第三章 船舶强度

第一节船舶强度概述
船舶是一种由板材和骨架构成的浮动建筑物。

船体在重力、浮力、船体摇荡运动中的惯性力、风浪力等外力作用下，将不可避免地发生变形。

为保证船舶安全，船体结构必须具有抵抗发生过大变形和破坏的能力，这种能力称为船舶强度。

按照外力分布和船体结构变形范围的不同，船舶强度可分为总强度和局部强度，而总强度又按外力分布及相应船体变形的不同方向，分为纵向强度和横向强度。

对于营运船舶，主要应考虑船舶的总纵强度和局部强度。

营运中的船舶，为保证船舶安全运输及合理使用，应确保船舶具有足够的强度，这就要求船舶使用者通过合理配置载荷重量、优化载荷装卸顺序、限制载荷就位速度、减小航行中波浪冲击等措施来改善船体受力状态以确保船舶处于良好的营运状态。

第二节船舶总纵强度
船舶产生纵向变形的原因： 1．船舶总纵强度概念
船舶总纵强度是指船体整个结构抵御纵向变形或破坏的能力。

将船体视为一根空心变断面且两端自由支持的梁，船舶总纵强度研究的是船体在外力作用下整个船体梁所具有的抵御纵向弯曲、剪切和扭转的能力。

2．船舶纵向变形的原因
作用于船体上的外力包括重力、浮力、摇荡时的惯性力、螺旋桨的推力、水对船体的阻力、波浪的冲击力等。

由于惯性力、推力、水阻力和波浪的冲击力对船舶总纵强度影响很小，故可忽略不计，而只考虑分布于船体上的重力和浮力。

从整体上讲，船舶重力和浮力大小相等、方向相反并作用于同一垂线上，但这两个力沿船长方向各区段内其大小并不都是相等的，即重力和浮力沿纵向分布规律不一致，由此导致船舶纵向发生变形。

重力、浮力、载荷沿船舶纵向分布：1．重力
包括船体、机器设备、燃料、淡水、各种备品、压载水、所载货物等项重力。

由于船体结构和各类载重分布的不连续性，重力纵向分布呈跳跃状。

2．浮力是指船在平静水中或静置于波浪中，舷外水对船体压力的合力。

浮力纵向分布也是不均匀的，它取决于船体水线下的体积和形状。

3．载荷及载荷曲线
沿纵向上船体各区段所受重力和浮力的差值就是该区段船体上所受垂向合外力，称为载荷。

不同横剖面上的载荷形成载荷随纵向位置的分布曲线，称为载荷曲线。

4．剪力及剪力曲线
各段船体上载荷的存在，在不同横剖面处将受到剪力和弯矩的作用。

相对一侧即尾向（或首向）船体产生一作用力通过剖面上的连接构件作用于横剖面上，该作用力称为剪力。

在数值上，纵向各横剖面上的剪力等于该剖面首向或尾向一侧所受重力与浮力的差值。

不同横剖面上的剪力形成剪力随纵向位置的分布曲线，称为剪力曲线。

一般装载情况下，船舶首尾处的剪力为零，最大剪力绝对值出现在距船首和船尾1/4船长附近。

5. 弯矩及弯矩曲线
船首向（或尾向）一侧重力对该剖面的力矩不等于该侧浮力对该剖面的力矩，相对一侧即尾向（或首向）船体必然通过剖面上的连接构件传递一反向力矩，使
得船体平衡，该力矩称为作用于横剖面上的弯曲力矩，习惯称为弯矩。

