基于共同规范的散货船槽型横舱壁设计研究

2014-10-30甘水来李国强

船舶与海洋工程 2014年1期

甘水来，李国强，李勇

（1. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2. 安徽机电职业技术学院，安徽 241000）

0 引言

除个别舱壁为非水密支承舱壁外，散货船主船体的横舱壁均为具有足够的强度并且水密的舱壁。这些舱壁不仅用于分隔舱室，而且支持着甲板、舷侧和船底，对保证船体横向强度起着重大作用[1]。按结构型式分，舱壁一般可分为平面舱壁和槽型舱壁。槽型舱壁因其结构型式简单、加工方便、易于清舱卸货，因此在散货船中得到了广泛应用。

由于散货船一般为单甲板、大开口、单舷侧结构，装载工况比较复杂，因此，强度问题比较突出。根据英国劳氏船级社的分析[2]，散货船存在3种可能的结构失效模式：1) 重货舱舷侧结构破损进水，槽型舱壁崩溃，相连货舱进水，船体梁崩溃，船体沉没；2) 重货舱舷侧结构破损进水，双层底结构受剪力作用崩溃，船体梁崩溃，船体沉没；3) 艏部货舱进水，槽型舱壁崩溃，相连货舱进水，船体沉没。

法国船级社对船舶海损事故[3]分析后认为，横舱壁结构强度减弱是货舱一旦进水、船舶迅速沉没的重要因素。因此，在散货船结构中，槽型舱壁是最重要的构件之一。设计具有足够强度的槽型舱壁，是散货船设计工作中的一个重要环节。

1 槽型舱壁结构型式及基本要求

常用的槽型舱壁，其剖面形状有矩形、梯形和弧形，尤以梯形应用最为普遍。与平面舱壁相比，槽型舱壁垂直于折曲方向的刚度较弱，因此，在散货船中，槽条均按垂直方向设置。有的散货船，尤其是大型散货船，在垂直槽型横舱壁上下端设置了座墩，既减小了槽条跨距，又可以改善舱壁与甲板和双层底连接处的应力水平，还有助于舱壁结构与甲板及双层底结构的有效连接过渡。

根据CSR（散货船共同结构规范）[4]，对于船长≥190m的散货船，垂直槽型水密横舱壁下应设置底墩，一般在甲板下也要求设置顶墩。船长<190m的船舶，槽型舱壁可以从内底一直延伸到上甲板，而不用设置底墩和顶墩。

设置底墩的高度，一般不应小于槽深的3倍，底部宽度不小于槽深的2.5倍。底墩顶板可以是水平的，也可以是倾斜的。两边的侧板，可以是一边垂直，另一边倾斜；也可以是两边均为倾斜的。侧板下端应与双层底肋板在同一平面内，以保证舱壁受到的载荷能有效传递到双层底结构。位于顶板与内底板之间的侧板，任何部位不得有折边。侧板上的扶强材，一般是垂直的。垂直扶强材应对中内底纵骨，扶强材上下端均应设置肘板，以保证底墩和双层底结构的有效连接。为了有效支撑槽型舱壁，底墩内应设置隔板，隔板与双层底纵桁应位于同一平面上。为有效减小顶板的应力集中，底墩内与顶板连接的构件上均应避免扇形孔。

设置顶墩的高度，一般应为槽深的2～3倍。对于矩形顶墩，其高度可取为槽深的2倍。顶墩高度值应在舱口边纵桁处，由甲板下缘垂直向下量至顶墩底板上缘。顶墩底板的宽度一般应与底墩顶板的宽度相等。对于非矩形顶墩，其顶部宽度不应小于槽深的2倍。顶墩内部构件的设置与底墩相似，但由于顶墩承受的载荷较小，顶墩外形尺寸比底墩小些，内部构件以垂直布置较多见。为了有效支撑槽形舱壁，顶墩内部构件应与甲板上的结构进行良好过渡。即顶墩隔板应与甲板纵桁在同一平面内，顶墩侧板上垂直扶强材上下端均应设置肘板，与甲板横梁或顶墩底板有效连接。为有效减小底板的应力集中，顶墩内与底板相连接的构件上均应避免开扇形孔。

不设置底墩时，槽型翼板下端应与双层底肋板安装在同一直线上。该处肋板上纵骨穿过切口应安装落地补板。为承受槽型腹板引起的剪切应力，在该处肋板间，在槽型腹板下应安装防剪切肘板。不设置顶墩时，在甲板下方与槽型翼板相对应的位置应安装两根强横梁。

2 槽型舱壁承受的载荷

2.1 槽型剖面几何要素

图1 槽型舱壁横剖面

2.2 槽型舱壁承受载荷

对于一般的干散货舱，货舱端部的水密槽型横舱壁仅受到舱内干散货的静压力和货物引起的动压力。而对于用作重压载的货舱，当该舱不装压载水时，其端部的水密槽型横舱壁应按干散货舱进行强度校核；当该舱装载压载水时，应按深舱要求进行强度校核，即考虑舱内液体的静压力和液体引起的动压力。图2为槽型舱壁受力简图，图3为槽型舱壁在侧向压力作用下的正应力分布。

