臺(tái)風(fēng)作用下港內(nèi)單錨系泊漁船錨鏈可靠度分析

王禹龍,上官子昌,董榅鍵,齊 晴

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023)

3.2 改進(jìn)二階矩的可靠度分析

在極限狀態(tài)方程中,包括極值Ⅰ型分布變量與正態(tài)分布變量。在對(duì)極值Ⅰ型分布的隨機(jī)變量利用R-F法“當(dāng)量正態(tài)化”后可迭代計(jì)算可靠度指標(biāo)。

臺(tái)風(fēng)作用下港內(nèi)單錨系泊漁船錨鏈可靠度分析

王禹龍,上官子昌,董榅鍵,齊 晴

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023)

為檢驗(yàn)臺(tái)風(fēng)作用下單錨系泊漁船錨鏈的可靠度指標(biāo),采用統(tǒng)計(jì)分析方法測(cè)量了5組不同直徑電焊有檔錨鏈的直徑,根據(jù)臺(tái)風(fēng)Ketsana引起的風(fēng)浪流聯(lián)合作用下環(huán)境荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,并利用改進(jìn)的二階矩法對(duì)結(jié)構(gòu)所受荷載進(jìn)行分析,得出5組不同直徑(12.5、16.0、19.0、20.5、22.0 mm)錨鏈在系泊力作用下的可靠指標(biāo)與失效概率,并進(jìn)一步對(duì)漁船錨鏈設(shè)計(jì)提出優(yōu)化。研究表明,參考鋼結(jié)構(gòu)承載力安全指標(biāo),對(duì)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)的風(fēng)浪流數(shù)據(jù)及錨鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析,可有效提高漁船防災(zāi)時(shí)錨泊安全性。

漁船防災(zāi);單錨系泊;錨鏈;可靠度分析

中國(guó)是世界漁業(yè)大國(guó),2009年末各類海洋漁業(yè)船舶數(shù)已達(dá)31萬(wàn)余艘,位居世界首位。錨泊設(shè)備是漁船上的重要設(shè)備之一,其性能直接影響到漁船的安全性和操作性,2015年相關(guān)規(guī)范中在錨鏈的基礎(chǔ)上新增了鋼絲纜繩,以適應(yīng)漁船作業(yè)。近年來(lái),臺(tái)風(fēng)災(zāi)害常會(huì)對(duì)漁船的安全停泊造成巨大破壞,即便是在10級(jí)或更低等級(jí)風(fēng)力下也發(fā)生過(guò)漁船傾覆或走錨。利用可靠度分析漁業(yè)設(shè)施安全指標(biāo)始于20世紀(jì)60年代初,樓文高[1]利用可靠度壽命設(shè)計(jì)理論確定了漁船鋼絲繩直徑的設(shè)計(jì)值,相比傳統(tǒng)安全系數(shù)法更為合理。隨著船舶及航運(yùn)技術(shù)的發(fā)展,可靠度分析被越來(lái)越多的應(yīng)用于大型船舶系泊系統(tǒng)。王丹[2]引入優(yōu)化分析方法,利用懸鏈理論方程對(duì)錨泊系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析,取得實(shí)踐上的進(jìn)展。陳昌松[3]將系泊系統(tǒng)應(yīng)用于深海災(zāi)害環(huán)境,分析其結(jié)構(gòu)的可靠度,并對(duì)多因素變量展開(kāi)了敏感性分析。鄭常新[4]在研究深海錨泊系統(tǒng)的過(guò)程中,對(duì)錨鏈進(jìn)行了疲勞損傷評(píng)估,從動(dòng)力學(xué)角度分析了由荷載引起的失效破壞。羅翔[5]將錨鏈看作不同分布造成不同腐蝕模型構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng),串聯(lián)模型可避免構(gòu)件對(duì)使用性能的過(guò)多影響。

目前,國(guó)內(nèi)外在對(duì)漁業(yè)設(shè)施構(gòu)件設(shè)計(jì)中,從結(jié)構(gòu)可靠度角度分析的研究較少,海運(yùn)船舶設(shè)施呈現(xiàn)系統(tǒng)化發(fā)展,漁船規(guī)模的大型化、技術(shù)化也將是必然趨勢(shì)?，F(xiàn)階段,對(duì)漁船錨鏈在錨泊時(shí)受極端環(huán)境荷載作用下可靠度分析的研究缺乏,因此,對(duì)臺(tái)風(fēng)期間漁船錨鏈的可靠度進(jìn)行分析有著重要的意義。

