工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷 規(guī)范計(jì)算方法概述

江新偉 王南海

摘 要：綁扎固定設(shè)計(jì)載荷是工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸保證安全的重要因素，也直接影響到整個(gè)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸方案的經(jīng)濟(jì)性與否。本文結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社規(guī)范，對工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算方法和步驟作了介紹，研究并歸納總結(jié)出了一套通用可行的計(jì)算流程，為綁扎固定結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：綁扎固定；設(shè)計(jì)載荷；規(guī)范計(jì)算；遠(yuǎn)洋運(yùn)輸

中圖分類號(hào)：[U-9] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）8-0071-03

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的海上運(yùn)輸，比如導(dǎo)管架、上部組塊等，綁扎固定設(shè)計(jì)載荷是基于專業(yè)的海洋工程設(shè)計(jì)軟件直接計(jì)算得到的。

對于大型工程船等浮體貨物而言，通常采用半潛船干拖的方式進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。浮體貨物的特殊結(jié)構(gòu)形式，直接決定了不能直接計(jì)算得到綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的特點(diǎn)。

本文旨在根據(jù)以往實(shí)際項(xiàng)目施工中的一些經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社的規(guī)范要求，就工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算方法和步驟作簡單介紹。

1結(jié)構(gòu)物綁扎固定載荷的直接計(jì)算

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷，通常使用MOSES和SACS軟件直接計(jì)算得到，其載荷主要組成如下：慣性載荷、風(fēng)載荷。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的底部支撐腿的面積較小，且支撐高度較高，海上運(yùn)輸過程中比較容易發(fā)生傾覆。因此，綁扎固定設(shè)計(jì)載荷計(jì)算時(shí)，通常使用斜拉筋形式的固定結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮了對底部支撐腿的彎矩載荷的影響。此情況下，可以使用SACS軟件直接計(jì)算結(jié)構(gòu)物綁扎固定設(shè)計(jì)載荷以及進(jìn)行詳細(xì)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；静襟E如下：①首先使用MOSES軟件創(chuàng)建船舶模型，參考船舶裝載手冊調(diào)整船舶的重量分布；②按照設(shè)計(jì)方案，將結(jié)構(gòu)物的重量重心、受風(fēng)面積等信息加載到模型對應(yīng)位置，并調(diào)整壓載艙壓載水布置方案至船舶平衡狀態(tài)；③計(jì)算船舶與貨物整體的穩(wěn)性和船舶的總縱強(qiáng)度，確保其滿足DNV規(guī)范的相關(guān)要求；④使用上述滿足規(guī)范要求的MOSES模型，加載波浪和風(fēng)環(huán)境載荷，計(jì)算結(jié)構(gòu)物重量重心處的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)，并提取各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)加速度；⑤使用SACS軟件建立整體結(jié)構(gòu)模型，將上述步驟計(jì)算得到的加速度加載到整體結(jié)構(gòu)模型中，直接計(jì)算綁扎固定設(shè)計(jì)載荷，并參考相關(guān)規(guī)范的要求，同時(shí)對綁扎固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2工程船綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念

對于工程船等浮體貨物遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷，其基本組成部分與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物相同，即：慣性載荷、風(fēng)載荷。

工程船的底部通常由枕木支撐，且支撐面積較大，枕木使用固定結(jié)構(gòu)固定在半潛船甲板上。海上運(yùn)輸過程中，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物相比較而言，其發(fā)生傾覆的可能性更小。但是工程船結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，創(chuàng)建整體結(jié)構(gòu)模型工作量大，且工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運(yùn)輸綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念不同[1]：

（1）半潛船在波浪載荷的作用下會(huì)發(fā)生中拱或中垂，貨物與半潛船甲板之間存在一定的相對運(yùn)動(dòng)。綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要釋放此部分相對位移產(chǎn)生的載荷；同時(shí)，還需滿足在發(fā)生最大相對位移時(shí)，綁扎固定結(jié)構(gòu)仍可以起到限制貨物運(yùn)動(dòng)的作用；

（2）綁扎固定結(jié)構(gòu)只允許承受單方向的正向壓力；

（3）貨物在垂直方向不設(shè)計(jì)綁扎固定結(jié)構(gòu)；

（4）工程船的綁扎固定結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計(jì)在底部，其設(shè)計(jì)載荷只考慮工程船的水平運(yùn)動(dòng)載荷，而彎矩載荷不予考慮；

