门腿横跨度一致，误差应保持在10mm内，轨道下面铺垫强力钢板，钢板直接焊接在甲板上，轨道再焊接在强力钢板上，焊接要牢固，轨道之间用连接板连接定位，轨面不平时，用垫板垫平。
2.4.2桥吊腿侧积载要求
由于船舶在海上航行会遇到风浪的危险，船舶摇摆是造成桥吊移动的最大危险，在积载上采取两腿侧轮相互垂直积载，以减少摇摆造成滑动的危险（图1为桥吊的腿轮可以90°调整和安装，安装工艺可分别用大型千斤顶顶离轨道，脱开构件连接螺栓，旋转90°后再对准连接固定，强度上不变）。
3装箱桥吊在甲板上的主动力计算公式
受力分析是本文的中心内容，通过受力分析，了解桥吊相对于船甲板的相对滑动力和受压力变形趋势，为下一步的桥吊系固和强度计算提供最基础的理论依据。
3．1风浪中桥吊在甲板上的主动力分析
海上运输静态情况很少,在有风浪小倾角的情况下,即船舶倾角小于10o~15o（甲板边缘开始入水情况下另外核算）情况下，甲板上积载的货物单元主要受到物体运动的惯性力、风的作用力和浪打的波溅力等三种主动力的作用，这是普遍现象。
根据力的分解原理，三种主动力可以分解为纵向、横向和垂向的分力：
Fx=M·ax+Fwx+Fsx
Fy=M·ay+Fwy+Fsy
Fz=M·g±M·az
式中，Fx-纵向主动力；
Fy-横向主动力；
Fz-垂向主动力；
M-货物单元的质量（重量，t）；
ax、ay、az-货物单元据其在不同货位时纵向、横向和垂向加速度（m/s2）；
Fw（xy）-货物单元所受到纵向或横向的风力（kN）；
Fs（xy）-货物单元所受到纵向或横向波溅力。
对集装箱桥吊在海上运输而言，纵向主动力Fx受到纵摇加速度力M·ax、纵向的风力Fwx和纵向波溅力Fsx。
由于桥吊主体构架较高，浪打不到那么高，波溅力Fsx可以忽略不计，所以纵向受力Fx只剩下加速度力M·ax和风力Fwx。
即Fx=M·ax+Fwx
横向主动力Fy受到横摇加速度力M·ay、横向的风力Fwy和横向波溅力Fsy，同理横向波溅力Fsy可以忽略不计，所以横向受力Fy只剩下加速度力M·ay和风力Fwy。
即Fy=M·ay+Fwy
垂向受力Fz有自身重力M·g、波浪引起的上下垂荡运动的加速度力±M·az。
但要说明的是，自身重力M·g永恒向下（设向下为+），波浪引起的上下垂荡运动的加速度力±M·az有时向上，有时则向下，由低位置向上做加速度运动时，桥吊对船甲板的反作用力为正，这是我们要考虑的主要问题，所以对甲板受力的程度最大的应考虑在船体横倾到一侧且同时由低位置转向上运动的瞬间受力最大状态。
即Fz=M·g+M·az
综上所述，桥吊整体主动力计算公式为：
Fx=M·ax+Fwx
Fy=M·ay+Fwy………
（1）
Fz=M·g+M·az·
风的压力可估算：
Fwx=Pw·Awx
Fwy=Pw·Awy
式中，Pw-为估算风压强，取Pw=1（kN/m2）；
Awx-露天甲板上桥吊纵向受风面积（m2）；
Awy-露天甲板上桥吊横向受风面积（m2）；
Awx和Awy-厂家应提供的数据。
公式
（1）是本文把集装箱桥吊海上运输当作整体的货物组件进行分析的重要结论。
3.2几个加速度值的确定
桥吊在运输过程中必须保持刚性不变，所以根据刚性物体的运动学原理和转动定律，加速度：
………
（1）
式中，l-是桥吊重心距船舶横纵漂心的距离；
M-是船舶所受的合外力矩；
J-是船舶的转动惯量。
合外力矩M和转动惯量J与船舶的质量、形状、运动状态有关，所以桥吊的加速度a（分纵ax、横ay、垂az）与船舶的质量、形状、运动状态有关。
为知道纵ax、横ay、垂az的值，本文重点介绍应用IMO《货物系固手册编制指南》确定加速度值的原理，确定ax、ay、az值，所以简捷的确定加速度值方法为：
………
（2）
式中，a0x-桥吊在不同装载位置时纵向基本加速度值；
