半潛式起重平臺(tái)碼頭系泊抗臺(tái)風(fēng)可行性分析

姚汝林，周凱賢，陳伶翔，周喜寧

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引 言

隨著石油價(jià)格下跌，海洋鉆井需求不斷降低，海上鉆井平臺(tái)市場(chǎng)面臨產(chǎn)能過(guò)剩，未來(lái)全球?qū)⒂谐^(guò)100座浮式鉆井平臺(tái)報(bào)廢，海洋平臺(tái)拆解市場(chǎng)將成“藍(lán)?！?，而半潛式起重平臺(tái)(Semi-Submersible Crane Vessel，SSCV)在拆解作業(yè)中扮演了不可或缺的角色。

SSCV設(shè)計(jì)空船吃水較大，受出塢時(shí)的吃水限制，其大部分舾裝作業(yè)需在碼頭上完成，且作業(yè)周期較長(zhǎng)，會(huì)經(jīng)歷至少一個(gè)臺(tái)風(fēng)季，因此，為確保平臺(tái)及碼頭安全，需進(jìn)行系泊方案可行性分析[1-2]。以某公司實(shí)際工程為例，以某SSCV、該公司廠(chǎng)區(qū)一號(hào)舾裝碼頭及原碼頭靠泊的某40萬(wàn)t超大型礦砂船(Very Large Ore Carrier，VLOC)為研究對(duì)象，建立一個(gè)多浮體碼頭系泊計(jì)算分析模型，結(jié)合實(shí)際風(fēng)、流載荷，使用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式和專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，校核不同設(shè)計(jì)工況下的碼頭強(qiáng)度，為實(shí)際工程項(xiàng)目提供理論支撐，也為今后的研究及工程實(shí)際提供借鑒。

1 研究方法及工程假設(shè)

1.1 環(huán)境載荷計(jì)算

在設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)工況下，船舶及海洋平臺(tái)受到的環(huán)境載荷為風(fēng)、流載荷[3]。

SSCV依照美國(guó)船級(jí)社(ABS)MODU規(guī)范[4]，采用模塊化方法，將水面以上不同形狀、不同高度的受風(fēng)構(gòu)件按照相應(yīng)的權(quán)重因子分權(quán)求和得到橫向風(fēng)載荷和縱向風(fēng)載荷。

SSCV依照《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)[5]，計(jì)算在設(shè)計(jì)流速下不同流向角情況下平臺(tái)兩個(gè)浮體受到的縱向流載荷合力和橫向流載荷合力。

VLOC依照《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)，將船舶水線(xiàn)面以上視為整體，按照不同的受風(fēng)面積和高度選取風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)和風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)，得到作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)壓的橫向分力和縱向分力。

1.2 系泊力計(jì)算

采用SACS軟件建模計(jì)算不同工況下纜繩及帶纜樁的受力。

1.3 高程系統(tǒng)

使用吳淞高程系統(tǒng)，該系統(tǒng)與其他高程基準(zhǔn)的換算如圖1所示。

圖1 高程基準(zhǔn)換算

1.4 工程假定

出于工程實(shí)用簡(jiǎn)化計(jì)算流程，研究對(duì)象均假設(shè)為剛體，不考慮在外力作用下物體的變形及由變形引起的受力變化。

研究對(duì)象受力及強(qiáng)度校核均考慮靜態(tài)條件，設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)向及流速、流向均按照地理位置水文氣象實(shí)際情況及規(guī)范法規(guī)要求選取固定數(shù)值，不考慮風(fēng)、流載荷隨時(shí)間的變化。這樣做在結(jié)果上是保守的，并且能有效簡(jiǎn)化計(jì)算流程。

由于研究對(duì)象所處的水域靠近長(zhǎng)江入?？?，受長(zhǎng)江潮汐影響較大，水文條件復(fù)雜，且該水域無(wú)波浪譜可供參考，因此，在計(jì)算流體載荷時(shí)只考慮流的作用，并依據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》選取相應(yīng)的計(jì)算公式。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 環(huán)境條件

2.1.1 氣象水文

研究地區(qū)全年常風(fēng)向?yàn)镋NE向、統(tǒng)計(jì)頻率為9.2%，次常風(fēng)向?yàn)镋SE、頻率均為9.0%，最大風(fēng)速為15.3 m/s。全年夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E向，冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW向。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，1949年—1997年影響研究地區(qū)的臺(tái)風(fēng)共計(jì)110次，平均每年2.24次，臺(tái)風(fēng)影響時(shí)，風(fēng)向大多從SE向轉(zhuǎn)為NE向，臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速為29.0 m/s。

