鋼橋運(yùn)輸船海峽駐位技術(shù)分析

王永田，祝麗萍

鋼橋運(yùn)輸船海峽駐位技術(shù)分析

王永田，祝麗萍

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125）

根據(jù)挪威鋼橋箱梁段現(xiàn)場安裝對(duì)運(yùn)輸船的駐位要求和橋址處地理環(huán)境及水文環(huán)境特點(diǎn)，提出在橋址處海峽兩岸設(shè)立系纜樁作為固定物，同時(shí)在運(yùn)輸船主甲板上安裝大型錨鉸機(jī)的方法改良系泊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸船的快速移位與駐位，成本低、可靠性高；該方案通過數(shù)值仿真的方法驗(yàn)證其可行性，應(yīng)用ADAMS軟件建立包括船、橋、岸、環(huán)境及系泊系統(tǒng)在內(nèi)的多體三維模型，考慮風(fēng)和浪的作用，對(duì)運(yùn)輸船駐位進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析，計(jì)算獲得系泊系統(tǒng)的受力情況，確認(rèn)系纜設(shè)備能力足夠。

系泊系統(tǒng)；船舶；駐位；動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析

1 概述

Hardangerbrua大橋位于挪威于爾維克，跨越哈登角峽灣（Hardangerfjord）。該橋全長1 380 m，主跨1 310 m，橋面寬20 m，設(shè)置雙向兩車道、自行車道和人行道。橋址處凈空高度約55 m，水深約600 m，峽灣面寬1 310 m。鋼橋箱梁總重約7 800 t，由上海振華重工制造。為便于運(yùn)輸和安裝，鋼橋被分割為長度40~60 m不等的23個(gè)箱梁段，通過吊裝堆疊于6萬噸級(jí)的運(yùn)輸船后從中國制造基地運(yùn)輸至挪威橋址處進(jìn)行安裝。

鋼橋箱梁段安裝時(shí)，運(yùn)輸船需先駐位于指定位置后通過起重機(jī)吊起箱梁段并對(duì)接安裝，安裝過程按圖1所示編號(hào)1至編號(hào)23依次執(zhí)行。安裝下一分段前要求運(yùn)輸船移位并重新駐位，也就是說運(yùn)輸船在整個(gè)鋼橋箱梁段安裝過程中需不斷前后左右四個(gè)方向平移移位。

2 駐位方案分析

目前浮體駐位方法有以下兩種：1）錨泊定位

錨泊定位分為臨時(shí)錨泊和定位錨泊。

臨時(shí)錨泊定位主要在無風(fēng)暴的淺水區(qū)域進(jìn)行，通過拋錨限制船舶的活動(dòng)范圍，要求拋出錨鏈的長度需保證船舶在受外力作用下進(jìn)行漂移時(shí)錨泊線下端總能相切與水底，使錨抓力充分發(fā)揮。錨泊定位系統(tǒng)通常為作業(yè)水深150 m以下的工程船舶的首選[1]，錨泊定位的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性高、技術(shù)門欄低，缺點(diǎn)是受水深限制、移動(dòng)費(fèi)時(shí)。

圖1 船舶海峽駐位圖Fig.1Vessel position plan in channel

對(duì)于挪威鋼橋項(xiàng)目，施工橋址處為深水區(qū)，并且由于施工要求運(yùn)輸船多次移動(dòng)船位，錨泊定位的方式并不適用于該項(xiàng)目。

2）動(dòng)力定位

動(dòng)力定位是指浮式結(jié)構(gòu)借助于自身動(dòng)力定位系統(tǒng)克服風(fēng)、海浪、海流等外部環(huán)境的干擾，保持船舶位置和方向。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是包含測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力器系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。測量系統(tǒng)將測得的船舶位置、艏向以及外部干擾力信息等反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分析反饋信息，計(jì)算出使船舶回復(fù)到目標(biāo)位置所需要的推力，進(jìn)而發(fā)出一些列的推力指令，形成一個(gè)時(shí)變的推力系統(tǒng)[2-3]。