另外，根据IACS（国际船级社协会）URS18[5]的规定，对船长150m及以上、拟装运密度为1.0t/m3及以上的固体货物，且具有单甲板、顶边舱和底边舱的单、双壳散货船的垂直水密槽型横舱壁，应在货舱进水情况下对槽型舱壁的构件尺寸进行强度评估。因此，槽型水密横舱壁还受到货舱进水时舱内海水及货物的压力。

由于水密槽型横舱壁位于两个货舱之间，所以作用在舱壁上的载荷为前后两个货舱分别作用在该舱壁上的载荷的合成载荷。合成载荷按完整工况和进水工况分别考虑。完整工况中又包括均匀装载、隔舱装载、正常压载和重压载四种工况。进水工况需按舱内有货进水和空舱进水两种情况分别考虑。对于进水工况，当货舱装运包装货时，该舱视为空舱。但无论如何，考量槽型舱壁强度时，应选用最严重工况时的合成载荷。

图2 槽型舱壁受力简图

图3 槽型舱壁在侧向压力作用下的正应力分布

3 槽型舱壁强度计算

3.1 局部强度

根据CSR，槽型舱壁的腹板和面板的净板厚应满足完整工况、进水工况和试验工况时的局部强度要求[6]，见表1。

表1 局部强度条件下腹板和面板净厚度

3.2 槽条抗弯能力

在货舱进水工况下，应考核槽条总体抗弯能力。根据URS18，槽条的抗弯能力应满足式（1）要求：

式中：M——槽条最大弯矩/kN·m，M=FlC/8；F——槽条上的合力/kN，lC——槽条跨距/m，取值时若顶墩为矩形且高度大于2倍槽深或顶墩为非矩形但高度大于3倍槽深时，其超出部分应计入槽条跨距；

在计算槽条下端净剖面模数WLE时，应考虑面板受压而引起的有效面积的折减，另外还要考虑槽条腹板下有无肘板对其进行有效支撑，底墩顶板的安装角度、卸货板和封槽板等因素，详见表2。

表2 WLE计算修正

3.3 腹板抗剪切强度

由于剪力主要由腹板承担，面板上的剪力很小，为计算方便，CSR给出了腹板上剪应力计算公式，见式（2）：

式中：Q——槽条上的剪力/kN，Q=0.8F；A——腹板有效剪切面积/cm2，A=ctwsinφ，sinφ一项是考虑到槽型剖面中腹板与面板不垂直给剪切带来的影响，因此将腹板的面积进行了折减。

3.4 腹板剪切屈曲强度

根据CSR规范和URS18的要求，在进水工况下还应校核腹板的剪切屈曲强度。腹板上的剪应力应满足式（3）：

4 槽条要素设计

槽条要素设计，就是在满足上述强度要求下，寻求最佳的槽条要素a、c、d、φ、tf、tw组合，以便使整个槽型舱壁的重量达到最小。

由于槽条下端受到的载荷最大，强度要求最高，板厚也就最大。因此，对于单个槽条，可用槽条下端列板的名义平均厚度fw作为考核衡准；而对于整个槽型舱壁，则可用所有槽条下端列板的名义平均厚度Fw作为考核衡准。名义平均厚度fw越小，表明该槽条重量越轻；名义平均厚度Fw越小，表明整个舱壁的重量越轻。

从式（4）可知，槽条下端列板名义平均厚度fw是槽条要素a、c、SC、tf、tw或a、d、sinφ、tf、tw的函数，而板厚tf、tw又是由舱壁强度决定的，因此，槽条下端列板名义平均厚度是由载荷和槽条几何形状共同决定的。

为了找出整个槽型舱壁下端列板名义平均厚度与槽条要素a、c、SC、tf、tw或a、d、sinφ、tf、tw变化关系，下面以某大型散货船槽型横舱壁为例，分几种情况进行研究。散货船主尺度L×B×D = 294m×50m×24.9m，双层底高度2.6m，底墩顶板距基线高度7.18m，顶墩底板距基线高度21.4m，甲板梁拱0.93m。货舱槽型舱壁尺寸 a×d×φ=1.25m×1.25m×73°。

4.1 舱壁下端列板名义平均厚度与槽条面板宽度的关系

假定槽条要素d、φ不变，利用船级社现有的CSR规范计算软件，得出槽型舱壁下端列板名义平均厚度与槽条面板宽度a的变化关系，如图4所示。

从图4可以看出，当面板宽度为1.25m时，显而易见舱壁下端剖面面积最小，整个舱壁重量将会最轻。增加面板宽度，其厚度也会同时增加，因而会引起舱壁下端剖面面积增大；仅减少面板宽度，会引起腹板数量的增加，由于腹板尺寸不变，舱壁下端剖面面积并不会减小，反而会增大。

