波浪作用下1 600 t起重船作業(yè)能力試驗(yàn)研究

黃宣軍，林超明，孫運(yùn)佳，莫忠璇

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.福州新洋海事咨詢服務(wù)有限公司，福建 福州 350001；3.中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

為了保證起重船海上作業(yè)的安全，船舶在風(fēng)、浪、流等各種外荷載條件下必須具有良好的穩(wěn)性，特別是外海的波浪荷載對(duì)起重船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)帶來較大影響，目前國內(nèi)外學(xué)者大多分析了起吊因素對(duì)吊物擺動(dòng)的影響，而對(duì)起重船外荷載的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響研究卻較少，大多采用三維勢流理論或多體動(dòng)力學(xué)分析理論等方法對(duì)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，Matosa等[1]提出了一種白噪近似方法計(jì)算2階低頻載荷來分析浮體的運(yùn)動(dòng)，T.E.Shellin等[2]建立了9自由度動(dòng)力學(xué)分析模型，將波浪力、黏性拖曳力、錨泊力等簡化，分析起重船對(duì)波浪的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。任會(huì)禮等[3]建立了起重船吊物系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，分析吊繩長度、升降作業(yè)對(duì)吊重的動(dòng)力響應(yīng)的影響。本文以1 600 t起重船為對(duì)象，采用物理模型試驗(yàn)研究方法，對(duì)起重船在不同風(fēng)浪、涌浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究，分析起重船的外海作業(yè)能力。

1 物理模型試驗(yàn)研究

1）船型參數(shù)及錨泊方式

研究采用1 600 t起重船總長98 m、型寬37 m、型深7.2 m，船上共設(shè)置移船定位液壓錨絞車8臺(tái)，布置在艏艉兩側(cè)。施工作業(yè)時(shí)的錨纜長度約250～300 m，錨泊方式為艏艉外八字纜，錨纜采用的是直徑42 mm的鋼纜，破斷力約為100 t[4]，各錨纜繩的初始預(yù)張力為10 t，錨絞車的核定拉力為40 t，支持最大拉力100 t。見圖1所示。

圖1 起重船錨泊方式圖Fig.1 Anchoring system of crane ship

船舶自帶移船定位液壓錨絞車8臺(tái)，船艏4臺(tái)，船艉4臺(tái)，定位錨規(guī)格為重量5 175 kg的AC-14大抓力錨，每個(gè)錨配備長700 m、直徑39 mm的鋼絲繩，各錨泊纜繩的初始預(yù)張力為10 t；四點(diǎn)錨固用的錨鏈為鏈徑90 mm的三級(jí)無檔錨鏈，錨鏈拉力試驗(yàn)負(fù)荷為255 t，破斷試驗(yàn)負(fù)荷為510 t，每節(jié)長度27.5 m、重量4.45 t。

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》等[5-7]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶50。模型基本參數(shù)見表1。

2）試驗(yàn)條件

起重船試驗(yàn)條件分為未吊裝狀態(tài)和吊裝狀態(tài)兩種，未吊裝狀態(tài)下，起吊臂與水平面夾角為60°，吊鉤上無吊物；吊裝狀態(tài)下，起吊臂與水平面夾角為60°，吊鉤上的吊裝物為重量約650 t的鋼圓筒。試驗(yàn)首先對(duì)相同波浪作用下兩種狀態(tài)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測試與分析，然后對(duì)未吊裝狀態(tài)下的作業(yè)能力進(jìn)行測試與分析。

表1 起重船基本尺寸（比尺1∶50）Table1 Thebasicdimensionsofcraneship(testscaleis1∶50)

試驗(yàn)波浪條件分為兩種，一種是風(fēng)浪作用下的不規(guī)則波試驗(yàn)，波高H13%=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m，波浪周期為5～10 s；另一種是涌浪長周期波作用下的規(guī)則波試驗(yàn)，波高H=0.3～1.5 m波浪周期為8～30 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 吊裝和未吊裝狀態(tài)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試

圖2～圖5分別給出了風(fēng)浪作用和涌浪長周期波作用下，起重船吊裝和未吊裝狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)橫移量和橫搖角。