動(dòng)力定位主要應(yīng)用于深海，精度高，靈活性好，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，適用于多種海況，缺點(diǎn)是技術(shù)門欄高，價(jià)格昂貴，營運(yùn)成本高，較錨泊定位風(fēng)險(xiǎn)高，很多海洋工程船都需要配備動(dòng)力定位系統(tǒng)，而普通運(yùn)輸船一般不具備動(dòng)力定位功能。

對(duì)于挪威鋼橋項(xiàng)目，選用帶動(dòng)力定位的船舶可滿足在橋址處安裝時(shí)的定位精度和快速移位的要求，但根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，運(yùn)輸船需從上海裝載箱梁段后運(yùn)輸至挪威并配合現(xiàn)場安裝，運(yùn)輸船使用周期長，而租用帶動(dòng)力定位運(yùn)輸船費(fèi)用高昂，經(jīng)濟(jì)性差。

最終，通過反復(fù)研究橋址位置、峽灣環(huán)境和項(xiàng)目施工特點(diǎn)，提出操作靈活、安全性高、成本低的改良系泊定位方式和移位方案：在哈登角峽灣的兩岸設(shè)置4個(gè)1 500 kN系柱力的系纜樁作為固定物代替海底拋錨，同時(shí)在運(yùn)輸船主甲板上安裝4個(gè)100 t大型錨鉸機(jī)解決船上錨絞機(jī)能力不夠的問題。操作過程，通過錨絞機(jī)提供牽引力實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸在鋼箱梁段安裝過程中的駐位，該方案同時(shí)也能快速響應(yīng)運(yùn)輸船頻繁移位的要求，岸上系纜樁和船上錨絞機(jī)布置圖見圖2。

圖2 系纜樁和錨鉸機(jī)布置圖Fig.2Bollards and winches arrangement

3 分析和計(jì)算

在23個(gè)鋼橋箱梁段安裝過程中，由岸上系纜樁、系泊纜繩及船上錨絞機(jī)組成的系泊系統(tǒng)需抵抗作用于運(yùn)輸船的環(huán)境力實(shí)現(xiàn)駐位，因此，需對(duì)系泊系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行縝密分析，計(jì)算出系泊力，系泊力的求取是關(guān)鍵。通常是確定剛度曲線，即浮體水平位移和系泊線纜張力之間的關(guān)系曲線，然后代入系泊浮體的運(yùn)動(dòng)方程求解[4]。

本項(xiàng)目采用ADAMS軟件進(jìn)行計(jì)算，ADAMS軟件是美國MDI公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)運(yùn)輸學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[5-6]。作用于運(yùn)輸船的流阻力和風(fēng)力則應(yīng)用CFD方法計(jì)算，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，其主要用途是對(duì)流態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算。

3.1 三維模型建立

運(yùn)輸船“振華25”主尺度如下：

總長233.6 m，垂線間長224 m，型寬44 m，型深13.5 m，設(shè)計(jì)吃水8.5 m。

船坐標(biāo)系統(tǒng)表示如下：

X軸沿船長方向，艏為正；Y軸沿船寬方向，左舷為正；Z軸沿高度向，向上為正。

以ADAMS軟件為平臺(tái)，根據(jù)資料建立船舶與貨物的幾何三維模型，船舶與貨物的重量、重心位置需與實(shí)際情況一致，模型見圖3。

圖3 船舶與貨物三維模型Fig.33D model of the vessel and cargo

為仿真運(yùn)輸船駐位的運(yùn)動(dòng)過程，繼續(xù)建立包含船、橋、岸、環(huán)境和系泊系統(tǒng)在內(nèi)的多體三維模型，見圖4，模型中水流密度、纜繩的彈性模量與阻尼系數(shù)等均需實(shí)際相符。

3.2 作用于運(yùn)輸船的環(huán)境力評(píng)估

運(yùn)輸船在峽灣中主要承受流和風(fēng)的共同作用，水流阻力和風(fēng)力采用CFD方法進(jìn)行計(jì)算。

圖4 多體三維模型Fig.4Multi-body 3D model

對(duì)于水流產(chǎn)生的阻力計(jì)算，運(yùn)輸船水線以上結(jié)構(gòu)不影響計(jì)算結(jié)果，但對(duì)于風(fēng)力計(jì)算影響甚大，因此，CFD計(jì)算模型需包含運(yùn)輸船主船體、上層建筑及甲板貨。