在数值上，某剖面上所受弯矩等于该剖面在船首向（或尾向）一侧各段重力与浮力差值对其所取力矩的代数和。

不同横剖面上的弯矩形成弯矩随纵向位置的分布曲线，称为弯矩曲线。

一般装载情况下，船舶首尾处的弯矩为零，最大弯矩绝对值出现在船中附近。

船体拱垂变形：剪力与弯矩作用于船体上，将使船体出现剪切变形和弯曲变形。

若作用于船体各横剖面上的弯矩方向相同，将使整个船体发生方向相同的纵向弯曲变形，称为拱垂变形。

当船舶首尾部重力大于浮力而中部浮力大于重力时，所出现的弯曲变形称为中拱变形。

中拱弯曲变形使甲板受拉，船底受压，从而形成船舶中部上拱。

造成船体中拱变形的弯矩称中拱弯矩，习惯上规定为正值；相反，当船舶中部重力大于浮力而首尾部浮力大于重力时，所出现的弯曲变形称为中垂变形。

中垂变形使船底受拉，甲板受压，形成船体中部下垂，其所受弯矩称中垂弯矩，习惯上规定为负值。

船舶在静水中，即使各舱柜载重比较均衡也会产生拱垂变形，但其变形较小，为一般船舶强度所允许。

若首尾部舱柜载重较多而中部舱柜载重较小，则会产生较大中拱变形；反之，产生较大中垂变形。

若船舶在波浪中航行且有效波长等于船长，当波峰位于中拱变形的船中时，会加剧其中拱变形；反之，当波谷位于中垂变形的船中时则会使中垂变形增大。

许用切力和许用弯矩的概念： 船舶纵向上所能承受的最大剪力和弯矩分别称为许用剪力和许用弯矩。

船舶许用剪力和许用弯矩一般分成如下几种情况给出。

1．对于较小船舶给出船中许用静水弯矩。

2．对于中等大小船舶，给出港内（静水中）和海上（波浪中）船中弯矩许用值。

港内弯矩许用值通常比海上弯矩许用值大些。

3．对于大型船舶，给出重要剖面上的静水剪力和弯矩许用值、波浪中剪力和弯矩许用值。

船舶各剖面许用弯矩和许用剪力中部较大而首尾较小。

应当指出，船舶资料中给出的许用值是针对新船状态列出的，营运中的船舶可按每年扣除其腐蚀量0.4%～0.6%，使用年限小于5年的船舶可取下限值，使用年限在10年以上时可取上限值。

利用强度曲线图进行船舶纵强度校核：强度曲线图校核法实际上是由船中弯矩估算法演变而成的。

当船长小于90m 或装载均匀，可以不校核静水切力时，可以利用强度曲线图法进行纵强度校核。

该方法简便、快速。

令s M '等于某一固定值，则可确定i i p x ∑
关于M d 的函数关系。

在强度曲线图，各曲线的意义为： 令s M '=0，得点划线；令s M '＝0s M ±，分别得上下两虚线，其中，
0s M 为空船状态时的静水弯矩；令
s s M M '=±分别得最外侧两实线，s M 为船中许用静水弯
矩。

船体纵向变形的吃水校核法：实际工作中，可以通过观测并比较首尾平均吃水及船中吃水来判断船体拱垂变形的大小和方向。

若首尾平均吃水大于船中吃水，说明船舶处于中拱变形状态；若首尾平均吃水小于船中吃水，则船舶于中垂变形状态。

同时，两者差值的绝对值，反映了拱垂变形的程度，称为拱垂值，即
M Z d d -=δ
式中：δ──拱垂值（m ）；
d Z ──船中左右舷平均吃水（m ）；
M d ──首尾平均吃水（m ）。

经验表明，正常拱垂变形值为L bp /1200 m ，极限拱垂变形值为L bp /800 m ，危险拱垂值为L bp /600 m 。

船舶装载或压载后，其拱垂值在正常范围内，则可以开航；拱垂值接近极限值，只允许在海况良好的天气开航；拱垂值接近危险值，应在对其进行调整使其脱离危险值后方可开航。

按舱容比分配各舱配货重量：1．按舱容比分配货物重量的方法
船体所受浮力沿纵向的分布是由水线下排水体积沿纵向分布决定的，而排水体积的纵向分布规律与船体内部容积沿纵向变化规律大体一致。

因此，在配载中，应按各舱容积大小成正比地分配各货舱货物重量。

设全船货舱总容积∑
ch V ，航次货运量∑Q ，则具有chi V 舱容的某货舱应分配的货物重量i p 为:
ch i i ch V p Q
V
=⋅∑∑
在实际装载中，由于受到各种其他因素的影响，有时难以准确达到按舱容比分配货物重量，应允许对所确定的分配重量做适量浮动，其上下浮动量一般可取分配货量的10％，有时甚至更大些。

应该指出，按舱容比大小确定的各货舱装载计划，并不是使船舶受力最小的最佳方案。

2．根据机舱不同位置适当调整中区货舱货物分配量
中机船满载时存在较大中拱变形，为此，应在中区货舱适当增大货物分配量而在首尾部货舱适当减少货物分配量，以减小中区重力和浮力的差异，通常中部货舱的货物分配量可取上限，首尾货舱则取下限；对于大型尾机船因满载时呈中垂变形，则应适当减少中区货舱货物分配量并相应增大首尾货舱货物分配量，通常满载时中部货舱的货物分配重量可取下限，首尾货舱则取上限。

