李堅波，沈正湘，韓樹剛，岳智君

(1.江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913; 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;3.國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州 450002)

船舶高負荷帶纜樁設計方法

李堅波1，沈正湘2，韓樹剛3，岳智君2

(1.江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913; 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;3.國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州 450002)

針對船舶發(fā)展過程中系泊系統(tǒng)帶纜樁的高承載能力和布置空間受限的設計問題，分析國內外軍民船舶帶纜樁設計規(guī)范的流程及其區(qū)別，考慮帶纜樁結構強度和使用方式，確定幾種提高帶纜樁承載能力的方法，能有效滿足帶纜樁的高承載負荷和布置空間要求。

系泊;帶纜樁;舾裝數;最小破斷負荷;安全工作負荷

帶纜樁屬于船舶系泊系統(tǒng)的重要承載設備，船舶在碼頭?？繒r，船上系纜索的固定裝置主要為帶纜樁，承擔著系纜索傳遞的外載荷。目前國內外軍民船系泊裝置設計流程基本相同，均通過計算的舾裝數查設計規(guī)范得到系纜索的設計要求，之后完成帶纜樁的選型設計［1-2］。

我國船舶帶纜樁選型設計一般根據帶纜樁標準(GB/T554-2008)進行選配。在我國現有的軍民船舶上，一方面軍船對帶纜樁承載要求不是太高;民船上雖有較高的承載需求，但民船上布置空間寬敞，可選用大尺寸的帶纜樁，所以現階段基本還能滿足設計要求。隨著我國船舶業(yè)的發(fā)展，對帶纜樁承載能力［3-4］和布置空間的要求越來越高，按帶纜樁標準進行選型設計時，將產生一定的困難。因此，通過分析我國船舶對帶纜樁的設計需求，參照國內外帶纜樁設計情況對帶纜樁的受力和強度校核方法進行分析，探討相應的設計方法。

1 帶纜樁設計流程

帶纜樁是船舶系泊系統(tǒng)的關鍵設備，國內系泊裝置設計都是按規(guī)范計算舾裝數，如海船規(guī)范［5］的為:N=Δ2/3+2S1+0．1S2，按舾裝數得到系纜索最小破斷負荷需求，其他系泊承載設備以此負荷需求進行選型設計。

我國船舶系泊裝置的設備規(guī)格按照船舶工業(yè)標準執(zhí)行［6］，根據標準要求帶纜樁應符合GB/ T554、GB/*556的規(guī)定?，F行的GB/T554-2008(以下簡稱“GB/T554”)中帶纜樁的設計配置要求參見表1。在船舶的帶纜樁選型設計時，通常要求帶纜樁的安全工作負荷不小于對應的系纜索最小破斷負荷要求。根據系泊系統(tǒng)設計規(guī)范的系纜索最小破斷負荷需求，查GB/T554可選擇相應的帶纜樁型式和規(guī)格，如帶纜樁B315、A400等。

表1 帶纜樁設計配置要求

2 帶纜樁選型設計需求分析

2．1 帶纜樁設計規(guī)范比較

國內帶纜樁選型標準則為修訂的GB/T554，設計時需要根據系泊設計規(guī)范計算與舾裝數對應的系纜索配置要求。但國內外系泊設計規(guī)范中舾裝數計算公式不同，將影響船上帶纜樁的選型設計，如歐洲很多國家采用的勞氏軍規(guī)，其舾裝數計算公式如下。

式中:Δ——排水量;

At——橫向受風面積;

A——側向受風面積。

通過分析，幾個標準規(guī)范舾裝數雖基本都按船舶的排水量、橫向受風面積和側向受風面積組合計算(僅受風面積取值上略有差異)，且舾裝數配置表劃分檔次相同。但各規(guī)范對舾裝數公式中系數有所不同，勞氏軍規(guī)在橫向受風面積一項的系數由“2”增加為“2.5”，而國內軍規(guī)在排水量前添加了大于1的系數，導致在同一船型下計算的舾裝數增大，對系纜索要求增高，從而導致帶纜樁選型設計有明顯的差別，見表2。

表2 不同規(guī)范下帶纜樁設計比較

表2顯示，針對假定的同一船型，采用相同的排水量和受風面積參數計算，按國內軍規(guī)和海船規(guī)范、勞氏軍規(guī)3個規(guī)范進行設計，因舾裝數計算公式和系纜索最小破斷負荷要求等差異，最后選配的帶纜樁結果相差非常明顯。