1）水流參數(shù)選?。焊鶕?jù)現(xiàn)場水文勘測資料，計(jì)算流速確定為2 kn，由于橋址處為海峽，水流方向單一，流向取0°和180°進(jìn)行計(jì)算，圖5為水流流向?yàn)?80°時(shí)動(dòng)態(tài)壓力云圖。

圖5 流向180°動(dòng)態(tài)壓力云圖Fig.5Contours of dynamic pressure of 180°current

2）風(fēng)參數(shù)選取：綜合考慮現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)資料和項(xiàng)目施工時(shí)允許最大風(fēng)速，計(jì)算風(fēng)速取15 m/s，以30°間隔選取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°共7個(gè)方向進(jìn)行計(jì)算，圖6為風(fēng)向?yàn)?20°時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力云圖。

圖6 風(fēng)向120°動(dòng)態(tài)壓力云圖Fig.6Contours of dynamic pressure of 120°wind

風(fēng)作用力和水流阻力計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。

表1 水流阻力計(jì)算結(jié)果Table 1Current force result

表2 風(fēng)作用力計(jì)算結(jié)果Table 2Wind force result

3.3 運(yùn)動(dòng)分析

將3.2節(jié)計(jì)算得出的水流阻力及風(fēng)載荷在ADAMS軟件中加載于運(yùn)輸船，運(yùn)輸船限制橫搖、縱搖和垂蕩3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，允許橫蕩、縱蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于系泊纜繩，根據(jù)實(shí)際使用纜繩特性賦予屬性，保證其彈性模量和阻尼系數(shù)與實(shí)際一致。

模型中各個(gè)錨絞機(jī)通過拉力的形式來模擬，該力為與錨絞機(jī)位置相關(guān)的函數(shù)。當(dāng)運(yùn)輸船需抵抗環(huán)境力以保持船位時(shí)，該力可以合適的模擬錨絞機(jī)作用于纜繩的牽引動(dòng)作。錨鉸機(jī)參數(shù)見表3。

表3 錨鉸機(jī)參數(shù)Table 3Winch parameters

計(jì)算分析采用時(shí)域的方法。在分析的前5 s，僅重力作用在船體上，此時(shí)纜繩找到在環(huán)境力作用前的初始狀態(tài)，5 s后，環(huán)境載荷開始作用在船體上，各纜繩重新分配。整個(gè)計(jì)算過程需運(yùn)行足夠時(shí)間以研究其動(dòng)態(tài)行為，并保證系統(tǒng)最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)性狀態(tài)。

由于問題的復(fù)雜性，該模型沒有考慮錨鉸機(jī)收緊纜繩時(shí)纜繩長度的減少，因此，纜繩的最終長度和的垂度比實(shí)際情況下稍大，然而纜繩受力和船舶位移幾乎不受此影響，可忽略不計(jì)。

對(duì)比分析23個(gè)鋼箱梁段安裝時(shí)的運(yùn)輸船的駐位位置，確定圖7所示三種狀態(tài)為最不利的工況，對(duì)其分別進(jìn)行計(jì)算：

1）船舶在橋梁箱梁13的位置，船舶位于大橋跨度的中心，船身居中；

2）船舶在橋梁箱梁11的位置，船舶位于大橋跨度的中心，船身在所有工況中最靠前；

3）船舶在橋梁箱梁22的位置，船舶位于大橋跨度的最右側(cè)，船身在所有工況中最靠后。

對(duì)上述三種狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，分別計(jì)算沒有環(huán)境載荷作用于運(yùn)輸船和3.2節(jié)計(jì)算獲得的各個(gè)環(huán)境載荷作用于運(yùn)輸船多種工況。通過計(jì)算獲得的結(jié)果包括：纜繩直線長度，纜繩實(shí)際長度，纜繩垂度，纜繩拉力和纜繩角度。