aoy-桥吊在不同装载位置时横向基本加速度值；
aoz-桥吊在不同装载位置时垂向基本加速度值；
k1-船速修正系数；
k2-稳性高度修正系数。
以上基本值和修正系数是IMO在标准条件下（无限航区、全年航行、连续航行25d、船舶长度为100m和船舶航速15kn）计算出aox、aoy、aoz，并以表格的形式确定具体数值提供给使用者，充分体现了不同位置摇摆产生的加速度值是不一样的，位置越高加速度值越大，离船中（漂心）越远加速度值越大，与实际完全吻合。
修正系数k1的意义是当实际船舶与标准船型、船速不一样时的修正系数，也体现了船速越快，急转向产生的加速度值越大，船型越短急转向时回旋半径越小，离心加速度值越大。
修正系数k2的意义是稳性高度修正值，体现了初稳性高度越大，船舶摇摆的剧烈程度越厉害，加速度值也越大。
以上5个数值均可在各船旗国政府认可的每艘船舶《货物系固手册》中随时查到，是可查数据，而且考虑到最不利因素的影响，也就是说实际的数值比表列的数值要小，所以根据表列数值计算的结果是安全的。
4主动力计算公式
（1）和
（2）结论分析
4.1主动力对桥吊自身构件的影响
以上桥吊的主动力计算公式
（1）和
（2）是建立在把桥吊整体当作质点来分析的，这种分析方法可以使复杂问题简单化，只要桥吊整体刚性保持不变，这种按质点的分析方法是科学的，满足客观了解事物的要求。
但在风浪中要保证桥吊整体刚性不变，就得要求对桥吊自身各个构件进行绑扎以满足海上运输的一般风险。
同时本文分析的目的在于认识整体桥吊在海上运输中产生主动力情况，而对桥吊自身各个构件的受力不作详细分析。
4.2桥吊主动力对船舶稳性、强度影响的定性定量分析
4.2.1桥吊主动力对船舶稳性的影响
桥吊整体重量一般在1200t以上，且重心位置高离甲板30m以上，如果一船同时运送几台桥吊，那么对船舶载重、船舶初稳心高度GM0和船舶倾覆力矩Mh将产生重大影响。
根据船舶原理，载一个用下面公式（3）计算初稳性高度变动值；当装载多个集装箱桥吊（∑Pi>10%Δ）时，稳心高度新值KM1及船舶重心高度新值KG1的计算式为：
GM1=KM1-KG1（m）
KG1=（Δ·KG0＋∑Pi·Zi）/Δ1（m）
ΔGM=GM1－GM0（m）
式中，KM1-根据排水量新值Δ1（Δ1=Δ+∑Pi）由静水力曲线图重新查取；
Pi-每件桥吊的重量（t），装载时取（+），卸载时取（-）；
Zi-每件桥吊的相应重心距基线高度（m）。
下面举例分析：
例1：
某船排水量D0为38806.18t（并非满载），船长200m，甲板宽度32m，型深14m，KM0=15.113m，KG0=12.73m，单台桥吊重量为1200t，桥吊重心高度距甲板36.9m，设桥吊装在0.6L处，船速12kn，横向受风Y方向受风面积1156.3m2，Y方向受风作用高度Zm=36.84m。
求
（1）装船后对初稳性高度影响；
（2）在风浪中对动稳性的影响有多大。
解：
（1）近似的计算方法是：
在只装卸一个桥吊时，一般Pi<10%Δ，忽略了KM值的少量变化，把KM值看作不变，仅仅看作是船舶重心高度变化的结果。
也就是可以假设，只装一个桥吊时，先将桥吊重量P装在船舶原重心G0位置上，再将桥吊重量P自G0位置垂直上移至实际装载位置Zi，桥吊的垂移距离为（ZG0-Zi），船舶重心也由G0移至G1。
根据平行力移动原理，船舶重心移动距离为G0G1，即初稳性高度变动值ΔGM可按下式计算：
因为Pi·（ZG0-Zi）=（Δ+Pi）·ΔGM
所以 ΔGM=[Pi·（ZG0-Zi）]/（Δ+Pi）
或
…………（3）
计算得：
ΔGM=1200×（－12.73＋36.9＋14）/（38806.18＋1200）=1.1449（m）
由公式（3）计算得稳性高度降低约1.1449m，初稳性高度降为：
