王超 张岩 王南海

摘 要：重大件货物在海上运输途中须进行绑扎固定，避免其受船体运动倾覆力的影响而发生位移或翻转运动，造成货物损毁。在海上运输途中，货物的倾覆稳定性起着至关重要的作用，其校核结果直接关系到整个运输方案的可行性与否。本文结合DNV和ABS船级社规范，阐述了重大件货物海上运输结构稳定性校核的计算方法与过程，为运输方案的前期设计提供了理论数据支持。

关键词：重大件货物;海上运输;倾覆力;稳定性校核

中图分类号：U698              文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）11-0041-03

船舶在海上运输途中，会受到风浪等环境载荷的作用产生摇荡运动，其甲板上方载运的货物，比如导管架、上部模块，或者大型浮式工程船，会随着船舶一起運动，从而受到加速度产生的惯性载荷的作用。同时，外部环境风也会作用到货物上，从而产生风压作用力。所以，海上运输的货物需要进行系固。这样可以避免货物受船体运动倾覆力的影响而发生倾覆，甚至毁坏，同时也可以避免货物坠入海中导致货物的损失[4]。

本文的目的在于参考以往已经实施的项目经验，同时根据挪威船级社（DNV）和美国船级社（ABS）的规范标准等要求，对重大件货物海上运输倾覆稳定性校核的规范计算方法和步骤作简单介绍。

1货物倾覆稳定性校核方法

1.1常规货物

导管架、上部模块等常规货物，其底部支撑结构面积较小，且结构强度相对较弱，为避免海上运输途中的倾覆，通常使用焊接斜拉筋和筋板的方式进行绑扎固定。对于此类型货物的倾覆稳定性及固定结构详细设计，可以使用海洋工程专业计算软件进行直接计算。

1.2重大件货物（大型工程船等浮体货物）

对于重大件货物而言，其结构形式的特点和使用方式，直接决定了与常规货物的绑扎固定方式的不同：

（1）绑扎固定结构与货物之间，尽量减少焊接，或者不焊接;

（2）货物绑扎固定结构设计时，不考虑由于船舶横摇和纵摇产生的惯性力弯矩因素，固定结构只允许承受单方向的正压力;

（3）货物底部直接由固定在载运船舶甲板的枕木支撑，在垂直方向上不设计固定结构。

综合考虑上述3个方面的因素影响，重大件货物海上运输倾覆稳定性不能使用软件直接计算得到，则需要使用规范计算方法和步骤进行校核。

2 重大件货物倾覆稳定性校核步骤

重大件货物和运载船舶是两个独立分开的个体，固定结构只是限制货物的水平运动。对于重大件货物的倾覆稳定性而言，通常更关注在船舶横向的倾覆稳定性;而在船舶长度方向，其纵摇运动较小，货物在此方向发生倾覆的可能性更小。当船舶发生横摇运动时，货物在惯性力和风载荷的作用下，会产生横向倾覆的趋势。如图1显示了重大件货物与运载船舶之间的相对关系。

图中，VCG：货物重心至枕木上表面的垂直距离;L1：货物重心至倾覆支点的水平距离，即货物回复力臂。

图1中所示各个部分，对应关系如下：

（1）倾覆支点通常定义在货物底部与枕木上表面接触处;

（2）固定结构焊接在运载船舶甲板上方，且与货物两侧不焊接;

（3）枕木固定材料使用钢质扁铁，并焊接固定至运载船舶甲板上。

货物的侧向倾覆稳定性校核，需同时考虑风载荷弯矩、风倾载荷弯矩，以及由于船舶运动产生的惯性力载荷弯矩的迭加影响。惯性力载荷主要包括三个部分：横荡加速度产生的惯性载荷、横摇加速度产生的惯性载荷、垂荡加速度产生的惯性载荷。

2.1风载荷弯矩

参考ABS船级社的相关规范标准，货物受到的环境风速，以距离海平面以上15.3m处为基准面。此外，风载荷计算时，以下两种风速需要同时考虑[2]：

（1）持续时间为1小时的平均风速;

（2）持续时间为1分钟的阵风风速。

目前，ABS规范给出风压计算公式[2-3]：

其中，：货物结构件的形状系数;：货物结构件的高度系数;A：货物结构件在迎风向的投影面积;：设计计算风速。

对于公式（1）中涉及到的货物结构件的形状和高度系数，参照美国船级社规范第3节相关内容的规定和建议，对货物结构进行分块取值，通过上述公式对各个分块进行风载荷的计算;然后，将各个分块的风载荷进行迭代求和计算，进而得到所需要的重大件货物所受到的风载荷。

所以，作用至重大件货物底部枕木上表面处的风载荷弯矩计算为：

2.2风倾载荷弯矩

重大件货物在海上运输过程中，运输船舶与货物整体受到风载荷的作用时，在船舶横向会发生一个很小角度的倾斜。此横倾角可以通过专业的水动力软件MOSES计算得到;计算横倾角时，同时考虑了2.1章节规定的两种风速。

当重大件货物和运输船舶整体出现横倾角时，货物的重量在船舶横向上会产生一个与运输船舶甲板平行的分量。此分量即为风倾载荷：

2.3惯性载荷弯矩

计算重大件货物的惯性载荷方法，其过程与常规海上结构物运输类似：首先使用水动力计算软件MOSES计算得到由于船舶运动在货物重心处的6个自由度的最大加速度：横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇;然后，将横摇角加速度和横荡加速度产生的惯性载荷，计算得到其作用至枕木上表面处的弯矩。

2.4货物倾覆弯矩

使用上述计算得到的重大件货物受到的风载荷弯矩、风倾载荷弯矩和惯性载荷弯矩结果，参考挪威船级社规范，将各个载荷参考公式进行迭加计算，进行求解货物倾覆弯矩，其计算公式如下[1]：

2.5货物倾覆力臂计算

货物在倾覆弯矩作用下，会发生横向倾覆的趋势，其倾覆力臂按照如下公式计算：

2.6货物倾覆稳定性校核

将计算得到的货物倾覆力臂L2与回复力臂L1做比值，即

根据上述比值的大小，可以对货物在海上运输途中是否会发生倾覆，进行定量分析校核。货物倾覆稳定性的校核衡准，如下所示：

（1）当时，货物会发生倾覆;

（2）当时，货物不会发生倾覆。

3 结论

本文基于实际工程经验，介绍了重大件货物海上运输倾覆稳定性校核的计算流程。此计算流程所涉及到的分析较多，包括风载荷弯矩、风倾载荷弯矩、惯性载荷弯矩、货物倾覆弯矩和货物倾覆力臂的求解过程，上述各个载荷之间是彼此联系，并且是逐级来进行计算的;此设计流程引用的船级社规范也比较多，用到了美国船级社（ABS）相关海洋工程规范，同时也涉及到了浮体货物海上运输方案设计的挪威船级社（DNV）规范。此外，此设计流程也涉及到水动力理论的应用，水动力计算使用到了专业计算软件MOSES的辅助，同时应用了理论力学和结构力学的专业知识。

此重大件货物海上运输倾覆稳定性校核方法，经过了实际项目的验证，其计算方法和步骤是可行且有效的。货物倾覆稳定性的校核结果，是货物海上运输方案是否可行的前提，为运输方案的具体实施提供了理论数据支持，同时保证了海上运输的安全性。

参考文献：

[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.

[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.

[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移动式平台上的风载荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.

[4] 汪骥，王兆麒，李瑞，刘玉君，宋宜伦.重大件货物系固绑扎方案中倾覆力计算方法[J].造船技术，2016年第6期.