橫艙壁

橫艙壁（Transverse bulkheads）是船舶術語，指沿船寬方向設定的分隔船舶艙室的垂直隔板。與縱艙壁合稱為艙壁，它們將船體內部空間分隔成拖桿艙室，供居住、工作、裝載貨物、備品及壓載水等用。

基本介紹

• 中文名：橫艙壁
• 外文名：Transverse bulkheads
• 繁體：橫艙壁
• 定義：沿船寬方向以分隔艙室的垂直隔板
• 一級學科：船舶工程
• 二級學科：船舶結構

簡介

船上有許多橫向和縱向布置的艙壁（Bulkhead），而其中沿船寬方向設定的分隔船舶艙室的艙壁稱為橫艙壁。

主要橫艙壁(Transverse Bulkhead)對船梁能起到內部的加強作用，承受橫向載荷，保證船體的橫向強度，這對縱骨架式的船舶尤為重要。較長的縱艙壁能提高船體的總縱強度。此外，艙壁具有船梁剛性，可減少振動，作為船底、甲板、舷側等結構的支座，使船體各構件之間的作用力互相傳遞。

在客船上，一旦發生火災時，艙壁可防止烈火蔓延全船；艦艇在戰鬥中，當遭受敵人的有毒武器攻擊時，艙壁也可防止毒氣擴展。

大型貨櫃船橫艙壁結構形式探討

伴隨著貨櫃航運市場的持續低迷，在安全的前提下，各個設計公司及船廠努力最佳化貨櫃船的設計，降低空船質量，從而達到貨櫃船性能指標優異，以搶占市場。貨櫃船特別是超大型貨櫃船，明顯不同於其他船型：貨艙開口較寬且很長，整船的橫向強度主要依賴於橫艙壁。船體的扭轉強度，尤其是貨艙段的變形也因橫艙壁而得到有效控制。根據橫艙壁的功能其主要分為水密橫艙壁和支撐橫艙壁兩種。

貨櫃船橫艙壁的作用及用途

貨櫃船通常在兩個標準貨櫃（一個40 ft貨櫃長度）之間設定橫艙壁/支撐橫艙壁，一般與橫向艙口圍板對齊，從而構成雙板型的箱型結構，以便更有效裝載及支撐貨櫃；同時，貨櫃船貨艙區域的功能化模組也設定在橫艙壁範圍內。對於超大型貨櫃船，橫艙壁在垂向範圍內，通常從內底或貨艙最底部，一直延伸至橫向艙口圍板頂。橫艙壁的前後兩側設有貨櫃導軌，方便貨櫃的吊裝，導軌通常延伸至最下層的貨櫃頂部，這樣貨櫃在裝卸貨的時候都能順著導軌，以確保貨櫃裝卸的準確高效。當船舶縱傾時，貨櫃通過導軌將縱向力傳遞至橫艙壁。貨艙區域船體縱剖面圖如圖1所示。

橫艙壁的頂部支撐著兩側貨艙的艙口蓋以及綁紮橋，為了能夠多裝箱子，故力求在艙口蓋上堆裝最大層數和最多堆重的貨櫃，由此產生較大反作用力作用於橫艙壁，制約著橫艙壁的剛度及強度。為了確保艙口蓋上的貨櫃在航行過程中不會因為船舶的運動而發生移動及丟失，貨櫃船甲板面上通常設有綁紮橋。綁紮橋能夠較好地把艙口蓋上最下3～4層的貨櫃系固在船體上。綁紮橋的寬度需滿足CSS（Cargo Stowage and Securing）code中橫向通道的最小要求，這在一定程度上限制了貨櫃船橫艙壁雙板間的最小寬度。

雙板型橫艙壁參數見表1。

雙板型橫艙壁內需要布置貨艙污水井、壓載艙的管系、進入貨艙的梯道、貨艙通風管路等功能性模組，這些布置在一定程度上削弱了橫艙壁的結構強度。對於部分燃油艙/壓載水艙艙容緊張的貨櫃船，會在水密橫艙壁處設定燃油深艙/壓載水艙。

橫艙壁抗扭設計

由於貨櫃船大開口的特性，船體梁會承受各種載荷下的聯合作用——靜水彎矩、貨物和不對稱液艙室布置引起的靜水扭矩、垂向彎矩、水平彎矩等。可以看出具有大開口的貨櫃船不僅有縱向的彎曲，扭轉變形也是其主要特徵之一。而在開口區域內設定多個水密橫艙壁和支撐橫艙壁，不但可以增強開口區域的剛度，也可以抑制船體梁扭轉變形。