GM1=KM0-KG0-ΔGM，
=15.113-12.73-1.1449
=1.2381m
也就是说装完一个桥吊后GM值降为1.2381m。
（2）对动稳性方面，横向受力由公式
（1）和（.2）计算
横向主动力Fy得：
Fy=M·ay+Fwy
ay=aoy·k1·k2
经查aoy=6.8，k1=0.56，k2=1
ay=6.8×0.56×1=3.8（m/s2）
那么Fy=1200×3.8＋
1156.3×1=5716.3（kn）。
增加倾覆力矩Mah：
Mah=M·ay·（36.9＋型深）＋Fwy·（Zm＋型深）
=1200×3.8×（36.9＋14）＋1156.3×（36.84＋14）
=290959.67（knom）
定量算出桥吊的增加倾覆力矩Mah，根据船舶的稳性报告书,计算风对船体上部产生的倾覆力矩Mw,总的倾覆力矩Mh就可以计算出来。
经过核算就可分析是否满足船舶动稳性要求，见动稳性曲线图（图2）。
根据动稳性平衡原理，面积a=面积b，θ2要小于进水角。
以上分析只说明桥吊运输对船舶稳性影响相当大，所有的量化计算结果均应满足《IMO稳性规则》要求，这里不作重点说明。
4.2.2腿侧受力对船体局部强度的影响
从桥吊主动力计算公式
（1）中，还说明力来自纵、横、垂三个方向，并随着船舶的纵摇、横摇和垂荡桥吊各腿侧的受力各不相同，但作为海上运输风险预测，必须考虑最大危险存在的情况。
下面通过船舶横风横浪向右横倾15o时（小倾角中的最大角）桥吊受力在腿侧处分解的分析，知道腿侧支点处受压力有多大，从而进一步知道桥吊腿侧压力对船体局部强度的影响有多大。
考虑风力作用中心与重心不很接近，则分开分解后落到甲板，再叠加，可推导出以下公式（4），公式如下：
Zt右压=1/2{（F1＋F2）·cosα+F3ˊ·cosδ}
Zt左压=1/2{（F2ˊ-F1ˊ）·cosβ+F3·cosγ}
Yt各个滑=1/4｛（F1＋F2）·sinα+（F2ˊ-F1ˊ）·sinβ+………（4）
（F3·sinγ+F3ˊ·sinδ）｝
式中，Zt右压-右侧腿压力；
Zt左压-左侧腿压力；
Yt各个滑-每个侧腿的平均横向滑动力；
α-桥吊重心所在纵剖面与桥吊重心和右侧腿支点连线的夹角；
β-桥吊重心所在纵剖面与桥吊重心和左侧腿支点连线的夹角；
γ-横向风力作用中心所在纵剖面与风力作用中心和左侧腿支点连线的夹角；
δ-横向风力作用中心所在纵剖面与风力作用中心和右侧腿支点连线的夹角；
F1-Fz在桥吊重心和右侧腿支点连线上的分力；
F2-横向加速度力Fay在桥吊重心和右侧腿支点连线上的分力；
F1ˊ-Fz在桥吊重心和左侧腿支点连线上的分力；
F2ˊ-横向加速度力Fay在桥吊重心和左侧腿支点连线上的分力；
F3-横向风力Fwy在风力作用中心和左侧腿支点连线上的分力；
F3ˊ-横向风力Fwy在风力作用中心和右侧腿支点连线上的分力。
以上公式（4）是本文集装箱桥吊海上运输对腿侧支点处局部受力分析的结论。
本例题的参数在表1中列出，按公式（4）计算的结果见表2。
表1求解参数
Fwy横向作用高度（m）
Y方向支点间距离 （m）
Fwy横向作用中心纵剖面距左腿侧支点的距离（m）
α°
β°
γ°
δ°
F1（t）
F2（t）
F1ˊ（t）
F2ˊ（t）
F3（t）
F3ˊ（t）
36．84
32．2
15.17
22.12
24.7
22.38
24.8
1352
579.9
262.2
591.4
158.5
118.0
表2各门腿对支点压力和滑动力值
Zt（t）
Yt（t）
门腿右1
956.8
245.4
门腿右2
956.8
245.4
门腿左1
－223.0
245.4
门腿左2
－223.0
245.4
SUM
1467.6
981.6
同理也可以对船舶在迎风、迎浪情况下进行计算，但这里就不作重复了。