在H13%=0.8 m、1.0 m，的風(fēng)浪作用下，起重船在吊裝狀態(tài)下的橫移量和橫搖角比未吊裝狀態(tài)下略小一些，其中橫移量減小幅度約10%～20%；而橫搖角減小幅度約5%～18%。在H=0.8 m、1.0 m，的涌浪長周期波作用下，起重船在吊裝狀態(tài)下的橫移量和橫搖角比未吊裝狀態(tài)下也要小，其中橫移量減小幅度約10%～50%；而橫搖角減小幅度約30%～50%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，相同波浪作用下起重船在吊裝狀態(tài)下的橫移量和橫搖角都有所減小，在實(shí)際施工過程中，可通過未吊裝狀態(tài)下的船舶動(dòng)態(tài)響應(yīng)來初步確定船舶進(jìn)行吊裝作業(yè)的可能性。

圖2 風(fēng)浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)量（橫移量）Fig.2 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of waves(swaying)

圖3 風(fēng)浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)量（橫搖角）Fig.3 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of waves(rolling)

圖4 涌浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)量（橫移量）Fig.4 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of swell(swaying)

圖5 涌浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)量（橫搖角）Fig.5 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of swell(rolling)

2.2 未吊裝狀態(tài)下起重船作業(yè)能力分析

1）風(fēng)浪作用下

由于是90°橫浪作用，船舶的橫移量和橫搖角較大，縱移量和縱搖角較小。在H13%=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m，=5 s、6 s、7 s、8 s、10 s的風(fēng)浪作用下，隨著波浪周期的增加，船舶的橫移量、橫搖角及錨纜力逐漸增大。波高相同時(shí)，波浪周期=10 s時(shí)的橫搖角最大，詳見圖6所示。

若控制起重船作業(yè)時(shí)的橫移量不超過1.0 m，橫搖角不超過2°，則相應(yīng)的波浪條件為：H13%≤1.5 m、或H13%≤1.2 m、

2）涌浪長周期波作用下

在 H=0.3 m、0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.5 m，10 s、12 s、18 s、25 s、30 s的涌浪長周期波作用下，隨著波浪周期的增加，船舶的橫移量、橫搖角逐漸增大；波浪周期相同時(shí)，船舶橫移量隨波高的增大趨勢近似為線性關(guān)系，詳見圖7。在18 s和25 s時(shí)的橫移量比前者略有增加，而=和12 s時(shí)的橫移量相差不大，在=30 s時(shí)的橫移量明顯增大很多。圖8為船舶橫搖角隨波周期變化的趨勢圖，從圖中可以看出，在=10 s和12 s時(shí)的橫搖角相比其他周期要明顯大的多，其主要原因是起重船未吊裝狀態(tài)下的橫搖周期10.16 s，與波浪周期比較接近，造成船舶的橫搖角較大。

圖6 風(fēng)浪作用下船舶橫移量、橫搖角隨波高的變化趨勢Fig.6 The change trend of the ship's swaying and rolling with wave height under the action of waves

圖7 涌浪長周期波作用下船舶橫移量隨波高的變化趨勢Fig.7 The change trend of the ship's swaying with wave height under swell and long period waves

圖8 涌浪長周期波作用下船舶橫搖角隨波周期的變化趨勢Fig.8 The change trend of the ship's rolling with wave height under swell and long period waves

若控制起重船作業(yè)時(shí)的橫移量不超過1.0 m，橫搖角不超過2°，則相應(yīng)的波浪條件為H≤1.2或H≤0.8 m、應(yīng)盡量避開系統(tǒng)共振周期10 s左右的波浪。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)1 600 t起重船物理模型試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

1）起重船吊裝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)量比未吊裝狀態(tài)時(shí)有所減小，今后實(shí)際施工作業(yè)前，可通過未吊裝狀態(tài)下的船舶動(dòng)態(tài)響應(yīng)來初步確定船舶進(jìn)行吊裝作業(yè)的可能性。

2）若控制起重船作業(yè)時(shí)的橫移量不超過1.0 m，橫搖角不超過2°，則相應(yīng)的波浪條件為：風(fēng)浪作用H13%≤1.5 m、或 H13%≤1.2 m、≤6 s；涌浪長周期波作業(yè)H≤1.2 m、或H≤0.8 m、

3）由于起重船的橫搖周期為10.16 s，實(shí)際施工作業(yè)過程中，應(yīng)盡量避開系統(tǒng)共振周期10 s左右的波浪。