大型港工系船柱結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法與實(shí)驗(yàn)

吳 俊，舒岳階，周世良，柏魯勇，曹師寶

（1. 重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016；2. 重慶交通大學(xué) 內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3. 重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016；4. 寧波正信檢測(cè)科技有限公司，寧波 315000）

1 引 言

港口碼頭作為“一帶一路”和“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”的重要載體，是綜合交通樞紐的重要環(huán)節(jié)。目前，中國(guó)已成為世界上港口吞吐量和集裝箱吞吐量最多、增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。

系船柱是直接承受船舶系纜力，并將其傳遞給碼頭結(jié)構(gòu)的重要設(shè)施［1］。受港口貨物吞吐量增加、靠泊船舶噸位提升、不規(guī)范系泊以及風(fēng)浪流等多因素影響，系船柱上的荷載極易超過(guò)安全值，不僅會(huì)引發(fā)船舶脫纜，危及船舶安全，還會(huì)波及碼頭前沿結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致樁基損傷。為此，復(fù)雜系泊條件下系船柱結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測(cè)成為碼頭運(yùn)行過(guò)程中亟需解決的重大安全問(wèn)題。

目前，系船柱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法主要有三種。第一種是纜繩張力測(cè)量法［2-5］：將傳感器固定在纜繩上，監(jiān)測(cè)各根纜繩張力。該方法可直接測(cè)得系纜力，但由于測(cè)量纜力較大的張力監(jiān)測(cè)裝置尺寸較大，安裝較為繁瑣，會(huì)影響船舶正常系纜工藝，且僅能測(cè)得單根纜繩上的系纜力，對(duì)于多根纜力同時(shí)作用的情況，無(wú)法判斷纜繩矢量合力作用下的系船柱結(jié)構(gòu)受力安全性。第二種方法是系船柱表面應(yīng)變推算法［6-7］：在系船柱表面測(cè)量?jī)牲c(diǎn)應(yīng)變，并根據(jù)實(shí)測(cè)的系纜高度與角度，代入材料力學(xué)公式計(jì)算纜繩纜力。該方法不僅需監(jiān)測(cè)系船柱表面兩點(diǎn)應(yīng)變，而且還需測(cè)得纜繩系纜高度，且該計(jì)算方法僅針對(duì)單根纜繩系纜的情況，無(wú)法適用于多根纜繩同時(shí)系纜時(shí)的情況。第三種方法為帶脫纜鉤的系船柱纜繩應(yīng)力檢測(cè)裝置［8-10］：將脫纜鉤與系船柱集成為一個(gè)整體，脫纜鉤上設(shè)置應(yīng)力銷。當(dāng)纜繩纜力合力超出設(shè)定閾值后，應(yīng)力銷打開，主動(dòng)將纜繩脫纜，避免纜力過(guò)大對(duì)系船柱結(jié)構(gòu)的破壞。該方法通過(guò)主動(dòng)脫纜的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系船柱的保護(hù)，但另一方面也增加了船舶脫纜后的危險(xiǎn)性，同時(shí)由于帶脫纜鉤的系船柱體積較大，既有碼頭改造難度大，一般僅適用于新建碼頭。綜合以上可知，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法尚無(wú)法完全滿足系船柱結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測(cè)的需要。

針對(duì)適應(yīng)多根纜力同時(shí)作用、對(duì)系纜工藝影響小、適用于既有系船柱、實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)等結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測(cè)需求，提出了一種基于多點(diǎn)應(yīng)變信息融合的系船柱標(biāo)準(zhǔn)纜力實(shí)時(shí)反演與監(jiān)測(cè)方法，可滿足復(fù)雜系泊條件下的系船柱結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測(cè)。

2 大型港工系船柱受力安全監(jiān)測(cè)原理

2.1 系船柱結(jié)構(gòu)

系船柱結(jié)構(gòu)主要包括柱殼、錨桿、螺母、墊圈、錨板和柱芯填料等，見(jiàn)圖1。其中，柱殼是纜力最直接的受力件，錨桿、螺母、錨板和墊圈作為系船柱柱殼與碼頭上部結(jié)構(gòu)的連接件，錨桿插入梁內(nèi)，下方通過(guò)錨板與梁澆筑為一體（見(jiàn)圖1（b）），同時(shí)，為了提升錨桿的抗拔性，部分系船柱錨桿下端設(shè)計(jì)成彎鉤（見(jiàn)圖1（b））。

