张立群，黄雨促

（1.浙江恒逸集团有限公司，浙江 杭州 311209；2.中国外运大件物流有限公司，上海 201204）

1 引言

随着我国经济的高速发展，装备制造业技术水平和专业大件运输能力的不断提高，重大工程项目关键设备的设计与制造向着体积大、质量重的方向发展，重大件运输也变得越来越频繁。尤其是近年来，在国家“一带一路”战略的引领下，重大件运输更是不断走出国门。由于运输环境复杂，运输环节增加，对重大件运输、装卸和系固的要求也越来越高。运输环境的复杂多变使得重大件货物的运输具有很高的风险，稍有不慎将会导致重大事故。因此重大件货物运输一定要在科学分析运输可行性的基础上，制定切实可行的方案，严密组织施工，确保整个过程的安全[1]。

重大件货物运输一般有陆运、海运以及陆运与海运相结合的多式联运等方式。本文根据国家“一带一路”战略中的某项目现场港内驳运-码头滚卸-现场短距离运输三个环节，采用驳船和自行式液压平板车（下文简称SPMT）相结合的多式联运方式进行分析探讨。

2 驳运

重大件货物的远洋运输通常选择重吊船或者平板驳船，分别如图1和图2所示。由于现场码头条件限制，大型重吊船无法靠泊卸货，通常需要先将重大件货物从重吊船吊卸至驳船，然后用驳船将重大件货物进行港内短距离运输至现场条件较差的码头后进行滚卸。

驳船分为自航驳船和非自航驳船，由于重大件货物在港内短距离运输，海况较平稳，采用非自航驳船的拖航运输即可满足运输要求，且非自航驳船的租赁费用通常远低于自航驳船，经济效益较好，故非自航驳船比较适合重大件货物的港内短距离运输[2]，如图3所示。

图1 重吊船

图2 自航驳船

图3 非自航驳船

由于重大件货物在港内拖航运输时海况平稳，风浪不大，几乎不受海水飞溅的影响，因此在拖航运输过程中货物受到的波溅力可以忽略不计，这时作用在货物上的外力有惯性力和风压力，下文将分析重大件在横向、纵向和垂向三个方向上的合外力作用。

2.1 横向作用力

货物受到的横向合外力Fy可按式（1）计算[3]：

式中：M为货物重量(t)；Fqy为横向风作用力，根据货物侧向投影面积，取0.70kN/m2；Ay为横向加速度(m/s2)，按式（2）计算：

式中：rφ为货物质量中心至水线处假定的旋转中心的距离(m)，如图4 所示；β 为夹角，φ0为最大横摇角，通常按15°计算；g为重力加速度，取9.81m/s2；Tφ为横摇周期(s)，按式（3）计算：

式中：GM 为初稳性高度(m)，B 为船宽(m)。如被拖物无确切的GM资料，可以按式（4）近似计算：

图4 驳船横剖面

2.2 纵向作用力

货物受到的纵向合外力可按式（5）计算：

式中：Ax为纵向加速度(m/s2)；M为货物重量(t)；Fqx为纵向风作用力，根据货物在船中横剖面上的投影面积计算，其取值标准同公式（1），其中纵向加速度Ax按式（6）计算：

式中：rψ为货物质量中心至水线处假定的旋转中心的距离(m)，如图5 所示；β 为夹角，ψ0为最大纵摇角，通常按5°计算；Tψ为纵摇周期，如无资料可按10s计算；g同上。

图5 驳船纵剖面

2.3 垂向作用力

作用在货物上的垂向合外力Fz按式（7）计算：

式中：M，g 同上文；a 为垂向加速度，a=3.75e-0.003L，但不大于3m/s2，其中L为船长(m)。

2.4 重大件货物系固

2.4.1 系固方式。重大件货物常见的系固方式有[4]：

①用钢丝绳、铁链等系固索具将货物固定在船舶的货舱内或者其它承重甲板上。

②将货物与专门设计的支座一起固定于船舶的货舱或者其他承重部位，然后将支座、货物和船体焊接形成一个整体。

③在货物周围焊接相应的焊件，焊件与货物之间垫上垫料，焊件底部与船舶甲板焊为一体。

①中的系固方式是利用柔性系固索具将货物和船舶连接起来进行系固，因此将其定义为柔性系固；②中的系固方式是利用钢管或支架等刚性系固索具将船舶和货物直接系固在一起；③中的系固方式是利用型钢或组合的刚性构件等将船舶和货物间接连接在一起。②和③中系固方式的共同点是焊接物是刚性的，因此将这两种系固方式均定义为刚性系固。

针对重大件货物落支墩后的系固，本文采用①和③两种方式相结合的系固方式，即用钢丝绳或者铁链等系固索具将重大件货物系固于驳船的甲板上，同时在货物底部的支墩周围焊接止动块，防止在拖航运输途中支墩发生滑动，如图6所示。