研究地區(qū)屬于中等強(qiáng)度潮汐河口，潮汐性質(zhì)為非正規(guī)半日混合潮型，日不等現(xiàn)象比較明顯。河段潮位在天文大潮與臺(tái)風(fēng)遭遇時(shí)形成風(fēng)暴潮，出現(xiàn)特高潮。根據(jù)徐六涇水文站1982年—2001年統(tǒng)計(jì)資料，河段潮位特征值如表1所示(吳淞標(biāo)高)。

表1 潮位特征值

區(qū)域岸段近岸側(cè)水域情況：漲潮分層最大流速為2.57 m/s，漲潮垂線(xiàn)平均最大流速為2.12 m/s；落潮分層最大流速為1.64 m/s，落潮垂線(xiàn)平均最大流速為1.41 m/s。

2.1.2 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

依據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，最大風(fēng)速應(yīng)不小于29.0 m/s，取蒲氏風(fēng)級(jí)7～11級(jí)為設(shè)計(jì)風(fēng)速，如表2所示。依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)，設(shè)計(jì)流速采用港口工程結(jié)構(gòu)所處范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大平均流速。依據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，設(shè)計(jì)流速取2.57 m/s。

表2 設(shè)計(jì)風(fēng)速

2.2 碼頭概況

2.2.1 主尺度

碼頭采用棧橋式離岸布置，碼頭主體寬為26.0 m，原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為518.0 m，實(shí)際施工碼頭長(zhǎng)度為525.3 m，碼頭面高程為+7.00 m(吳淞高程系統(tǒng))，碼頭前沿設(shè)計(jì)水深為-9.40 m，碼頭后沿設(shè)計(jì)水深為-7.90 m，后疏浚至-12.00 m。碼頭平面圖如圖2所示。碼頭立面圖如圖3所示。

圖2 碼頭平面圖

單位：m圖3 碼頭立面圖

2.2.2 結(jié)構(gòu)及高程設(shè)計(jì)

碼頭主體結(jié)構(gòu)為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，分為6段，其中長(zhǎng)為76.6 m的共2段，91.2 m的共4段，排架間距為7.3 m，每個(gè)排架兩端有1.8 m懸臂結(jié)構(gòu)。樁基形式為800PHC(B型)管樁。每個(gè)排架8根預(yù)制打入樁，前沿為一對(duì)7∶1叉樁，后沿為一對(duì)4∶1叉樁，其余為4根直樁。碼頭下橫梁底標(biāo)高為+3.80 m、前沿下橫梁底標(biāo)高為+2.80 m、高為1.30 m，上橫梁寬為0.60 m，碼頭預(yù)制縱梁高為1.30 m、寬為0.40 m。碼頭斷面圖如圖4所示。

單位：m圖4 碼頭斷面圖

2.2.3 設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》，作用在固定式系船、靠船結(jié)構(gòu)上的船舶載荷應(yīng)包括：(1)由風(fēng)和流產(chǎn)生的系纜力；(2)由風(fēng)和流產(chǎn)生的擠靠力；(3)船舶靠岸時(shí)產(chǎn)生的撞擊力等；(4)系泊船舶在波浪作用下產(chǎn)生的撞擊力等。

碼頭前沿采用(1×2)SC1150橡膠護(hù)舷，設(shè)計(jì)吸能為297 kJ×2，撞擊力為626 kN×2/組。

碼頭前沿設(shè)置2 000 kN系船柱。

依照規(guī)范計(jì)算得到主要構(gòu)件設(shè)計(jì)載荷如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)載荷

2.3 系泊物介紹

2.3.1 主尺度

SSCV主尺度如表4所示。

表4 SSCV主尺度

40萬(wàn)t VLOC主尺度如表5所示。

表5 VLOC主尺度

2.3.2 碼頭泊位長(zhǎng)度分析

依據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 165—2013)[6]，碼頭系泊船舶需要的泊位長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)加兩端富余長(zhǎng)度，富余長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足船舶系纜、靠泊、離泊和裝卸設(shè)備檢修的要求，計(jì)算式為

Lb=L1+2d1

(1)

式中：Lb為泊位長(zhǎng)度，m；L1為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，m；d1為富余長(zhǎng)度，m。

依據(jù)該規(guī)范要求，若平臺(tái)長(zhǎng)度在151～200 m，則富余長(zhǎng)度取20.00 m，因此SSCV需要的泊位長(zhǎng)度Lb=137.75 m+2×20.00 m=177.75 m。40萬(wàn)t VLOC富余長(zhǎng)度取40.00 m，需要泊位長(zhǎng)度Lb=360.00 m+2×40.00 m=440.00 m。