2．2 船舶發(fā)展對帶纜樁的設計需求

帶纜樁設計標準GB/T554主要有A型(普通帶纜樁)、B型(嵌入式帶纜樁)，其結構型式見圖1。A型帶纜樁帶有一個較大的底座，直接焊接在甲板上;B型帶纜樁中一段樁柱嵌入甲板下，與船體甲板下的加強結構連接在一起。

圖1 國內帶纜樁主要型式

船舶系泊設計規(guī)范中舾裝數增大導致對系纜索最小破斷負荷的要求提高，從而將提高對帶纜樁安全工作負荷的要求。船舶的系泊裝置主要布置在艏、艉部位和舯部的通道位置，對很多船型來說，這些布置區(qū)域通常比較緊張。按標準B型帶纜樁最大直徑為為500 mm，承載能力有限。而A型帶纜樁最大直徑達到800 mm，具有更高的承載能力。但A型帶纜樁底座較大，占用較大的甲板面積，且隨直徑增大，布置時距舷邊的距離和周邊設備的距離都需相應增大，因此過大直徑的A型帶纜樁不利于在船上布置。

B型嵌入帶纜樁是國內船舶上普遍使用的帶纜樁型式，該帶纜樁僅兩個樁柱，在船上布置非常方便，但B型帶纜樁最大直徑500 mm，對應安全工作負荷僅為451 kN。

因此，在我國船舶系泊裝置設計應用中，一方面需要承載能力更大的帶纜樁;但另一方面也要求帶纜樁能在船上有限的空間進行布置、操作和使用。因此需要設計在較緊的空間內能承受更大載荷的帶纜樁。

3 帶纜樁承載設計要求分析

船上的需求分析顯示帶纜樁設計上的一個明顯問題，根據標準越配越大，要求的總體布置空間越來越多。這是為滿足帶纜樁的強度要求所帶來的問題。在提出處理方法前，先分析其強度校核的要求和方法。

3．1 標準中的強度校核方法

標準帶纜樁選型時其安全工作負荷定義如下:帶纜樁應能承受一條纜索繞在一系纜柱上離基座板上緣1.2D(D為樁柱直徑)處，并施加2倍的破斷負荷。

帶纜樁設計標準對其設計計算負荷狀態(tài)及許用應力的要求有相應的規(guī)定，其強度校核一般依ISO3913:1977的方法為

式中:F——單根纜繩的破斷負荷;

D——帶纜樁樁柱外徑;

d——帶纜樁樁柱內徑。

從式(2)可見，ISO3913基本是按平均剪切應力的4倍進行強度校核，是綜合考慮了彎曲應力和剪切應力之后的經驗公式。

3．2 力學理論計算方法

從帶纜樁的受力分析，其強度校核應可按船舶結構力學理論計算方法［7］，計算模型簡化為懸臂梁桿件，主要受彎曲應力和剪切應力，計算公式如下。

1)彎曲應力。

2)剪切應力。

式中:M——樁柱根部彎矩;

d、D——樁柱內、外徑;

T——設計載荷;

A——樁柱橫截面面積。

分析比較表明，對相同尺寸的帶纜樁，按GBT554中帶纜樁設計計算負荷狀態(tài)及許用應力要求，按船舶結構力學的理論計算方法，與ISO3913標準的計算結果相比非常接近。雖按理論公式計算的結果略低，但從理論上更能較好地反映帶纜樁實際受力情況，故可通過該方法進行帶纜樁的強度校核。

4 高負荷帶纜樁的設計方法

船舶發(fā)展需要盡量在不過大增加帶纜樁尺寸的條件下，提高其承載能力，以適應船上有限的布置空間。標準帶纜樁在船上應用有一定的局限性，在帶纜樁強度校核方法分析的基礎上，對提高帶纜樁承載能力考慮以下幾項處理對策。

4．1 增大樁柱壁厚

標準GB/T554對帶纜樁樁柱最小壁厚作了規(guī)定。但從帶纜樁強度校核方法上分析，無論是ISO3913標準的經驗校核方法(見公式(2))，還是船舶結構力學理論計算方法(見公式(3)、式(4))，都表明增大壁厚，同等條件下的應力會有所減少。

因此在同等系泊條件下，提高樁柱壁厚，可增加帶纜樁的承載能力，故在選型時可通過增大樁柱壁厚來選用直徑稍小的帶纜樁，以有利其在船上的布置。建議對帶纜樁的設計標準進行適當修改，即對同一外形尺寸，提供2種壁厚參數，提出高、低兩個安全工作負荷的帶纜樁。