貨櫃船水密橫艙壁和支撐橫艙壁通常在其頂部設定由雙向板架構成的橫向抗扭箱，並在端部設定大型肘板與縱艙壁連線，用以提供足夠的強度來承受由船體梁扭轉而引起的扭矩。橫向抗扭箱的抗扭強度取決與雙向板架的高度及雙向板的厚度。

橫艙壁的抗扭能力可通過計算分析彎扭合成應力來校核。彎矩合成應力可使用BV的Mars2000軟體進行分析，在剖面計算時迭加上翹曲應力，求得總的合成應力，並將總合成應力同許用應力比較，判斷結構是否滿足強度要求。最後可採用全船有限元分析的扭合成應力分析結構進行驗證。

船體薄壁梁模型以及全船有限元模型參見圖2、圖3。

水密橫艙壁及支撐橫艙壁形式

貨櫃船的橫艙壁通常分為水密橫艙壁和支撐橫艙壁。水密橫艙壁的一側是一個完整的水密板架，另一側則為桁架形式；而支撐艙壁的兩端均為桁架式。

由於船舶的破艙穩性的要求，貨櫃船設有多道水密橫艙壁。通常為縱向每2個40 ft貨櫃長度處設一道水密艙壁，有的超大型貨櫃船每3個40 ft貨櫃長度設一道水密艙壁。水密橫艙壁通常作為貨艙的邊界，將貨櫃船劃分為若干個貨艙。水密橫艙壁作為貨櫃船最主要的受力構件之一，保證貨櫃船的垂向強度、橫向強度及扭轉強度，同時水密橫艙壁還需要能夠承受在貨艙破損狀態下的水壓力。

支撐橫艙壁位於兩道水密橫艙壁之間，不同於水密橫艙壁，其雙板型兩側均為敞開式的桁架。故支撐橫艙壁無論在垂向還是橫向都比水密橫艙壁的承載能力弱。

根據橫艙壁平台/桁材的布置形式，可分為垂向式、水平式和混合式。

（1）垂向式

垂向式是在每個橫向箱位向都設定垂直桁，每2～3個貨櫃高度處設定水平平台的結構形式。其水平的結構平台個數明顯少於垂直桁個數，該結構形式能夠承受較大的垂向載荷。垂向式的橫艙壁（見圖4）在超大型貨櫃船上運用較廣。由於水密橫艙壁要承擔船舶破艙水壓力，水密橫艙壁的下部分一般採用垂向式的結構形式。部分船的支撐橫艙壁下部也採用垂向式的結構形式。

（2）水平式

水平式是指在高度方向每個箱位間都設定水平平台，橫向每隔若干個箱寬處設定垂直桁的結構形式。其水平的結構平台個數大於垂直桁個數，該結構形式的單個垂直桁承受更大的載荷，其構件尺寸會大很多。水平式橫艙壁結構形式多用於貨艙裝有冷藏貨櫃的情況，每層設有結構平台，方便冷箱貨櫃的調控，參見圖5。

（3）混合式

混合式是介於垂直式和水平式之間，水平平台和垂直桁均是每隔一個箱位間設定。由於平台及垂直桁的總數量較少，該結構形式的橫艙壁的質量相對較輕。參見圖6。

改進的混合式橫艙壁

混合式的橫艙壁作為較優的結構形式，在超大型貨櫃船中尚未廣泛運用。不過，混合式的橫艙壁雖然質量較輕，但對建造精度要求較高。由於混合式橫艙壁自身平台及垂直桁較少、間距較大，通常間隔大於5 m；另一方面超大型貨櫃船的橫艙壁普遍很高、很寬，通常高度近30 m，單個橫艙壁分段寬度近20 m。對於單片橫艙壁分段，無論是運輸、翻身、吊裝還是大合攏，控制橫艙壁的變形，提高建造精度一直是個難題。

由於混合式橫艙壁的平台及垂直桁是每隔一個箱位處設定，這樣必然會在中間出現空缺部分，導軌無法有效地支持在橫艙壁上，致使導軌變形。通常在兩個垂直桁之間設定角鋼（見圖6），並在導軌相應固定處沿縱向方向加強，但這同時也帶來了一定缺陷。