2.4.2 约束力计算。破断强度(BS)：系固设备在拉伸试验中使其达到破断状态时的拉力，制造厂家应提供系固设备的破断强度资料。

图6 重大件系固示意图

最大系固负荷(MSL)：用以确定系固设备系固货物时所允许的最大负荷能力，它等于系固设备的破断强度乘以相应的系数δ，即：

各系固设备材料的相应系数见表1。

表1 系固设备系数

当多个设备串联使用时，MSL取其中的最小者。

计算强度（CS）：考虑到货物系固时可能存在受力不均匀、系固水平限制或其他因数，应取适当安全系数来折减最大系固负荷，折减后的MSL 则称为系固设备的计算强度，安全系数取1.35[5]。

表1中各系固设备的系数是IMO《货物积载与系固安全操作规则》基于10 级风以上的远洋运输海况进行折减所得，而本文中的重大件港里倒运一般海况较好，风级为6 级以下，因此若是采用表1 的系数进行系固力计算过于保守，劳动强度大且不经济。由于铁链、地令和卸扣等系固索具均为首次使用，且港内海况平稳，根据现场操作经验，取CS=MSL=BS×0.9 认为是安全、经济且高效的。

重大件货物横向滑动和纵向滑动约束力的计算公式如下[6]：

式中：u 为货件底部与甲板之间的摩擦系数，根据两者之间的材料来取值；g 为重力加速度，取g=9.81m/s2；CSi、CSj为横向和纵向上每根系索的计算强度；fi、fj为横向和纵向上每根系索的计算系数，fi=cosαcosβ+μsinα，fj=cosαsinβ+μsinα。

作用于货件上的横向约束力矩与倾覆力矩方向相反，由货物自身具有的重量约束力矩和系索提供的约束力矩两部分组成。约束力矩公式表示如式（10）所示：

式中：b'为货物重心至横向翻到轴的水平距离(m)，对于重量横向对称的货件，可取其底部宽度的1/2；当货物横向不对称时，应分别计算；li为横向翻到轴至各系索的垂直距离(m)，也就是系索的系固力臂，可由式（11）进行计算：

式中：hc为系固点距货件底部高度(m)；b 为货物宽度(m)。

在重大件货物系固中，止动块通常采用等边直角焊的方式进行焊接，如图7 所示，l为焊缝长度(mm)，h为焊缝高度(mm)，则单个止动块的约束力可按式（12）进行估算[7]：

式中：σ为止动块材料的屈服强度，通常取235N/mm2；δ为安全系数。

2.4.3 约束力设计原则。防止重大件货物发生滑动的约束力分为三部分，第一部分由重大件与垫料之间产生的摩擦力所提供，第二部分由钢丝绳等系固索具提供，第三部分由焊接在支墩周围的止动块对支墩产生的约束力提供。重大件货物的约束力矩由自身的重量矩和系固索具产生的约束力矩一起提供。约束力的设计原则如下：

货物任一侧（左舷或右舷）的系固设备的MSL之和应大于等于该货物的重量，并在货物支墩周围适当焊接止动块防止支墩滑动。

约束力设计可用公式（13）表示：

式中：Ff为重大件货物与垫料产生的摩擦力；Fy为重大件货物横向合外力；Fx为重大件货物纵向合外力；Fy1为系固索具的横向约束力；Fy2为止动块的横向约束力；Fx1为系固索具的纵向设计约束力。

2.4.4 系固方案校核标准。重大件货物的系固方案需要进行校核，只有当各项均满足要求时，方可认为该方案是可行的。系固方案的校核标准如公式(14)所示[6]：

式中：Fy、Fx分别为横向、纵向合外力；[Fy1]、[Fy2]分别为左、右侧横向约束力；[Fx1]、[Fx2]分别为前、后侧纵向约束力；My为横向合外力矩；[My]为横向约束力矩。

3 滚卸

驳船将重大件货物运输抵达码头后，根据船舶吃水和码头标高，结合潮汐情况可选择适当时机顶靠进行重大件滚卸，如图8所示。

假设码头标高h，潮高t，驳船型深H，吃水d，则潮水应满足[8]：

重大件滚卸时，应注意利用驳船的压载水调节功能调节驳船的浮态，使得在滚卸过程中驳船的甲板面与码头面保持平齐，保证滚卸的顺利进行。为保证滚卸安全，通常在落潮时滚卸，涨潮时滚装。

图8 重大件货物滚卸

4 现场运输

重大件货物滚卸完毕后，从码头到卸车现场之间需要利用SPMT 进行短距离运输（简称短倒），SPMT在运输时通常采用三点支撑的支撑方式，并根据货物尺寸和重量拼接车辆的长度和宽度。装载时将货物重心与车辆的支撑中心对齐，这样使得车辆具有良好的稳定性，但由于货物的制造、装配误差和现场的测量条件，很难保证货物重心与车辆的支撑中心绝对对齐，会产生装载重心偏移，使车板发生倾斜，如图9 所示，导致车辆在运行时的稳定性降低。所以在必要时，需通过调整车辆各回路编点的悬架数量，改变支撑三角形的形状，从而改变车辆的稳定性。下面对当货物与SPMT 牢固捆绑为一体时的三点支撑方式的稳定性进行分析[9]。