本研究中,以447.42 kW漁船為例,根據(jù)5組有檔錨鏈直徑資料與臺(tái)風(fēng)Ketsana作用海域風(fēng)浪流的數(shù)據(jù),分析結(jié)構(gòu)抗力與環(huán)境荷載,利用改進(jìn)二階矩的構(gòu)件可靠度分析方法分析荷載,最后確定漁船的合理單錨系泊錨鏈直徑,以期為提高漁船防災(zāi)時(shí)的安全性提供數(shù)據(jù)參考。

1 環(huán)境荷載

錨鏈結(jié)構(gòu)所受荷載除重力外,控制荷載主要為臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)、浪、流對(duì)漁船作用帶來(lái)的系泊力。本研究中,環(huán)境荷載數(shù)據(jù)由觀測(cè)點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與波浪模擬數(shù)據(jù)組成,模擬數(shù)據(jù)依據(jù)荷蘭Delft理工大學(xué)基于第三代風(fēng)浪模式建立的Simulating WAves Nearshore[6]近海淺水風(fēng)浪數(shù)值模型(簡(jiǎn)稱SWAN模式),張亮[7]通過(guò)對(duì)比得出SWAN模式模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好的結(jié)論,可適應(yīng)復(fù)雜的南海環(huán)境。

漁船在漁港內(nèi)停泊一般采用簡(jiǎn)單的單錨系泊方式,可多船并排錨泊。在港內(nèi)短暫停留的船也可靠在拋錨的船上,不需每艘船單獨(dú)錨泊[8-9]。單點(diǎn)系泊通常是指船舶通過(guò)艏(艉)的系纜索與船錨相連接。系泊的漁船可繞著單點(diǎn)做360°旋轉(zhuǎn),并隨環(huán)境荷載的變化向產(chǎn)生最小外力的方向自動(dòng)調(diào)整方位[10],故作用在單點(diǎn)上的系泊力能夠保持最小。

根據(jù)單錨系泊漁船的最小受力原則,風(fēng)、浪、流作用方向與系泊力共面,建立外力平衡方程:

其中:F為系泊力(kN);Fwi、Fwa、Fcu分別為風(fēng)、波浪和流作用于漁船的荷載(kN)。

由于單錨系泊漁船在臺(tái)風(fēng)作用下,系泊力受海浪周期作用效果沖擊十分顯著,浪與流對(duì)漁船的作用會(huì)高于簡(jiǎn)單的線性疊加。目前對(duì)“風(fēng)+流”、“風(fēng)+浪”的研究已十分成熟,本研究中“風(fēng)+浪+流”模型的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[11-13]中的公式,并引入流偏蕩系數(shù)[14]計(jì)算各項(xiàng)荷載。在臺(tái)風(fēng)引起的波浪流聯(lián)合作用下,漁船單錨系泊力隨臺(tái)風(fēng)時(shí)段的變化如圖1所示。從圖1可見(jiàn),系泊力在34 h時(shí)開(kāi)始陡然增加,在50 h時(shí)出現(xiàn)極值,80 h時(shí)明顯減弱。臺(tái)風(fēng)Ketsana于西南太平洋洋面生成,風(fēng)圈半徑在36 h時(shí)影響到觀測(cè)點(diǎn),在48 h時(shí)升級(jí)為熱帶強(qiáng)風(fēng)暴,在50 h時(shí)升級(jí)為臺(tái)風(fēng),在80 h時(shí)離開(kāi)觀測(cè)點(diǎn)。系泊力歷時(shí)變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化基本一致。

圖1 系泊力歷時(shí)變化直方圖Fig.1 Histogram distributions ofmooring force during typhoon period

利用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)系泊力的分布頻率,結(jié)果如圖2所示,直方圖右側(cè)分別為樣本平均值(mx)、樣本標(biāo)準(zhǔn)差(σx)和樣本容量(N),下同。