經(jīng)計(jì)算，碼頭長(zhǎng)518.0 m能夠滿(mǎn)足SSCV和40萬(wàn)t VLOC(空載)靠泊的要求。靠泊示例如圖5所示。

圖5 靠泊示例

2.3.3 設(shè)計(jì)破斷力

SSCV浮筒甲板上系泊系統(tǒng)布置如圖6～圖9所示。

SSCV靠泊碼頭時(shí)帶纜布置如圖10所示。

系泊纜繩、帶纜樁、導(dǎo)纜孔設(shè)計(jì)破斷力如表6所示。

表6 設(shè)計(jì)破斷力

3 方案計(jì)算校核

3.1 作用在SSCV上的風(fēng)載荷計(jì)算

依據(jù)MODU要求，作用在船舶上的橫向和縱向分力計(jì)算式為

(2)

式中：FW為風(fēng)載荷，kN；A為受風(fēng)面積，m2；VW為風(fēng)速，m/s；ξ為高度因子；CS為形狀因子。

將整船體按形狀和高度分為不同區(qū)域，對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算因子，等效受風(fēng)面積、橫向風(fēng)載荷、縱向風(fēng)載荷計(jì)算分別如表7～表9所示。

單位：mm圖6 內(nèi)側(cè)主浮筒艉部系泊布置圖

單位：mm圖7 內(nèi)側(cè)主浮筒中部系泊布置圖

單位：mm圖8 內(nèi)側(cè)主浮筒艏部系泊布置圖

單位：mm圖9 外側(cè)浮筒中部系泊布置圖

單位：t圖10 靠泊纜繩布置圖

表7 等效受風(fēng)面積計(jì)算表

表8 橫向風(fēng)載荷計(jì)算表 t

表9 縱向風(fēng)載荷計(jì)算表 t

3.2 作用在SSCV上的流載荷計(jì)算

依據(jù)規(guī)范，對(duì)于開(kāi)敞式海港透空式系船、靠船結(jié)構(gòu)，水流作用在船舶上的載荷按照水流與船舶的角度分為兩種計(jì)算方法，按照計(jì)算結(jié)果取其大值。

(1) 依據(jù)規(guī)范，當(dāng)水流與船舶流向角θ小于15°或大于165°時(shí)，水流對(duì)船首和船尾產(chǎn)生的橫向載荷計(jì)算式為

(3)

(4)

式中：Fx,sc、Fx,mc分別為水流對(duì)船首和船尾的橫向分力，kN；Cx,sc、Cx,mc分別為水流對(duì)船首和船尾的橫向分力因數(shù)；ρ為水的密度，t/m3；V為水流速度，m/s；B′為水線(xiàn)下橫向投影面積，m2。

依據(jù)港口工程規(guī)范，主浮箱和副浮箱的船首和船尾橫向分力因數(shù)可按照表10插值得到。

表10 水流力橫向分力因數(shù)

主浮筒：Cx,sc=0.06;Cx,mc=0。

副浮筒：Cx,sc=0.06;Cx,mc=0。

計(jì)算得到船首和船尾的橫向水流力分別為Fx,sc=6.01 t、Fx,mc=0 t，合力FT1=6.01 t。

依據(jù)規(guī)范，當(dāng)水流與船舶流向角小于15°或大于165°時(shí)，水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的縱向水流力計(jì)算式為

(5)

式中：Fy,c為水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的水流力縱向分力，kN；Cy,c為水流力縱向分力因數(shù)；S為水線(xiàn)下表面積，m2。

水流力縱向分力因數(shù)計(jì)算式為

(6)

式中：Re為水流對(duì)船舶作用的雷諾數(shù)；b為無(wú)量綱因數(shù)。

水流對(duì)船舶作用的雷諾數(shù)計(jì)算式為

(7)

式中：L2為船舶吃水線(xiàn)長(zhǎng)度，m；v為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s。

水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)可按表11選用。無(wú)量綱因數(shù)b按表12選用。

表11 水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)

表12 無(wú)量綱因數(shù)

船舶水線(xiàn)以下表面積計(jì)算式為

S=1.7L3D+CbL3B

(8)

式中：L3為船長(zhǎng)，m；D為船舶平均吃水，m；Cb為船舶方形系數(shù)；B為船寬，m。

主浮筒：b=0.012;Cy,c=0.018 4；S=4 663.70 m2。

副浮筒：b=0.012;Cy,c=0.018 4；S=3 477.96 m2。

縱向水流力合力FL1=50.41 t。

(2) 當(dāng)水流與船舶縱軸平行或15°≤θ≤165°時(shí)，橫向和縱向水流力計(jì)算式為

(9)