根据以上表2计算结果，可以清楚看出：
（1）当船舶在风浪中航行时，桥吊的各腿侧对支点处的压力左右是不一样的，当船舶右倾时，右边的支点受压力增大，左边支点受压力减少，反之亦然，但由于May和Fwy方向不同，压力和滑动力稍有差别，所以按公式（4）计算结果作为风险控制是安全的。
（2）压力的增大势必对船体的局部强度产生影响，对船体的局部强度要以特殊的方式进行加固。
（3）腿侧的垂跃和滑动是集装箱桥吊运输最不利的主动力，必须使用约束反力进行安全系固，所以桥吊海上运输非同一般的大件货物运输，它需要专业的船舶、特殊的工艺、特殊的结构布置，但所有的依据都是要建立在力的分析的基础上，本文中通过上述有关主动力分析，得出两点结论，即公式
（1）和公式（4），是桥吊海上运输受力分析的基本理论基础，在海上运输实践中或有关部门安全检查、风险评估中都可加以应用。
4.3桥吊受力会引起垂跃和滑动，必须安全系固
按公式（4）分析，在最大向右横摇15°时，各门腿的横向平均滑动力高达245.4t，水平滑动力大，向左横倾15°时，受力大小稍为减小，方向向左。
所以，为了有效防止桥吊滑动，必须进行有效的横向系固，同时在摇摆过程中，当重心偏离一侧以及摇摆的惯性力作用，会引起桥吊腿侧垂跃运动，也必须进行有效的垂向系固，否则将导致船舶倾覆。
所以怎样评估系固的安全性，系固设备的约束力要大于桥吊产生的纵横垂主动力，也就是本文进行主动力分析的目的。
4.4.1滑动轮的安全系固
为了防止横向的滑动，直接用弧型肘板垫住所有桥吊滑动轮，并用电焊焊牢，固定在装卸轨道上，如图3。
并用垂直撑杆连接滑动轮机架下横梁和船甲板，使滑动轮牢固在设定的位置上。
4.4.2腿侧的三维系固如图1所示
（1）用横向内撑杆（按上述例题分析的数值需要直径609mm，管壁厚度10mm的管材作为撑杆）连接桥吊机架下横梁和甲板上的加强板眼，抵消横向滑动力Yt，防止桥吊横向移动。
（2）用纵向撑杆连接桥吊机架和甲板上的加强板眼，抵消纵向滑动Xt,
防止桥吊纵向移动。
（3）垂向撑杆的连接桥吊下横梁机架和甲板上的加强板眼或船体舷侧顶列板，抵消垂向的压力或拉力Zt，防止桥吊垂跃或支点局部强度过载。
5结论
通过对集装箱桥吊海上运输的主动力计算分析,得出桥吊整体在甲板上的受力规律,用公式
（1）和
（2）可计算出具体数值,这种方法笔者以前没有见过他人专门的论述，它对集装箱桥吊海上运输有重要的使用价值。
不足之处在于计算出的具体数值是11级风以下可能出现的最大值，相对的参考值，不是即时某一状态下的确切值。
恰好受力的最大值对海上运输行业具有重要的实际意义。
因为在评估风险时最需要的是预测最危险状态，桥吊的主动力对船舶来讲是一种非常不利的因素，必须设法去克服它、约束它，否则会造成重大事故。
公式（3）和（4）量化计算分析对核对稳性、核算腿侧支点处的局部强度、核算系固设备强度都提供了非常有价值的参考。
笔者认为结论是有价值的，公式
（1）和公式（4）是实践中总结出来的，并在实践中得以应用，在多次与生产运输技术人员探讨中达成共识，只不过生产单位多考虑经济效益，笔者的方法多考虑安全系数，生产单位根据是自己的企业标准，而笔者是根据国际规则，相差不多，没有矛盾。
笔者认为这种分析原理可推广到子母船运输、钻井平台等更为复杂的海上运输受力分析中去。
参考文献
1陈家辉编著.航海气象学与海洋学.大连海事大学出版社，2000
2IMO/MSC/CIRC·745.TheGuidelinesForthePreparationofCargoSecuringManual
3中国船级社.货物系固手册编制指南.北京:
人民交通出版社，1998
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