圖1 系船柱結(jié)構(gòu)Fig.1 Bollard structure

圖2 實(shí)際工況條件下的系船柱系纜情況Fig.2 Mooring conditions of bollards under actual working conditions

實(shí)際工況條件下，系船柱系纜特點(diǎn)主要有：

（1）帶纜數(shù)量：1～5 根；

（2）系纜垂直角（纜繩與水平面的夾角）：15°～60°；

（3）系纜水平角（纜繩與碼頭前沿線的夾角）：25°～155°；

（4）系纜高度：從最底端到最高端。

因此，系船柱的系纜條件存在隨機(jī)性，即纜繩的系纜高度、系纜垂直角、系纜水平角、系纜數(shù)量均可能不同，系船柱受到多根纜繩纜力矢量疊加作用，單純通過(guò)系纜力數(shù)值大小、而不考慮矢量作用組合效應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)系船柱的結(jié)構(gòu)安全性存在一定的局限性。

2.2 系纜力標(biāo)準(zhǔn)條件

為了解決多纜繩系纜隨機(jī)組合作用下的系船柱安全性評(píng)估問(wèn)題，提出了“系纜力標(biāo)準(zhǔn)條件”的概念。將系船柱結(jié)構(gòu)的最不利受力條件，設(shè)定為“系纜力標(biāo)準(zhǔn)條件”，在這一標(biāo)準(zhǔn)條件下，任意的系纜狀況都可以根據(jù)系船柱表面的多點(diǎn)應(yīng)變這一中間量反演轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)系纜力，并將標(biāo)準(zhǔn)系纜力與系船柱的容許系纜力進(jìn)行比較，由此判斷系船柱結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

由于系船柱為圓柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不同系纜水平角對(duì)系船柱的作用是相同的，因此，系船柱結(jié)構(gòu)的最不利受力條件主要包括系纜高度與系纜垂直角兩個(gè)參量。根據(jù)《系船柱構(gòu)件通用設(shè)計(jì)編制說(shuō)明》和《港口工程荷載規(guī)范》，在對(duì)系船柱進(jìn)行設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)算時(shí)，系纜垂直角β越小，系纜力水平分力越大，垂直角通常取15°；最大系纜高度時(shí)，相同系纜力水平分力產(chǎn)生的彎矩最大，對(duì)系船柱結(jié)構(gòu)安全影響最大，系纜高度取系船柱脖高。因此，“系纜力標(biāo)準(zhǔn)條件”可確定為：系纜高度取系船柱脖高h(yuǎn)0，系纜垂直角β0取15°。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)條件下的系纜力反演模型

圖3 系船柱標(biāo)準(zhǔn)系纜條件Fig.3 Standard mooring conditions for bollards

為了不影響系纜作業(yè)，傳感器安裝點(diǎn)應(yīng)盡量靠近底部，同時(shí)考慮到安裝的便攜性，盡量將傳感器安裝在系船柱柱身上，綜合兩者，確定傳感器安裝位置如圖4 中的A，B 所示，應(yīng)變傳感器安裝在底面與柱身過(guò)渡圓弧段的上端，距底面高度為h1。

圖4 中，實(shí)際工況條件下的系纜力系纜角度為β、系纜高度為h。通過(guò)安裝在系船柱根部的兩個(gè)應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)根部應(yīng)變，反演得到標(biāo)準(zhǔn)條件下的系纜力，標(biāo)準(zhǔn)條件下的系纜力為F*，系纜角度β0為15°，系纜高度為h0。

圖4 應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 Measuring positions of strain sensors

應(yīng)變傳感器安裝位置截面視圖如圖5 所示，O為系船柱圓柱軸心，BO與岸線的夾角為θ，AO與BO之間的夾角為γ，θ與γ為已知參數(shù)。A，B兩點(diǎn)的應(yīng)變分別為εA，εB，為已知參數(shù)。實(shí)際工況條件下的系纜力為F，系纜水平角為α，系纜垂直角為β，系纜高度為h（小于最大系纜高度），不同系纜條件下，F(xiàn)，α，β，h均未知。系纜力標(biāo)準(zhǔn)條件為：β0=15°，h0=max(h)。將不同工況條件下的系纜參數(shù)均轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)條件下。

圖5 D-D 截面Fig.5 D-D section

標(biāo)準(zhǔn)條件下的系纜力為F*，根據(jù)彈性力學(xué)公式，A、B兩點(diǎn)應(yīng)變可表示為：

式中，R為系船柱柱體半徑，h1為測(cè)點(diǎn)位置距底面高度，E殼，E芯分別為系船柱殼體與芯體的彈性模量，I殼，I芯分別為系船柱殼體與芯體的截面慣性矩。聯(lián)立式（1）、式（2）得：