（5）綁扎固定結(jié)構(gòu)通常做成標(biāo)準(zhǔn)件的形式，根據(jù)工程船固定設(shè)計(jì)載荷計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)件單件的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行數(shù)量和類型組合。

綜合以上設(shè)計(jì)理念，對于工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸而言，通常采用規(guī)范計(jì)算的方法迭加固定載荷的各個(gè)組成部分，從而求解得到最終的綁扎固定設(shè)計(jì)載荷。

3工程船綁扎固定載荷的規(guī)范計(jì)算

3.1風(fēng)載荷規(guī)范計(jì)算

對于工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸而言，綁扎固定設(shè)計(jì)載荷中的風(fēng)載荷組成部分，通常采用規(guī)范計(jì)算的方法求解得到。

美國船級(jí)社（ABS）規(guī)范規(guī)定，其風(fēng)速計(jì)算參考基準(zhǔn)面為距離海平面以上15.3m處，且需要同時(shí)考慮以下兩種風(fēng)速：

（1）平均風(fēng)速：持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)；

（2）陣風(fēng)風(fēng)速：持續(xù)時(shí)間為1分鐘。

參考美國石油協(xié)會(huì)（API）規(guī)范中給出的風(fēng)速計(jì)算公式，可以進(jìn)行不同高度處、不同持續(xù)時(shí)間范圍的風(fēng)速轉(zhuǎn)化[4]。

為了簡化風(fēng)載荷的計(jì)算過程，ABS規(guī)范中引入了形狀系數(shù)和高度系數(shù)的概念，以此來表述構(gòu)件形狀、構(gòu)件不同高度對風(fēng)載荷大小的影響。表1中列舉出了典型常用結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)；表2列舉出了不同高度處的高度系數(shù)取值范圍，其高度數(shù)值取構(gòu)件形心至海平面的垂直距離[2]。

目前，ABS規(guī)范給出風(fēng)壓計(jì)算公式[2]～[3]：

Fw=fVk2Ch Cs A/1000 （1）

式中，

f：風(fēng)壓系數(shù)，取0.0623；

Cs：構(gòu)件的形狀系數(shù)，見表1；

Ch：構(gòu)件的高度系數(shù)，見表2；

A：受風(fēng)構(gòu)件在迎風(fēng)向的投影面積；

Vk：設(shè)計(jì)風(fēng)速。

3.2風(fēng)傾載荷計(jì)算

在持續(xù)風(fēng)載荷的作用下，工程船與半潛船整體會(huì)發(fā)生一個(gè)小角度的橫傾角。橫傾角計(jì)算時(shí)，使用MOSES軟件進(jìn)行計(jì)算，并同時(shí)考慮上述兩種風(fēng)速。當(dāng)半潛船出現(xiàn)橫傾角時(shí)，工程船重量在橫向會(huì)有一個(gè)與半潛船甲板平行的分量，即風(fēng)傾載荷：

Fθ=W×sinθ （2）

式中，

W：工程船重量；

θ：半潛船橫傾角度。

3.3慣性載荷計(jì)算

工程船慣性載荷的計(jì)算方法，與常規(guī)結(jié)構(gòu)物類似，即先由MOSES軟件計(jì)算由于船舶運(yùn)動(dòng)效應(yīng)在工程船重心處產(chǎn)生的6個(gè)自由度的最大加速度：橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖；然后，使用2個(gè)平動(dòng)自由加速度（橫蕩和縱蕩）分別計(jì)算出由加速度產(chǎn)生的橫向和縱向慣性載荷，而垂蕩加速度則用來計(jì)算工程船與枕木之間的摩擦力，此部分內(nèi)容后續(xù)做詳細(xì)介紹。其中，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)加速度（橫搖、縱搖和首搖）產(chǎn)生的慣性載荷，則用來校核枕木抗壓強(qiáng)度，這里不做過多的敘述。

平動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力計(jì)算公式如下：

Facc=W×aacc （3）

式中，

W：工程船重量；

aacc：工程船平動(dòng)加速度。

3.4枕木摩擦力計(jì)算

枕木除了為工程船提供垂向支撐外，同時(shí)還可以提供一定的摩擦力，用以抵消引起貨物水平運(yùn)動(dòng)的部分載荷。工程船與枕木之間的摩擦力計(jì)算公式如下：