船上其他载荷的合理配置：1．油水的合理分布和使用
对于中机船，满载时常处于较大中拱状态，所以出港时油水尽量集中在中部液舱柜，航行中使用时则应先用首尾部液舱柜油水而后用中部舱位油水。

对于尾机船，空载时一般处于较大中拱状态，因此其油水的分布和使用原则与中机船满载时相同；大型船舶满载时常处于中垂状态，所以油水分布和使用原
则与空载时相反，即中部液舱油水尽量装载少些，首尾液舱尽量满些，航行中则先用中部液舱油水而后用首尾部液舱油水。

对于中后机船，满载航行时，可能处于较小中拱或中垂状态，应依据船舶具体状态确定油水分布及使用方案；压载航行时，一般为中拱状态，因此油水分布和使用原则与尾机船的空船压载状态相同。

2. 合理压载
为改善船舶的航行性能，空载船舶需注入相当数量的海水以确保航行安全。

对于尾机船，空载时尾吃水差较大，且船舶处于中拱状态，欲减小船舶尾吃水差及中拱弯矩，除首部压载外，应尽量使用接近中区的压载水舱。

货物装卸及船舶航行中改善船舶纵向： 1．中途港装卸货物对强度的考虑当船舶在中途港卸下或装上的货物数量较大时，该港货物不得过于集中配装在一个货舱内，以免卸货或装货后产生过大剪力或弯矩而损伤船体强度；也不应过于分散，否则会过多地移动或更换装卸工具。

应视其货物装上或卸下的重量情况，分装于2～3个货舱内。

2．均衡装卸各舱货物，合理安排装卸顺序
在实际工作中，应争取多头装卸作业，及时更换作业舱室，即各货舱交替进行装卸，防止在作业过程中出现某一货舱中货物与其他货舱中的货物重量相差过分悬殊。

3．避免船舶在波浪中的纵谐摇
船舶在波浪中航行时，若船长等于波长且船速等于波速，船舶则会出现纵向谐摇，船体中部处于波谷或波峰位置上，会加大船舶的中拱弯矩或中垂弯矩，且长时间得不到改变，这对船体强度极为不利，应避免这种纵谐摇的存在和持续状态，采取改向或变速的措施。

第三节船舶局部强度
船舶局部强度概述：1．局部强度定义
船体各部分结构在外力作用下具有抵抗局部变形和损坏的能力称为局部强度。

对营运船舶来说，主要应考虑甲板、平台、舱底及舱口盖等载货部位的局部强度。

2．许用负荷量
载货部位局部强度所允许的载荷重量的极值称为该位置处的许用负荷量。

根据载荷的分布情况及特征，实际营运中有以下几种形式的许用负荷量表示方法：（1）均布载荷
均布载荷是作用在载荷部位上货物重力均匀分布在某一较大面积上，如固体散货或液体散货均匀装于舱室内，使甲板或舱底所受压力相同。

