某火车滚装船栈桥连接系统优化设计

丁 超，郭晟江，李 健

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

1 前言

火车滚装船是滚装船（RO-RO VESSEL）的一种，火车车厢通过滚装的方式上船/下船，使得陆上铁轨可以跨越江河湖海延伸到更远的地方；火车滚装船在装卸货过程中，船舶自身浮态以及港池潮位的变化将引起火车滚装甲板与岸基火车轨道的相对位置动态改变，而火车安全行驶对火车轨道的平整度、轨距以及坡度等均有较高要求，因此火车滚装船需通过具有一定高程变化能力的栈桥来过渡完成火车装卸作业，这段栈桥与船舶的连接系统是火车滚装船设计建造中的关键技术之一。我国烟台至大连航线的 “中铁渤海1号”栈桥连接系统，采用两跨式全焊变截面下承式钢板梁[1]，属于一种多跨式单层栈桥；琼州海峡的 “粤海铁1 号”，采用多处铰接的活动钢桥[2]，也属于多跨式单层栈桥的范畴，即仅主甲板装载火车。

本文主要介绍近年来我国设计和建造的全球最大的火车滚装船，其上甲板和主甲板双层甲板均用于装载火车，每层甲板均设置火车轨道、顶升和绑扎系统，是当今国内外最新式最先进的火车滚装船之一，具有装载量大、绿色低碳环保、经济高效的特质，特别是其栈桥连接系统的优化设计，解决了火车装卸需采用全下再全上的方法，达到了2 小时内可完成136 节车厢的装卸，也较好地化解了本船型装载火车数量与建造投资经济性之间的矛盾。

2 船舶主要要素

本文以最新交付的火车滚装船“M/V CHEROKEE”号为目标船，该船于2021 年6 月交付，由中船集团上海船舶设计院设计、中船集团黄埔文冲造船有限公司建造，航行于美国莫比尔港和墨西哥科察科尔斯港之间，火车运输距离由陆地上的1 400 mile缩短为900 mile[3]，其主尺度要素如表1 所示。

为了大幅度提高装载火车车厢数量，该船由单层连续火车滚装甲板升级为双层连续火车滚装甲板，火车车厢装载数量由78 节标准车厢提升至136 节标准车厢，双层连续火车滚装甲板给船舶栈桥连接系统设计提出了严峻挑战。

表1 主尺度要素

3 栈桥设计关键技术

栈桥通常采用单层多跨设计，如我国烟大线火车滚装船“中铁渤海1 号”：栈桥总长83 m，分为陆区桥和船区桥两跨[4]；多层连续滚装甲板，使用单层多跨式栈桥，船上需布置升降机、火车牵引机等车厢转驳设备，其对火车滚装船的影响主要有：

（1）由于单节火车车厢总重量通常在100 t 以上，转驳设备自重大、成本高；

（2）由于火车车厢尺寸较大，使火车车厢转驳设备占用滚装甲板面积也大；

（3）火车车厢经升降、牵引、变轨等诸多转驳作业步骤，滚装效率明显下降。

为了提高船舶建造经济性和滚装甲板面积利用率，该船优化设计，采用与船侧相匹配的多层式栈桥，如图1 所示：上层/下层栈桥分别与岸基上层/下层匝道通过铰接方式连接，栈桥总长23 m，与船侧对接端的高程变化范围是+750 mm、-250 mm，与水平方向夹角范围是+1.88°、-0.38°；栈桥高程变化的安全裕度范围是+900 mm、-500 mm；船上各层滚装甲板火车轨道可以通过栈桥直接与码头匝道的火车轨道对接，使火车车厢可以快速上下船，极大地提高了装卸货效率。

图1 双层栈桥

4 船舶与栈桥定位设计

目标码头为L 形，船舶通过倒车操船靠泊码头；火车车厢上船/下船通过船舶尾部开口，船上不设尾门或跳板，岸基栈桥直接连接于船舶尾封板处；船舶与栈桥定位设计，遵循安全、快速、可靠的原则，通过优化定位设计来控制船舶建造成本。

4.1 纵向定位设计

船舶与栈桥纵向定位（即沿船长方向），主要依靠船舶尾部系泊缆绳带缆实现。经计算，目标船舾装数处于3 600 ～3 800 范围，系泊缆绳最小破断负荷为587 kN，选用直径64 mm 的PET/PP 复合缆绳，破断负荷不小于618 kN；左右舷合计4 根，分别由4 台系泊缆车的主卷筒出绳，如图2 所示。

4.2 横向定位设计

船舶与栈桥横向定位（即沿船宽方向）主要依靠船舶尾部两个定位柱实现：定位柱主体由一个三棱柱体构成，突出于尾封板，船舶左右两舷各布置一个定位柱；在码头一侧，布置与船侧定位柱相匹配的两个内凹棱柱，与船体上的定位柱对接，保证横向定位精度，如图2 所示。横向定位影响火车轨道对接精度，因此横向定位精度要求与铁轨轨距精度要求属于同一级别。