4.2 舱壁下端列板名义平均厚度与槽条深度的关系

假定槽条要素a、φ不变，利用同样的方法，可得出槽型舱壁下端列板名义平均厚度与槽条深度d的变化关系，如图5所示。

图4 槽型舱壁下端剖面面积与槽条面板宽度的关系

图5 槽型舱壁下端剖面面积与槽条深度的关系

从图5中可以看出，当槽条深度约为0.76m时，舱壁下端剖面面积最小，此时整个舱壁重量会最轻。由于此时槽条抗弯能力或抗剪切能力不能满足规范要求，槽条需要在满足局部强度要求的基础上较多地增大板厚，因此整个舱壁的重量不但不下降，反而会增加。增大槽条深度，槽条腹板宽度增大，其厚度也会同时增大。如果腹板宽度未超过面板宽度，舱壁下端的厚度将由槽条面板厚度决定，整个舱壁重量将随腹板宽度的增加而平缓增加；如果腹板宽度超过面板宽度，舱壁下端的厚度将由腹板厚度决定，此时增大腹板宽度，整个舱壁的重量将会迅速增加。

4.3 舱壁下端列板名义平均厚度与夹角的关系

假定槽条要素a、d不变，利用同样的方法，也可得出槽型舱壁下端列板名义平均厚度与夹角 φ（槽条腹板与面板夹角）的变化关系，如图6所示。

从图6中可以看出，当槽深和面板宽度不变时，槽条板厚随面板和腹板的夹角增大而增大，因而整个舱壁的重量也随之增大。这是因为面板和腹板的夹角增大了，在槽深不变时，腹板宽度增大了，导致槽条板厚增大，舱壁重量增加。这一点可从式（6）的Aw(单位深度舱壁下端剖面面积)的表达式中可以很直观地看出。

式（6）中，Aw与（a+c cosφ）成反比关系，当φ＝0°，cosφ = 1，此时Aw的值最小；当φ＝90°，cosφ = 0，此时Aw的值最大。

图6 槽型舱壁下端剖面面积与夹角的关系

5 连接节点设计

槽型舱壁有许多重要的连接节点，在设计时应充分注意，如：槽条的弯曲半径、槽条与顶墩的连接、槽条与底墩的连接、底墩斜板与内底的连接等。

5.1 槽条弯曲半径的合理选择

对于槽条的弯曲半径R，规范仅要求不小于舱壁板实际建造厚度的3倍。对于散货船槽型舱壁，其建造厚度一般不会超过30mm，因此，弯曲半径一般选为R=100mm即可。但这个弯曲半径，对于15 万吨级以上的散货船，因槽型舱壁厚度较大，且板列之间可能存在较大的板厚差，在实际生产中，经常发现水平拼板焊缝在弯曲加工后，焊缝弯曲部位出现了较多的横向裂纹[7]，见图7、8。

图7 槽型舱壁拼板加工

图8 拼板焊缝弯曲加工后出现的横向裂缝

从图8可以看出，这些裂纹的出现没有明显的规律可循，大小、深浅不一，有的开口相当大，严重影响产品的质量和生产进度。虽然这些裂纹没有什么明显规律可循，但总是出现在弯曲加工受拉的一面，而且大都集中在线应变最大的曲率部位，受压面没有出现裂纹等缺陷。经过实验和深入分析得出：受拉的一面出现裂缝，其原因是槽型舱壁板在弯曲加工时，拼板焊缝的实际伸长率超过了焊接材料的允许伸长率，导致焊缝无法承受过大的拉伸而出现裂纹。图9为槽条弯曲详图，可以证明，当弯曲角度一定时，弯曲半径越小，受拉面线应变越大。

从图9可以得出，槽条受拉面的线应变为：

从式（7）可以看出，当R较大时，线应变较小；当R较小时，线应变较大。因此，要减小线应变，控制裂纹的出现，就必须加大弯曲半径。经过实验证实，当弯曲半径为板厚的4.5倍以上时，拼板焊缝处不再出现弯曲裂纹了。

5.2 底墩顶板与水平面倾斜角度的合理选择

当货舱槽型舱壁下设置底墩时，底墩顶板与水平面的角度，不仅取决于槽条下端的剖面模数，还要看底墩前后侧壁是竖直的还是倾斜的。从强度上说，底墩顶板与水平面成45°时最有利，平行于水平面时最差。从制造工艺上说，当底墩前后侧壁一竖直、一倾斜时，顶板与水平面成45°角，对装配和焊接都无问题。但当底墩前后侧壁都为倾斜时，顶板如果也与水平面成45°角，因为后斜板与顶板形成的夹角很小，当这个角度β＜30°时，就会给焊接和装配对中检查带来了很大的困难，此时，产品质量得不到保证，见图10。

图9 槽条弯曲

图10 底墩前后侧壁及顶板

为了解决底墩顶板与后斜板角度太小的问题，可将底墩后侧壁改为竖直结构，或将底墩顶板改为水平。当然，也可将底墩顶板与水平面的角度改为0～45°之间的某个角度，但这种设计并不利于生产。还有一种比较理想的方法，就是将底墩顶板与后斜板合并为一个整体，顶板与后斜板通过冷压加工形成一个圆角过渡。但这种方法是有风险的，因为CSR规范中明确规定：前后侧壁在底墩顶板与内底板之间不得有任何折边，且槽型面板应与前后侧壁对齐。