圖7 船舶的3個(gè)最不利駐位位置Fig.7Three worst cases of vessel position

由于計(jì)算工況過多，本文僅列出運(yùn)輸船位于13號(hào)鋼箱梁安裝位置時(shí)的個(gè)別工況用于說明。計(jì)算時(shí)，先計(jì)算出船自平衡時(shí)各纜繩尺度參數(shù)，即無環(huán)境力，在錨鉸機(jī)作用時(shí)的結(jié)果，然后再計(jì)算加載力的情況。

工況1：運(yùn)輸船不受任何環(huán)境力作用，見圖8。計(jì)算結(jié)果見表4。

工況2：風(fēng)向0°，流向0°。計(jì)算結(jié)果見表5。

圖8 運(yùn)輸船位于大橋跨度中心（無環(huán)境力作用）Fig.8Ship longitudinally centered at the centre of the bridge span(no environmental force)

表4 無環(huán)境力作用時(shí)計(jì)算結(jié)果Table 4Calculation results without environmental force

表5 風(fēng)向?yàn)?°時(shí)的計(jì)算結(jié)果Table 5Calculation results of 0°wind direction

工況3：風(fēng)向?yàn)?0°，流向?yàn)?°。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 風(fēng)向?yàn)?0°時(shí)的計(jì)算結(jié)果Table 6Calculation results of 30°wind direction

由于在施工期間，航道有其它船舶通航，根據(jù)計(jì)算，纜繩垂度最小為10.3 m，以纜繩中間為基準(zhǔn)兩側(cè)各50 m設(shè)置浮標(biāo)，船舶在兩浮標(biāo)間通行，這樣即保證航道暢通，也不影響施工。

4 結(jié)語

本文提出通過建立岸上固定物、纜繩和船上大型錨絞機(jī)的系泊系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨泊定位，實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目施工過程中運(yùn)輸船的駐位，并通過計(jì)算得出運(yùn)輸船在橋址處受到水流及風(fēng)作用產(chǎn)生的環(huán)境力，進(jìn)而計(jì)算出在各個(gè)不利位置系泊系統(tǒng)的纜繩長度、角度、垂度和受力情況。

計(jì)算結(jié)果表明在當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)條件下，該系泊方式能夠滿足運(yùn)輸船駐位要求，并且滿足下一個(gè)箱梁段安裝前的快速移位要求。該方案安全可靠，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，使該項(xiàng)目順利完成，可供類似工程借鑒和參考。

[1]劉楊，桂滿海，鄒康.準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析法在工程船舶錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].船舶與海洋工程，2015，31（3）：7-12. LIU Yang,GUI Man-hai,ZOU Kang.Application research of quasi-dynamic method for engineering vessel mooring positioning system analysis[J].Naval Architecture and Ocean Engineering, 2015,31(3):7-12.

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Analysis of steel bridge transport ship channel mooring technology

WANG Yong-tian，ZHU Li-ping
（Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China）

According to the requirements of the field installation of the Norway steel box girder on the site of the ship and the characteristic of the geographical environment,the hydrological environment of the bridge location,we put forward the method of setting bitts in both sides of channel as fixtures at the bridge site,at the same time installed large winch in the transportation ship main deck to improve the mooring system,then it can realize the fast displacement and position of the ship with low cost and high reliability.This feasibility of the scheme can be verified by numerical simulation,ADAMS software is used to build the multi-body 3D model including ship,bridge,shore,environment and the mooring system,considering the influence of wind and wave,and then the position of the ship is analyzed dynamically.The stress condition of mooring system is achieved by calculation,and then the capacity of mooring equipment can be confirmed.

mooring system;transport ship;mooring;dynamic analysis

U674.18

B

2095-7874（2017）08-0102-05

10.7640/zggwjs201708024

2016-12-05

2017-02-28

王永田（1976—），男，黑龍江拜泉人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事海運(yùn)設(shè)計(jì)工作。E-mail：wangyongtian@zpmc.net