图9 SPMT的支撑和装载偏差

如图10所示，AB所在的与地面平行的平面称为稳定面，A、B 点为悬架摆臂纵轴所在的位置，h3为稳定面高度，它与平板车轮胎规格有关，一般取值270mm-300mm 之间，β1max、β2max为车货系统左右最大稳定角，当货物重心位于液压平板车纵轴心线上时，左右稳定角相等。

图10 液压平板车的稳定面

图中G1为货物重心，其高度为h1；G2为平板车重心，其高度h2受液压悬挂的影响，一般取液压平板车正常行驶时的高度；G为车货重心，h是其重心高度，则：

那么车货系统相对于稳定面的重心高度为：

如图11 所示为采用三点支撑的液压平板车，已知大件货物偏载距为|x0|、|y0|，车货重心在稳定面上的投影点C 的坐标(x0,y0)；已知Z1(x1,y1)、Z2(x2,y2)、Z3(x3,y3)三点坐标值。此处为计算方便SPMT 采用的是偶数纵列即y1=y2，当纵列为奇数时要注意y1≠y2。

图11 货物偏载稳定性计算

由两点确定直线Z3Z的方程为：

直线Z3Z与直线Z1Z2的交点Z的坐标为：

由于稳定线AC＜BC，那么只求较小稳定角β1即可判断其稳定性情况，在ΔZ3ZZ1中有：

即

在ΔACG中可求出稳定角β1为：

当大件货物重心刚好和坐标系原点重合时，即无装载偏差时，车货系统左右稳定角β1=β2，如图12所示。

图12 货物无偏载稳定性计算

在ΔZ3ZZ1中可求出AC长度为：

在ΔACG中可求出稳定角β1为：

三点支撑的稳定角应满足：β1＞7°。

5 案例分析

某罐体重大件货物R 内径5.4m，长28.4m，重500t，底部鞍座宽度8.5m，系固点距离甲板7.1m，支墩高度1.5m，左右对称积载于驳船船中，货物重心距船首42.65m，距船舷12.2m，如图13 所示。现将该货物通过驳船从A 港拖航至B 码头滚卸，驳船型长85.3m，型宽24.4m，型深4.88m，拖航时的平均吃水为1.8m。

图13 货物R在驳船上的积载

系固材料：破断强度BS=20t 的新铁链、尺寸为25cm×25cm×40cm的H型钢、破断强度BS=36t的新地令。

系固方案：货物R左右两侧各拉28道铁链，垂向系固角为45°，横向系固角为0°；每个支墩左右各双面烧焊1 个H 型钢，货物左右各4 个支墩，单侧共需要8个H型钢，焊缝长度50cm，焊缝高度1cm；货物鞍座和支墩之间以及支墩和驳船甲板之间均垫上橡胶皮。计算结果见表2。

表2 系固方案计算结果

由表2 的计算结果可知，系固方案满足公式(14)的校核标准，故该系固方案可以实施。

货物R 利用SPMT 运输时的配车为4 纵列20 轴线，其运输稳定性分析如下（如图14所示）：

图14 运输稳定性示意图

计算倾翻三角形的底边长度：

式中：a为SPMT两支撑点间距，2 900mm；b为货物重心所在平面与平板车相交线。

代入数据，得：

计算整体重心距地面高度H：

式中：G1 为SPMT 的重量，100.8t；H1为SPMT 的重心高度，750mm；G2为货物R 的重量，500t；H2为货物R的重心高度，2 700+1 500mm。

带入数据，得：

车货系统相对于稳定面的重心高度：

SPMT车组的横向稳定角：

带入数据，得

由于横向稳定角ψ ＞7°，所以可认为SPMT 运输重大件货物R时的横向稳定性满足要求。

6 结论

由于环境复杂多样，重大件货物的运输需要适应各种不同的现场条件，本文重大件货物的多式联运方式就是为适应特定的项目现场而采用的。本文通过分析得到以下结论：

（1）当货物对称积载于船中时，受到的合外力最小，因此应优先考虑将重大件积载于船中位置，有利于货物的安全运输。

（2）对于重大件落支墩拖航运输的系固，柔性和刚性联合系固的方式较传统的柔性系固，既可保证货物自身的系固，也能防止由于支墩滑动而造成货物掉落的危险，同时止动块可由人工通过锤子解除与甲板的焊接，便于现场操作，安全而高效。

（3）文章针对重大件货物港内短距离拖航运输，由于海况较好，货物系固时可根据现场情况对IMO《货物积载与系固安全操作规则》中系固设备的系数进行优化，文中取0.9，在保证安全的前提下，节省了绑扎材料，降低了劳动强度，安全而经济，可为类似的重大件运输提供参考。

（4）重大件货物在滚卸过程中，应根据船舶吃水，结合码头标高和潮汐情况来指导驳船的压载水调节，实现重大件货物的安全滚卸。

（5）文中分析和论证了SPMT运输重大件货物三点支撑的稳定性，可作为重大件货物短倒运输时SPMT 稳定性的计算依据，为SPMT 运输重大件货物的稳定性计算提供了参考。