通過(guò)公式（6）、式（7），可由h1截面處任意A，B兩點(diǎn)應(yīng)變值，推算得到標(biāo)準(zhǔn)條件下的纜力值與纜力方向。吳俊等人［11］對(duì)系船柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真計(jì)算，提取有限測(cè)點(diǎn)應(yīng)變反演標(biāo)準(zhǔn)系纜力，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，系纜力最大相對(duì)誤差為5.93%，反演結(jié)果具有較高精度，滿足工程應(yīng)用。

3 系船柱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法

由圖5 可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于中性面離岸側(cè)時(shí)，由橫向分力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變?yōu)檎道瓚?yīng)變。當(dāng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于中性面近岸側(cè)時(shí)，由橫向分力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變?yōu)樨?fù)值壓應(yīng)變。為了避免橫向分力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變與豎向分力產(chǎn)生的拉應(yīng)變相互抵消，在系纜水平角25°～155°變化區(qū)間內(nèi)，應(yīng)至少保證有兩個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于中性面離岸側(cè)。

由彈性力學(xué)原理可知，系船柱某一橫剖面上的最大應(yīng)變值點(diǎn)位于系纜力的反向延長(zhǎng)線上。由圖6 可見(jiàn)，當(dāng)系纜水平角在25°～155°區(qū)間變化時(shí)，系船柱上的最大應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位于A，E點(diǎn)之間，同時(shí)為了保證任意時(shí)刻均有兩個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于中性面離岸側(cè)，除布置A，E兩個(gè)測(cè)點(diǎn)外，還在A，E點(diǎn)之間均布3 個(gè)測(cè)點(diǎn)B，C，D。在該種測(cè)點(diǎn)布置條件下，任意時(shí)刻最少有3 個(gè)測(cè)點(diǎn)位于中性面離岸側(cè)。

圖6 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.6 Safety assessment process for bollard structure

綜上，本文提出了如圖7 所示的系船柱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法流程：

圖7 系船柱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估流程Fig.7 Safety assessment process for bollard structure

Step 1：通過(guò)安裝在系船柱表面的多個(gè)應(yīng)變傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系船柱表面應(yīng)變變化情況；

Step 2：將所測(cè)應(yīng)變按照數(shù)值大小進(jìn)行排序，分別為ε1＞ε2＞ε3＞ε4＞ε5；

Step 3：分別將ε1，ε2與ε1，ε3分別代入式（6）、式（7），分別得到兩組標(biāo)準(zhǔn)條件纜力F*與系纜水平角α；

Step 4：將兩組標(biāo)準(zhǔn)條件纜力F*與系纜水平角α求取平均值，獲得修正后的纜力與系纜水平角。

Step 5：根據(jù)系船柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定系船柱受力安全分級(jí)預(yù)警策略；

Step 6：將計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)條件下的系纜力與設(shè)計(jì)系纜力相比較，確定系船柱受力安全狀態(tài)等級(jí)。

4 試驗(yàn)研究

以寧波大榭招商國(guó)際集裝箱碼頭#2 泊位為依托工程，開展了原型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)系船柱規(guī)格1 500 kN，最大系纜高度500 mm；殼體材料為鑄鋼ZG230-450，外徑500 mm，內(nèi)徑420 mm，壁厚40 mm；殼內(nèi)澆注混凝土。

4.1 系船柱表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案

由標(biāo)準(zhǔn)系纜力反演理論可知，準(zhǔn)確測(cè)量系船柱表面應(yīng)變是確保纜力反演準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。光纖布拉格光纖光柵（以下簡(jiǎn)稱光纖光柵，F(xiàn)BG）具有可復(fù)用、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的精確應(yīng)變測(cè)量。

直接采用常規(guī)有機(jī)膠將光纖光柵粘接到系船柱表面，存在如下問(wèn)題：

①具有蠕變性［12-13］：長(zhǎng)期工作過(guò)程中，有機(jī)膠不可避免的存在會(huì)蠕變性，導(dǎo)致應(yīng)變傳感效率發(fā)生不可控的變化，影響測(cè)量結(jié)果的長(zhǎng)期可靠性。