图2 纵向定位、横向定位、冗余定位设计

4.3 垂向定位设计

船舶与栈桥垂向设计（即沿型深方向），主要依靠船舶尾部支撑结构实现：火车装卸过程中，船舶载重量会发生变化，引起船舶吃水改变，垂向定位设计需计入船舶浮态发生的变化；由于栈桥与岸基匝道通过铰接相连，船舶浮态变化引起栈桥高程变化的同时，栈桥与船侧连接点必然发生转动。纵向、横向定位是限制船舶的绝对位移，垂向定位则是限制船舶的相对位移，同时开放沿横向转动的自由度；在船舶尾部设置圆弧形支撑结构，栈桥末端搭接在上面，利用栈桥自身重力将桥体压在船体上，并能够跟随船舶尾吃水变化而上下浮动，同时允许搭接点沿着弧形接触面作微小转动，如图3 所示。图3 中的支撑结构是船侧垂向定位设计的关键结构，需承受栈桥的自重一半以及栈桥上火车车厢重量的一半，同时上层滚装甲板的支撑结构还需满足下层滚装甲板净高要求。基于设计载荷和构件尺寸限制，一种典型的支撑结构是以箱型梁作为核心构件。支撑结构与栈桥搭接处设计为圆弧形接触面，在栈桥高程变化范围内能够保证接触面积，其细节设计以及船舶与栈桥间隙的局部放大图，如图4 所示。

图3 垂向定位设计

4.4 冗余定位设计

在纵向、横向、垂向三向定位作业完成后，具备了船舶轨道与栈桥轨道对接的条件。在火车车厢装卸过程中，船舶浮态变化将引起三向定位的输入条件改变，三向定位的可靠性直接影响到火车车厢的行驶安全。为了锁定船舶与栈桥的相对位置，增加冗余定位设计，在船舶轨道与栈桥轨道中间分别设计一个矮型带缆桩，用钢丝索紧固，保证栈桥侧轨道与船体侧轨道对接，提高火车车厢装卸过程中船舶与栈桥定位的可靠性，缆桩位置如图2 所示。

5 轨道对接方式

船舶靠泊完成、船舶浮态满足装卸货要求、船舶与栈桥三向定位完成后，可进行船舶与栈桥两端轨道对接作业：轨道对接采用平断面对接法，船侧轨道横断面在尾封板平面内，栈桥侧轨道断面在栈桥前端面，每根铁轨采用两块腹板通过螺栓将轨道断面连接起来；对接后，船侧轨道断面与栈桥侧轨道断面理论间隙为20 mm，如图4 所示；腹板上的螺栓孔采用腰圆孔形式，以便适应轨道对接前的定位误差。

图4 轨道连接方式

除上述平断面对接法外，轨道对接也可采用斜断面对接法，船侧轨道切斜断面，栈桥侧轨道切与之匹配的斜断面，两斜面对接后拼成完整轨道，同样利用两个腹板和螺栓完成紧固固定；斜断面轨道对接法与平断面对接法都能够达到火车轨道对接目的，但斜断面轨道对接法的施工工艺相对复杂，因此推荐使用平断面对接法。

6 装卸货过程控制

火车车厢装卸过程中，船舶浮态控制包括尾吃水、横倾和纵倾：尾吃水需控制在栈桥高程许可范围内，横倾需保证船舶与栈桥搭接，纵倾需满足火车轨道代数差要求（±35‰）；栈桥高程变化范围是900 mm，该船在设计吃水下每厘米吃水吨数是60 t/cm，相当于装卸货过程中排水量变化的上限是5 400 t，实际上要根据码头实时吃水和栈桥实时位置来确定高程余量；横倾和纵倾也应在装卸全程实时监测，必要时可采用预调方式以达到有利的浮态。例如船舶右舷最边列火车车厢准备装船，根据船舶排水量、GM 值以及右舷边列火车车厢的总重量和位置，可以计算得到该列火车车厢装船后引起船舶的横倾变化。全船压载水总量为26 000 m3，压载泵排量为2 000 m3/h，具备强大的压载调驳能力，满足装卸货全程的控制要求。

7 结论

与常用的船舶与栈桥连接系统相比，文中提出的连接系统优化方案，在建造成本、装卸效率和可靠性方面具备先进的特点，主要结论有：

（1）船舶与栈桥连接系统优化设计方案，适用于多层连续滚装甲板和多层栈桥设计，可高效地提高火车滚装船的装载率，且成本可控；

（2）船舶与栈桥连接系统优化设计方案，包含三向定位方案和火车轨道对接方法，经实船建造应用效果良好，受到船东的称赞，如图5 所示。

图5 实船与栈桥连接