4．2 采用高強度結構材料

標準GB/T554設定帶纜樁材料為25號鋼和Q235A，屈服強度比較低。從理論上分析，帶纜樁承載時根部最大應力與外力接近線性關系，其安全系數近似為

式中:σs——材料屈服強度;

T——設計載荷;

k——最大應力與載荷的線性比例系數。

式(5)表明，當系纜索載荷提高時，若樁柱材料屈服強度增加相同的比例，則仍可保持相同的安全系數。

因此，更換材料在理論上可行，選用材料強度高的非標帶纜樁能承受更高的載荷，從而更有利于它在船上的布置。此外，還可根據需要對帶纜樁樁柱進行局部加強，如樁柱內設置筋板，B型帶纜樁兩樁柱間設計相連的加強底座等。

4．3 調整帶纜方式

船上帶纜方式通常為“8”字繞纜，相對帶纜樁整體而言，其承載能力會有所降低。但“8”字繞纜通常只會導致某一個樁柱上載荷較高，因此可采取措施［8］將系纜索上的載荷適當、均勻地分配到兩個樁柱上，以減少單個樁柱的載荷。

有經驗的海員深知這個現象，通過調整帶纜樁方式會將外載荷有效地分配在兩個纜柱上，如系纜索一端套在一個樁柱上，在第二個樁柱上繞幾圈后再作8字形系繞，見圖2，兩個樁柱基本各承受一半的外部載荷。

圖2 改進的“8”字帶纜方法

此外，還有一種“O”字形帶纜方式［8］，該方式基本將纜索纏繞在一個樁柱上，近似于單根纜索套帶纜樁，其安全工作負荷可提高一倍，此方式因僅在一樁柱繞纜，需要加強纜索末端的緊固。因此在相同系泊條件下，通過調整船舶帶纜樁上的繞纜方式，不改變艦上原有設備，可以減少帶纜樁樁柱上的載荷，相應提高帶纜樁的承載能力。

5 結束語

首次探討高負荷帶纜樁的設計方法，在設計階段采用結構設計的方法理論可行，帶纜樁承載能力提高一倍的設計較易實現，實船應用中證實了該方法有效;在船舶使用過程中，如遇惡劣的環(huán)境條件，可通過調整帶纜方式提高其承載能力。

希望帶纜樁相關標準在后續(xù)更新時能考慮本文觀點和方法。同時針對帶纜樁自身的承載能力，在結構設計上未考慮對船體結構的影響，建議在后續(xù)研究中結合船體結構的加強進一步分析高負荷帶纜樁的設計方法。

［1］中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范，第2分冊［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計手冊，舾裝分冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［3］王鐵，王慶豐.128m打樁船帶纜樁支撐結構強度有限元分析［J］，江蘇船舶，2010(4):3-15.

［4］劉成勇，郭國平，甘浪雄.大型無動力船舶碼頭系泊防臺風安全研究［J］.船海工程，2009(2):156-160.

［5］OCIMF.系泊設備規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1997.

［6］中國船舶工業(yè)綜合技術經濟研究院.船舶工業(yè)標準匯編——系泊設備［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［7］陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學［M］.上海:上海交通大學出版社.1990.

［8］張亞贊.船舶在港系纜應注意的問題［J］.世界海運，1998(3):10-12.

Analysis of Design Proposal about High-Loading Bollard in Domestic Ships

LI Jian-bo1，SHEN Zheng-xiang2，HAN Shu-gang3，YUE Zhi-jun2
(1.Military Representative Office of Jiangnan Shipyard(Group)Co.Ltd.，Shanghai 201913，China; 2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China; 3.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO Henan，Zhengzhou 450002，China)

According to the design problem about the high-loading and decoration of the mooring bollard，the process and the difference about bollard design of some domestic and overseas representative rules are analyzed.Considering the structure strength and working conditions of the bollard，several methods are proposed to raise bearing capacity of the bollards，which can meet the requirements of the bollard＇s high-loading and decoration space.

mooring;bollard;equipment number;minimum strength;safe working loading

U664.4

A

1671-7953(2015)02-0047-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.012

2014-09-26

修回日期:2014-11-24

發(fā)改辦高技項目(南海綜合補給基地工程化研究)

李堅波(1983-)，男，碩士，工程師

研究方向:船舶總體設計

E-mail:Wuhan701zzk@163.com