②短標(biāo)距的非均勻應(yīng)變啁啾特性［14］，系船柱表面軸向應(yīng)變?yōu)榉蔷鶆驊?yīng)變，若采用有機(jī)膠直接將光纖光柵粘接到系船柱上，由于光纖光柵標(biāo)距很短，在非均勻應(yīng)變作用下，光纖光柵反射譜會(huì)出現(xiàn)一定程度的啁啾特性，影響信號(hào)解調(diào)。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用表面應(yīng)變均化的傳感器結(jié)構(gòu)形式，如圖8 所示，傳感器標(biāo)距為3cm，光纖光柵敷設(shè)于3 mm 厚不銹鋼基板軸向槽內(nèi)，兩端利用改性低熔點(diǎn)玻璃進(jìn)行粘接固定，傳感器利用兩端的四個(gè)焊接點(diǎn)與被測(cè)基底連接。

對(duì)需安裝傳感器的部位進(jìn)行除銹打磨處理后，分別焊接五支FBG 應(yīng)變傳感器，然后將傳感器首尾相連實(shí)現(xiàn)串聯(lián)復(fù)用，并利用一支FBG 溫度傳感器對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，然后利用密封帶對(duì)傳感器進(jìn)行密封防腐處理，最后安裝保護(hù)罩，避免系纜過(guò)程對(duì)光纖傳感器的破壞。整個(gè)過(guò)程如圖8 所示。

圖8 兩端焊接式應(yīng)變均化FBG 傳感器Fig.8 Strain equalization FBG sensor welded at both ends

圖9 傳感器安裝與保護(hù)Fig.9 Sensor installation and protection

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取2020 年11 月3 日～11 月11 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，期間監(jiān)測(cè)到的五個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖10（a）所示，基于該數(shù)據(jù)，根據(jù)圖7 所示的系船柱結(jié)構(gòu)安全評(píng)估步驟，計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)條件系纜力數(shù)據(jù)如圖10（b）所示。由圖10（b）可見(jiàn)，船舶系纜時(shí)，計(jì)算得到的最大系纜力迅速增加；船舶解纜時(shí)，計(jì)算得到的最大系纜力又迅速減小。實(shí)驗(yàn)期間最大系纜力均在500 KN 以下，遠(yuǎn)小于系船柱1 500 kN 容許系纜力值，系船柱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為正常。

圖10 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.10 Monitoring data

為了評(píng)估反演理論的誤差，進(jìn)行了單根纜繩系纜的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)船舶具備纜力計(jì)，且只在試驗(yàn)系船柱上系單根纜，按最大系纜高度帶纜。由于系纜垂直角及水平角不可控，試驗(yàn)時(shí)，采用傾角傳感器測(cè)量系纜垂直角和水平角。

試驗(yàn)期間測(cè)得的滿足試驗(yàn)要求的兩次船舶系泊情況如圖11 與表3 所示。

待現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，取測(cè)量值平均值，得到表2 所示的各個(gè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量值。

表1 船舶系纜參數(shù)Tab.1 Ship mooring parameters

Fig.11 實(shí)船系纜試驗(yàn)Fig.11 Real ship mooring test

表2 不同船舶系纜時(shí)的各點(diǎn)應(yīng)變值Tab.2 Strain values at various points （με）

分別選取相應(yīng)的組合計(jì)算纜力值，見(jiàn)表3。

由表3 可見(jiàn)，中遠(yuǎn)內(nèi)貿(mào)集裝箱船系纜力計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差最大為－4.6%，APL VANDA 集裝箱貨輪系纜力計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差最大為-8.1%。導(dǎo)致纜力計(jì)算誤差的原因除本身理論模型存在一定誤差外，還可能由于船上纜力計(jì)讀數(shù)與系船柱上應(yīng)變記錄的時(shí)刻無(wú)法精確同步導(dǎo)致。該誤差基本滿足工程應(yīng)用需求。

表3 系纜力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation result of mooring force

5 結(jié) 論

本文在推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)條件系纜力反演模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)纜力方向的范圍與反演模型的應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)要求，研究了系船柱表面多點(diǎn)應(yīng)變布置方案，提出了基于多點(diǎn)應(yīng)變?nèi)诤系南荡Y(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法。在寧波大榭招商國(guó)際集裝箱碼頭1 500 kN 系船柱上成功部署了5 支應(yīng)變傳感器與1 支溫度傳感器，開展了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)條件反演纜力與船舶實(shí)際纜力值，標(biāo)準(zhǔn)條件系纜力反演誤差最大為8.1%，證明該方法具有較強(qiáng)的可行性與操作性。本方法只需利用系船柱表面分布的多點(diǎn)應(yīng)變值，即可判斷系船柱受力安全狀態(tài)等級(jí)。