(10)

因水流方向隨機(jī)不確定，計(jì)算每隔15°時(shí)的流載荷，選取最大的流載荷。

主浮筒：a1=1.15；a2=1.15；b1=0.05；b2=0.10；Fx,c=109.79 t；Fy,c=41.95 t。

副浮筒：a1=1.15；a2=1.15；b1=0.05；b2=0.10；Fx,c=76.01 t；Fy,c=29.04 t。

水流力合力：橫向水流力合力FT2=185.80 t；縱向水流力合力FL2=70.99 t。

(3) 因此，在任意流向角下，當(dāng)水流速度為2.57 m/s時(shí)，作用在船舶上的橫向水流力合力FT=max(FT1,FT2)=185.80 t,縱向水流力合力FL=max(FL1,FL2)=70.99 t。

不同水流速度下的水流力如表13所示。

表13 不同水流速度下水流力

3.3 作用在船舶上的合力

在吃水為9 m時(shí)，不同流速和不同風(fēng)速下，平臺(tái)受到的合力如表14所示。

表14 不同流速和不同風(fēng)速下平臺(tái)所受合力

3.4 系泊力分析

使用SACS模擬計(jì)算每根纜繩的受力情況，計(jì)算結(jié)果如表15～表17所示。

表15 纜繩受力工況1 t

表16 纜繩受力工況2 t

表17 纜繩受力工況3 t

在流速為2.57 m/s時(shí)，不同風(fēng)速下，碼頭岸側(cè)40萬(wàn)t VLOC對(duì)碼頭作用如表18所示。

表18 VLOC對(duì)碼頭作用

3.5 碼頭安全校核

由于江側(cè)帶纜+岸側(cè)擠靠的工況載荷組合小于江側(cè)擠靠+岸側(cè)帶纜工況載荷組合，因此校核計(jì)算載荷及工況組合如下：

外加載荷：(1)各級(jí)風(fēng)條件下江側(cè)SSCV產(chǎn)生的擠靠力；各級(jí)風(fēng)條件下岸側(cè)40萬(wàn)t VLOC產(chǎn)生的帶纜力。

工況組合：(1)自重+擠靠力；(2)自重+帶纜力；(3)自重+擠靠力+帶纜力。

校核計(jì)算采用易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)CAD集成軟件V3.0版，按照平面假定對(duì)受力排架進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?9 ～表 21所示。

表19 11級(jí)風(fēng)條件下僅江側(cè)靠泊SSCV樁基校核

表20 10級(jí)風(fēng)條件下僅江側(cè)靠泊SSCV樁基校核

表21 9級(jí)風(fēng)條件下僅江側(cè)靠泊SSCV樁基校核

綜上所述，碼頭結(jié)構(gòu)在不大于10級(jí)風(fēng)條件下，理論上可以滿(mǎn)足碼頭兩側(cè)靠泊防臺(tái)，但樁基抗拔能力已經(jīng)臨近極限值。

4 結(jié) 語(yǔ)

以某SSCV和靠泊碼頭為主要研究對(duì)象，綜合考慮同時(shí)靠泊的40萬(wàn)t VLOC影響，通過(guò)規(guī)范計(jì)算和數(shù)值模擬得到一套能夠抵抗蒲氏10級(jí)臺(tái)風(fēng)的多浮體系泊系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)理論分析和工程實(shí)際檢驗(yàn)，該系泊系統(tǒng)能夠保證在臺(tái)風(fēng)季SSCV和40萬(wàn)t VLOC同時(shí)安全靠泊碼頭防臺(tái)的需求。

船舶載荷計(jì)算過(guò)程雖符合規(guī)范法規(guī)要求，但還存在以下不足：

(1) 未充分考慮波浪載荷作用，雖然在計(jì)算流載荷時(shí)選用的經(jīng)驗(yàn)公式考慮了波浪和流的相互作用，但是準(zhǔn)確度較實(shí)際情況低，在后續(xù)工程實(shí)踐中應(yīng)考慮單獨(dú)計(jì)算波浪載荷作用。

(2) 在計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)按規(guī)范選取橫向和縱向兩種投影面積進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際最大投影面積可能出現(xiàn)在其他角度，在后續(xù)工程實(shí)踐中應(yīng)考慮增加更多典型受風(fēng)角度或采用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算。

(3) 所有載荷及應(yīng)力校核計(jì)算均考慮靜力狀態(tài)，未考慮動(dòng)載荷頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率之間的響應(yīng)，在后續(xù)研究中應(yīng)補(bǔ)齊。