貨櫃船為大開口型船舶，在斜浪工況下的扭轉變形較大，橫艙壁作為抗扭的主要受力構件，會產生較大的扭轉變形。橫艙壁的垂直桁構件相對較強，連線其上的角鋼自身強度較弱，且受制於連線形式，容易產生疲勞問題。若要解決連線處的疲勞問題，就需要一種新的結構形式取代原先的角鋼。

改進的混合式橫艙壁將傳統的角鋼連線改為T型材連線（見圖7）。其優勢在於，T型材面板與垂直桁面板相連時，可以增設軟趾，並可根據計算結果局部嵌入厚板或將軟趾放大。

研究結論

貨櫃船橫艙壁的結構形式一般分為水平式、垂直式和混合式，可根據貨艙實際裝箱情況，選取合適的橫艙壁形式。在貨艙內不考慮裝運冷藏貨櫃的情況下，採用混合式的橫艙壁形式，更能減輕結構質量。

改進的混合式橫艙壁由於主要結構構件間距加大，給工廠的施工建造中控制變形量帶來一定的難度，但其以下優點顯而易見：

（1）混合式橫艙壁由於平台或垂直桁數量較少，相對結構較輕。在滿足相等結構強度前提下，對於單個橫艙壁，混合式比垂直式減輕5%左右，比水平式減輕8%左右。

（2）改進的混合式橫艙壁，運用T型材連線形式替代傳統角鋼連線形式，能很好地解決節點連線處的疲勞問題。

潛艇中的橫艙壁

橫艙壁裝在潛艇上是用以防止結構由於全面喪失穩定性而破壞、劃分艙室、在特殊情況下限制浸水以及構成端部避難艙。當艙壁主要是用來限制浸水的時候，它們的布置要使得船上任何一個艙室和相鄰的一個主壓載艙浸水後仍能保持漂浮，因而能在水上碰撞事故中獲得一定程度的安全。為了做到這一點，同時需要有超過水上排水量30%的大量壓載艙，這給潛艇尺度帶來了極為不利的影晌。進一步說，這一措施對下潛相當深度的潛艇當任何主要艙室浸水時很少可能會真正有所幫助。隨著在核潛艇上主要艙室尺度的增大，對外部液艙的需要大大減少以及強調改善水下性能，同時由於核潛艇只有很少時間處於水上，繼續堅持舊的觀念將是無益的。因而核攻擊潛艇不論在水上或水下都不能經受任何主要艙室的完全浸水。但是，在潛艇上仍裝有橫艙壁，使得當潛艇沉沒深度大大低於使船體破壞的深度時，這些艙壁可構成艏艉避難艙。

如同水面船舶的橫艙壁一樣，潛艇的橫艙壁也是根據一次使用來設計的，因此，預期它能在最大預定壓力下超過屈服點並在塑性範圍內很好地工作。這些艙壁是平板型的，具有廠泛的加強系統，它們在過去是按標準的橫樑公式和假定載荷進行設計的。通常，在軸線上安裝·一根主(初始)水平梁，並暇定它承受作用在整個艙壁上的一半截荷，截荷分布為橢圓形的。裝置各垂直(次級)防撓材假定共同承受作用在艙壁上的整個載荷。最後，在垂直防撓材之間安裝間段加強筋以減小板格尺寸並防止垂直防撓材的歪斜，假定它們承受按梯形或三角形分布的載荷。用這種方法設計的艙壁能夠達到或超過規定的容許壓力。然而，它們不能保征重量最小。海勒爾氏(Heller)和帕勒摩氏(Palermo)曾就這一類型的隔艙壁加強系稅作了彈性分析，其結果與實驗結果更為接近，並能使艙壁桔構重量有某些減小。

艙壁或強肋骨會使強的圓筒形結構成為非連續性的，因而與其相鄰部分就成為耐壓艇體早期破壞的可能根源。從實驗觀察已經證明在許多場合中軸對稱的殼板屈服幾乎總是發生在與“剛性支點”相鄰的區段。為了抵消強艙壁的削弱作用，長期以來在實踐中採取的措施是減小第一個肋骨到加強構件間的距離。然而，這一方法只是迫使破壞點移到第一個全長度的肋距，而對破壞壓力並不能其正有所改善。商脫氏(Short)和巴爾特氏曾提出一種對這些“端部”區段的最佳設計方法。有限的模型試驗也已證實了這一設計方法的結果。按照這種最佳設計程式(端部肋距比典型的長8%，端部肋骨比典型的大23%)得出的幾何形狀經過試驗後被證明比減小末端肋距長度而不改變肋骨尺度的舊辦法增強了5%。