由于均布载荷时载货部位上各处压力相同，因此，将载货部位单位面积上允许承受的最大重量定义为均布载荷条件下的许用负荷量d p，单位为9.81kPa。

（2）集中载荷
集中载荷是指货物重力集中作用在一个较小的特定面积上，如重大件货的底脚、支架等。

特定面积是指向该区域下的承重构件（如甲板纵桁）施加集中压力的骨材（如甲板纵骨和横梁）之间的面积。

由于集中载荷时货重作用在一特定面积上，因此，将载货部位特定面积上允许承受的最大重量定义为集中载荷条件下的许用负荷量P ，单位为ｔ。

（3）车辆载荷
车辆载荷是指载车部位上的车辆及其所载货物的重量集中作用在特定数目的车轮上，如铲车及其所铲起的货物、拖车及其上面的集装箱等。

（4）集装箱载荷
集装箱载荷是指每一箱位底座上允许承载该堆集装箱的最大重量P C ，单位为t 。

3．实际负荷量
船舶实际负荷量指载货部位的局部面积上实际承受的载荷重量，同样分为均布载荷、集中载荷、车辆载荷等种类。

许用均负荷量的确定： 1．查阅船舶资料
船舶各载货部位的许用负荷量一般可以从船舶局部强度计算书中查取，有的船舶也列在装载手册中。

小型船舶许用负荷量给出的方式比较简单，一般不区别甲板的有关部位，甚至不区别集中载荷还是均布载荷。

大型船舶各层甲板许用负荷量常分舱、分部位按集中载荷和均布载荷给出舱底板许用负荷量以舱为单位给出。

舱底板许用负荷量则以舱为单位给出，而二层甲板和上甲板许用负荷量则以舱为单位按不同部位给出，一般分为舱口盖、舱口外和舱口间3个部位。

2．经验公式
若船上无上述资料又为局部强度核算所必需，可用以下经验公式估算各层甲板的许用负荷量。

（1）上甲板
对设计时不考虑在露天甲板装货的船舶，不允许在上甲板装货。

对于允许装载货物的上甲板，其许用负荷量可按下式估算：
D c c c F S H H p d .81.981.9⋅
=⋅⋅=γ 式中：
d p ──许用负荷量（9.81kPa ）
c H ──上甲板货物的设计堆高，重结构船取1.5m ，轻结构船取1.2 m ； c γ── 船舶设计时选用的货物装载率，即1m 3货舱容积所装载的货物吨数（t/m 3）；
D SF ──船舶设计时采用的货物积载因数，等于该船的设计舱容系数（t/m 3）。

（2）中间甲板和舱底
中间甲板和舱底的许用负荷量d p 可由下式确定:
D d
c c F S H H p
d .81.981.9⋅
=⋅⋅=γ
式中：d H ──二层舱或底舱高度（m ）。

当船上没有设计时货物装载率c γ或设计时货物积载因数D SF 资料时，可取γc
=0.72t/m 3或SF D =1.39m 3/t 。

对满足建造规范规定的重货加强要求的船舶的底舱，可取γc =1.2t/m 3或取SF D =0.83m 3/t 。

实际均负荷量的计算：1．实际均布负荷量的计算
各类固体散货、液体散货或普通杂货的货堆下的压力可作为均布载荷对待。

均布载荷条件下的甲板实际负荷量d p '可按下式计算
A p p i d ∑='或∑='i i d
F S h p .
式中：i p ── 各层货物的重量（t ）；
A ── 货堆底面积（m 3）：
i h ── 各货层堆高（m ）； i
F S .── 各层货物的积载因数（m 3/t ）。

2．局部强度校核
满足船舶局部结构安全的条件是货物装载后载货部位的实际负荷量不大于相应部位的许用负荷量。

3．最小衬垫面积的计算
d p p A =min
保证船舶局部强度满足要求的措施： 1．适当减小旧船的许用负荷量。

船龄较大的老旧船舶，船体强力构件因锈蚀而使强度降低，因此，应对船舶资料中所列出的许用负荷量适当减小，其减小量应根据船舶强力构件锈蚀的程度来确定。

2．舱内货重分布尽量均匀。

货物配装时，在满足卸货港序及货物相容性前提下，货物重量在舱内应尽量均匀分布。

重货应尽可能不扎位装载，不过分集中装于某一舱位，注意轻重货物的合理搭配。

3．重大件货合理配装和衬垫。

重大件货应配装在局部强度较大处，若配装在二层舱或上甲板，应尽量安排在甲板下有支柱的位置，必要时可在其下加设撑柱。

重大件货受力点应尽可能落在横梁、舱壁、纵骨等强力构件处。

必要时货件下应进行衬垫，以增大底部承载面积，降低实际负荷量及甲板或舱底下骨材所分担的重量。

衬垫时应横跨相应骨材，使其重量分散到多个骨材上。

4．上甲板舱盖上不装重货。

除集装箱船外，一般干货船的上甲板舱盖上不允许堆装重货，如需要时只能装载少量轻货，以防舱盖受力过大而变形漏水。

5．固体散货在装舱时应注意平舱。

因装船机械性能及操作条件等方面的限制，舱内货物表面会出现高低不平的现象及货物向舱口下方区域集中的趋势，这
势必会造成舱底负荷不均衡。

为避免不利于船体强度的现象出现，除限制货舱内货物装载量外，还应采取平舱措施。

6．重货装载时应限制其落底速度。

无论是重件货还是S.F较小的固体散货，若落底速度较大，则舱底或甲板除重力作用外，还受到一定冲击力，这对船体强度极为不利，因此，在装载时应限制其落底速度。

7．如有怀疑应予以校核。

无论何种原因如对装载后的局部结构强度存在怀疑时，应进行必要的校核。

8．请专家指导。

在装载大型货件时，常需要对装载后的船舶局部强度进行较准确的复杂计算，此时请专家进行实际指导或制定装载方案。