Ffric=W×fcoe×（1-av ） （4）

式中，

W：工程船重量；

fcoe：許用靜摩擦系數(shù)；

av：工程船重心處的垂蕩加速度。

另外，工程船與枕木之間的靜摩擦系數(shù)大小，受到如下兩個(gè)因素的影響，計(jì)算摩擦力時(shí)需要進(jìn)行綜合考慮：

（1）枕木的高度：當(dāng)枕木高度不超過600mm時(shí)，在枕木長度方向和與枕木長度垂直的兩個(gè)方向，靜摩擦系數(shù)取相同的數(shù)值，均不折減；當(dāng)枕木高度不小于900mm時(shí)，通常在與枕木長度垂直的方向設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐，在枕木兩個(gè)方向的靜摩擦系數(shù)取相同的數(shù)值，同樣不進(jìn)行折減；當(dāng)600mm<枕木高度<900mm，且枕木寬度不小于300mm時(shí)，與枕木長度垂直的方向，靜摩擦系數(shù)需要進(jìn)行折減，折減之后的靜摩擦系數(shù)，按照如下公式計(jì)算[1]：

（2）工程船在船側(cè)方向的最大自由懸臂長度：如果工程船橫向尺寸較半潛船船寬尺寸大且重量較重，超過一定數(shù)值時(shí)，其與枕木之間的最大靜摩擦系數(shù)會(huì)相應(yīng)漸漸。最大許用靜摩擦系數(shù)與自由懸臂、工程船重量的關(guān)系定義如下表所示[1]。

3.5工程船固定設(shè)計(jì)極限載荷計(jì)算

使用上述計(jì)算得到的貨物風(fēng)載荷、風(fēng)傾載荷、慣性載荷，以及摩擦力計(jì)算結(jié)果，參考DNV規(guī)范中的載荷迭加公式，進(jìn)行求解貨物運(yùn)動(dòng)極限荷載，其計(jì)算公式如下[1]：

（1）橫向（船寬方向）：

式中，F(xiàn)dyn=Feθ-Fmθ+Few-Fmw

Fmθ：平均風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)傾載荷；

Feθ：陣風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)傾載荷；

Fmw：平均風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)載荷；

Few：陣風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)載荷；

Facc： 橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

（2）縱向（船長方向）：

式中，

Fmw：平均風(fēng)產(chǎn)生的縱向風(fēng)載荷；

Few：陣風(fēng)產(chǎn)生的縱向風(fēng)載荷；

Facc：縱蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

考慮枕木摩擦力的影響，工程船綁扎固定設(shè)計(jì)極限載荷按照如下公式計(jì)算：

工程船綁扎固定設(shè)計(jì)，需考慮最小設(shè)計(jì)載荷。參考DNV規(guī)范，綁扎固定設(shè)計(jì)載荷最小值詳細(xì)規(guī)定見下表：

其中，W為工程船重量

（1）[NA]1≥（15-W/4000）%；

（2）[NA]2≥（7.5-W/4000）%；

（3）[NA]3≥（3.5-W/20000）%。

綜上所述：取上述計(jì)算得到的極限載荷Fe-force 與按照規(guī)范要求計(jì)算得到的最小設(shè)計(jì)載荷兩者中的較大值，并以此作為最終的工程船綁扎固定設(shè)計(jì)所需的計(jì)算載荷。

4結(jié)論

本文通過對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運(yùn)輸與工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算流程，并結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社規(guī)范，對工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算方法和步驟做了介紹。

此規(guī)范計(jì)算流程涉及的計(jì)算載荷較多，包括風(fēng)載荷、風(fēng)傾載荷、慣性載荷和摩擦力，各部分載荷計(jì)算之間是彼此聯(lián)系、逐級(jí)計(jì)算的；此計(jì)算流程參考的規(guī)范也較多，既用到API、ABS等常用海洋工程規(guī)范，也涉及到浮體貨物海上運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)的DNV規(guī)范。另外，此規(guī)范計(jì)算過程也涉及到水動(dòng)力理論的應(yīng)用，需要使用到浮體專業(yè)計(jì)算軟件MOSES的輔助來求解運(yùn)動(dòng)加速度。

此工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷規(guī)范計(jì)算流程，經(jīng)過了以往實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證，并為綁扎固定結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論數(shù)據(jù)支持，其計(jì)算方法和步驟是可行且有效的。

參考文獻(xiàn)：

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