带缆桩系缆模式及强度校核原则分析

2018-02-18倪伟平

船舶设计通讯 2018年2期

倪伟平

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

带缆桩作为船舶系泊属具，用以系固和操作缆索。系于带缆桩桩柱上的缆索与码头缆桩或其他系固点进行连接，以实现船舶的系泊和拖带。带缆桩直接承受缆索或拖索的载荷，自身必须有足够的强度。带缆桩通常只允许一条缆索系固其上，但实际船舶中往往看到两条缆索同时系在一个带缆桩上。这种系缆方式和系缆习惯直接影响带缆桩的负荷，从而影响带缆桩的长期使用，并影响系泊效率。

直接作用于带缆桩的系缆方式将统称为带缆桩系缆模式。以双柱带缆桩（普通带缆桩）为例，OCIMF依据标准ISO 3913推荐两种系缆模式，分别是“8”字系缆模式和绳圈系缆模式，并作为常规系泊模式，用于考核带缆桩强度［1］。在实际使用过程中，为适应多种系泊要求，系缆模式不再囿于上述范围，趋向多元化，改良后的系泊模式常常作为经验被推广。个别时候带缆桩还要充当导缆中介的角色。

多种系缆模式中带缆桩的负荷，新系缆模式是否合理，带缆桩的强度校核原则是否发生变化，都值得研究。本文针对上述问题进行探究，以期为带缆桩的使用提供合理建议。

1 带缆桩系缆模式

“8”字系缆模式是最常见的系缆模式，即缆索绕过带缆桩的双柱，缆索最少缠绕5圈，并尽量贴近桩柱的根部，见图1。

图1 “8字”系缆模式

另外一种常见的系缆模式是绳圈系缆，即缆索通过绳圈套在带缆桩距离舷侧较近的桩柱上，如图2所示。绳圈又称琵琶头，此种系缆模式同样适用于拖带模式。

图2 绳圈系缆模式

其他系缆模式以上述模式为基础，可总结为以下几种情况：

模式A——在双桩上挽回头缆，即将缆索的琵琶头套在双桩中较远的一个柱上，再将双股的系缆从导缆孔送出到岸桩套上［2］，见图 3。

图3 模式A

模式B——缆索在端部形成一个“8”字圈套绕在桩柱底部，该绳圈中间相互固定，系泊缆索从固定处引出，见图4。

图4 模式B

模式C——2条缆索均“8”字环绕，缆索一端为自由端，见图5。

图5 模式C

模式D——缆索绕过桩柱，桩柱起到缆索导向功能，见图6。

图6 模式D

模式E——依据船员经验，系缆索一端套在一个桩柱上，在第二个桩柱上绕几圈后再作“8”字形系绕［3］（见图 7），此方式被称为改进的“8”字系缆模式。

图7 模式E

模式F——缆索缠绕在一个桩柱上数圈，一端缆索为自由端，称为“O”型带缆模式［3］，见图 8。为防止脱缆，缆索端部自由端需要系固。

2 带缆桩外力负荷分析

以“8”字系缆模式为例，受力分析如图9所示。其依据为主动缆拉力T1和从动缆拉力T2关系的欧拉公式［4］见式（1）：

式中：T1——主动缆拉力，N；

图8 模式F

图9 “8”字系缆受力分析

T2——从动缆拉力，N；

e——自然指数，e取2.718；

ω——缆索在桩柱上的包角，rad；

μ——缆索与桩柱上的静摩擦因数，一般为0.3

根据式（1），从动缆的作用力要小于主动缆，随着包角、摩擦系数的增大急剧变小。假定主缆作用力为缆索作用力F，缆索环绕5圈，经推导可获得计算结果如下：当μ=0.138时，带缆桩合力约为2F；当μ=0.2时，带缆桩合力约为1.55F；当μ=0.3时，带缆桩合力约为1.23F。由于缆索与带缆桩之间的静摩擦因数不可能过小，那么1.5F可视作一条缆索“8”字系缆时桩柱上合力的极限值，3F可视作两条缆索“8”系缆时桩柱上合力的极限值［4］。

根据“索绕三道紧”的说法，当一端力为F，绳绕m圈，另一端的外力如果小于F′时就不能拉动绳子，F′的获得参见式（2）［5］：

式中：e——自然指数，e取2.718；

m——缆索绕圈数量；

μ——缆索与桩柱上的静摩擦因数，一般为0.3

缆索缠绕桩柱5圈后将产生较大的摩擦力，需要拉动的外力将远高于主缆外力，缆索便系紧，形成一个类似绳圈系固模式。此理论可解释“8”字系缆模式和“O”型系缆模式中，缆索缠绕5圈即可达到系缆作用。

当缆索作用位置离开桩柱根部时，会产生附加弯矩，从而加剧缆桩负荷。

假定缆索力为F，带缆桩受外力为P，借鉴式（1）和式（2），可获得系缆模式下带缆桩受力负荷，详见表1。

表1 带缆桩负荷分析

表1显示，“8”字系缆模式和绳圈系缆模式中，除缆索力外还要考虑缆索的弯曲作用；当两根缆索同时作用时，情况会更加严峻，如模式A和模式C。在模式D中，缆索直接绕过桩柱并靠近桩柱顶部，带缆桩负荷较大，对桩柱根部产生较大弯矩，应当尽量避免。模式E较传统“8”字系缆模式，降低了带缆桩负荷，有利于系缆。模式F利用单柱系缆，另一桩柱也可独立系缆，可提高系泊效率。