由極值Ⅰ型頻率分布函數(shù)可計(jì)算極值Ⅰ型參數(shù)α、u,其計(jì)算公式為

其中:α、u為極值Ⅰ型分布方差和均值。即環(huán)境荷載效應(yīng)(S)服從參數(shù)α、u分別為0.0978、5.7595的極值Ⅰ型分布。

在對(duì)系泊力隨臺(tái)風(fēng)歷時(shí)變化的分析中可發(fā)現(xiàn),風(fēng)對(duì)系泊力的影響大于波浪和流對(duì)系泊力的影響。這是由于漁船體積較小,受風(fēng)面積占船身面積比例較大的緣故。因?yàn)闈O港有防波堤作為屏障,外海海浪雖然較大,但不易侵入,漁船在港內(nèi)錨泊時(shí)處在淺水區(qū)并且掩護(hù)條件良好,故隨風(fēng)速增大,港內(nèi)波高增高,流速增加,系泊力受臺(tái)風(fēng)影響逐漸增大。

圖2 系泊力分布頻率直方圖Fig.2 Frequency histogram distributions of mooring force

2 結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)分析

漁船用錨鏈普遍為電焊有檔錨鏈,因其抗拉強(qiáng)度大,船上一般采用有檔鏈環(huán)的錨環(huán),電焊錨鏈質(zhì)量較好,成本也較低,已得到廣泛應(yīng)用。錨鏈荷載分為拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲3種形式,其中拉伸最為普遍。錨鏈損傷有腐蝕、磨損、疲勞和斷裂等類型,在短期沖擊荷載作用下,錨鏈損傷以斷裂為主。漁船在港內(nèi)臺(tái)風(fēng)荷載條件下停泊,錨鏈的受力主要來(lái)自于漁船系泊力與自身重力,受力類型為拉伸力,由于錨鏈具有扭矩自平衡性,扭轉(zhuǎn)情況很少發(fā)生,而損傷類型主要為錨鏈拉伸斷裂。

通過(guò)對(duì)有檔錨鏈結(jié)構(gòu)曲梁進(jìn)行靜定求解,根據(jù)曲梁理論[15],直拉伸為最危險(xiǎn)的受力情況,且斷口截面發(fā)生在錨鏈兩端。如圖3所示,極限狀態(tài)時(shí)鏈環(huán)極限應(yīng)力為

其中,σb、σf、σP、C(d)、F和A分別為抗拉強(qiáng)度、抗拉極限應(yīng)力、名義應(yīng)力、拉應(yīng)力函數(shù)和鏈環(huán)圓截面面積。

圖3 鏈環(huán)邊界應(yīng)力分布示意圖Fig.3 Distribution diagram of chain boundary stress

為統(tǒng)計(jì)錨鏈結(jié)構(gòu)抗力,需對(duì)錨鏈進(jìn)行測(cè)量,統(tǒng)計(jì)出其容許拉力。以鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范中對(duì)錨鏈的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作為參考值選取樣本,樣本容量為100,試驗(yàn)選取直徑(d)分別為12.5、16.0、19.0、20.5、22.0 mm的5組錨鏈鏈環(huán),利用公式(3)～(5),在假定錨鏈鏈環(huán)符合鋼材規(guī)范的情況下,計(jì)算并繪出各組直徑鏈環(huán)的容許拉力分布直方圖,如圖4所示。

圖4 極限狀態(tài)下不同直徑的鏈環(huán)容許拉力分布頻率圖Fig.4 Frequency histogram distributions of different diameter chain tension in the lim it state

3 錨鏈結(jié)構(gòu)可靠度分析

3.1 極限狀態(tài)方程及可靠度指標(biāo)

當(dāng)錨鏈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受臺(tái)風(fēng)作用時(shí),若有任一枚鏈環(huán)受系泊拉力作用出現(xiàn)斷口而造成錨鏈斷開(kāi),就會(huì)影響單錨系泊漁船的正常系泊,致使結(jié)構(gòu)失效,此狀態(tài)被視為極限狀態(tài)。

在極限狀態(tài)錨鏈鏈環(huán)靜力分析中,環(huán)境荷載與結(jié)構(gòu)抗力兩變量呈線性關(guān)系,結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程為

結(jié)構(gòu)的失效概率(Pf)、可靠度指標(biāo)(β)為

3.2 改進(jìn)二階矩的可靠度分析

在極限狀態(tài)方程中,包括極值Ⅰ型分布變量與正態(tài)分布變量。在對(duì)極值Ⅰ型分布的隨機(jī)變量利用R-F法“當(dāng)量正態(tài)化”后可迭代計(jì)算可靠度指標(biāo)。

迭代計(jì)算的各直徑鏈環(huán)極限狀態(tài)R*、S*與β值如表1所示。

4 結(jié)論

本研究中,通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)影響下漁船系泊期間各種環(huán)境因素的統(tǒng)計(jì),計(jì)算了錨鏈在臺(tái)風(fēng)荷載下的可靠度。在可靠度校核時(shí),以鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范中對(duì)錨鏈的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為參考值,通過(guò)計(jì)算并與“規(guī)范”比對(duì),分析得出以下結(jié)論。

(1)系泊力是由風(fēng)荷載、浪荷載與流荷載聯(lián)合作用在漁船上的結(jié)果。波浪、海流均在臺(tái)風(fēng)作用下等時(shí)效地對(duì)漁船施加作用,荷載效應(yīng)與作用在土木結(jié)構(gòu)上風(fēng)荷載分布相似,臺(tái)風(fēng)荷載作用下的系泊力與風(fēng)荷載均呈極值Ⅰ型分布,因此,聯(lián)合荷載作用中風(fēng)荷載起了主導(dǎo)作用,波浪與流荷載因風(fēng)荷載影響,對(duì)系泊力作用較小。

(2)表1的計(jì)算結(jié)果中,可靠度指標(biāo)最低的錨鏈鏈環(huán)直徑為12.5 mm,在聯(lián)合荷載作用下的可靠度指標(biāo)β=2.0480,相應(yīng)的是小概率Pf=0.0203。12.5 mm錨鏈可靠度指標(biāo)β低于構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)安全指標(biāo)。因此,在應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)單錨系泊中不應(yīng)以規(guī)范要求設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作為參考。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.1 Summary of calcu lation resu lts

(3)錨鏈鏈環(huán)直徑d=20.5 mm與d=22.0 mm的錨鏈可靠度指標(biāo)β均大于4,失效概率已經(jīng)減小到一個(gè)很小的數(shù)量級(jí)。所以從可靠度分析的角度出發(fā),較粗錨鏈已經(jīng)不是經(jīng)濟(jì)的選擇,但考慮聯(lián)合荷載對(duì)錨鏈作用起到的疲勞效果,以及海水對(duì)錨鏈的侵蝕效果,如此選擇是頗為安全的做法。

顯然,在臺(tái)風(fēng)作用下,根據(jù)規(guī)范要求的錨鏈配備安全等級(jí)不能滿足本研究計(jì)算的可靠度指標(biāo)要求。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),單錨系泊的漁船并排系泊時(shí),漁船間的顛簸會(huì)相互傳遞并放大,聯(lián)合荷載作用對(duì)錨鏈的荷載效應(yīng)可能會(huì)成倍增加。

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Structural reliability of fishing chains at a single anchor in fishing port under typhoon calam ity

WANG Yu-long,SHANGGUAN Zi-chang,DONGWen-jian,QIQing
(College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The equation“Quinn”and the equations in the standard were utilized to calculate themooring force of 447.42 kW boats under typhoon calamity with wind,wave and current to evaluate fishing boatsmooring force.The“equivalent normalized”extreme value distribution of type Imooring forcewas estimated,and then reliability index and failure probability of 12.5,16.0,19.0,20.5,22.0 mm chain were calculated.Base on bearing capacity of safety indicators,the design standard in code was lower than security requirements,indicating that designers should pay attentions to fishingmooring chain reliability to improve fishing disaster preventions and mitigation.

disaster prevention in fishing boat;single anchormooring;anchor chain;reliability analysis

U653.2

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.06.018

2095-1388(2016)06-0692-04

2015-10-17

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201405025)

王禹龍(1989—),男,助理工程師。E-mail:wangyulong@dlou.edu.cn

上官子昌(1959—),男,教授。E-mail:shangguan@dlou.edu.cn