大型港工系船柱結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方法與實驗

吳 俊，舒岳階，周世良，柏魯勇，曹師寶

（1. 重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016；2. 重慶交通大學 內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，重慶 400074；3. 重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016；4. 寧波正信檢測科技有限公司，寧波 315000）

1 引 言

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

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)范系泊以及風浪流等多因素影響，系船柱上的荷載極易超過安全值，不僅會引發(fā)船舶脫纜，危及船舶安全，還會波及碼頭前沿結(jié)構(gòu)，甚至導致樁基損傷。為此，復雜系泊條件下系船柱結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測成為碼頭運行過程中亟需解決的重大安全問題。

目前，系船柱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)監(jiān)測方法主要有三種。第一種是纜繩張力測量法［2-5］：將傳感器固定在纜繩上，監(jiān)測各根纜繩張力。該方法可直接測得系纜力，但由于測量纜力較大的張力監(jiān)測裝置尺寸較大，安裝較為繁瑣，會影響船舶正常系纜工藝，且僅能測得單根纜繩上的系纜力，對于多根纜力同時作用的情況，無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變推算法［6-7］：在系船柱表面測量兩點應變，并根據(jù)實測的系纜高度與角度，代入材料力學公式計算纜繩纜力。該方法不僅需監(jiān)測系船柱表面兩點應變，而且還需測得纜繩系纜高度，且該計算方法僅針對單根纜繩系纜的情況，無法適用于多根纜繩同時系纜時的情況。第三種方法為帶脫纜鉤的系船柱纜繩應力檢測裝置［8-10］：將脫纜鉤與系船柱集成為一個整體，脫纜鉤上設(shè)置應力銷。當纜繩纜力合力超出設(shè)定閾值后，應力銷打開，主動將纜繩脫纜，避免纜力過大對系船柱結(jié)構(gòu)的破壞。該方法通過主動脫纜的方式實現(xiàn)對系船柱的保護，但另一方面也增加了船舶脫纜后的危險性，同時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)測方法尚無法完全滿足系船柱結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測的需要。

針對適應多根纜力同時作用、對系纜工藝影響小、適用于既有系船柱、實時性監(jiān)測等結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測需求，提出了一種基于多點應變信息融合的系船柱標準纜力實時反演與監(jiān)測方法，可滿足復雜系泊條件下的系船柱結(jié)構(gòu)受力安全監(jiān)測。

2 大型港工系船柱受力安全監(jiān)測原理

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)，下方通過錨板與梁澆筑為一體（見圖1（b）），同時，為了提升錨桿的抗拔性，部分系船柱錨桿下端設(shè)計成彎鉤（見圖1（b））。

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

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

實際工況條件下，系船柱系纜特點主要有：

（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，單純通過系纜力數(shù)值大小、而不考慮矢量作用組合效應來評價系船柱的結(jié)構(gòu)安全性存在一定的局限性。

2.2 系纜力標準條件

為了解決多纜繩系纜隨機組合作用下的系船柱安全性評估問題，提出了“系纜力標準條件”的概念。將系船柱結(jié)構(gòu)的最不利受力條件，設(shè)定為“系纜力標準條件”，在這一標準條件下，任意的系纜狀況都可以根據(jù)系船柱表面的多點應變這一中間量反演轉(zhuǎn)換為標準系纜力，并將標準系纜力與系船柱的容許系纜力進行比較，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稱結(jié)構(gòu)，不同系纜水平角對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參量。根據(jù)《系船柱構(gòu)件通用設(shè)計編制說明》和《港口工程荷載規(guī)范》，在對系船柱進行設(shè)計和安全驗算時，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，相同系纜力水平分力產(chǎn)生的彎矩最大，對系船柱結(jié)構(gòu)安全影響最大，系纜高度取系船柱脖高。因此，“系纜力標準條件”可確定為：系纜高度取系船柱脖高h0，系纜垂直角β0取15°。

2.3 標準條件下的系纜力反演模型

圖3 系船柱標準系纜條件Fig.3 Standard mooring conditions for bollards

為了不影響系纜作業(yè)，傳感器安裝點應盡量靠近底部，同時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，應變傳感器安裝在底面與柱身過渡圓弧段的上端，距底面高度為h1。

圖4 中，實際工況條件下的系纜力系纜角度為β、系纜高度為h。通過安裝在系船柱根部的兩個應變傳感器，監(jiān)測根部應變，反演得到標準條件下的系纜力，標準條件下的系纜力為F*，系纜角度β0為15°，系纜高度為h0。

圖4 應變傳感器測點位置Fig.4 Measuring positions of strain sensors

應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兩點的應變分別為εA，εB，為已知參數(shù)。實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。系纜力標準條件為：β0=15°，h0=max(h)。將不同工況條件下的系纜參數(shù)均轉(zhuǎn)換到標準條件下。

圖5 D-D 截面Fig.5 D-D section

標準條件下的系纜力為F*，根據(jù)彈性力學公式，A、B兩點應變可表示為：

式中，R為系船柱柱體半徑，h1為測點位置距底面高度，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：

通過公式（6）、式（7），可由h1截面處任意A，B兩點應變值，推算得到標準條件下的纜力值與纜力方向。吳俊等人［11］對系船柱結(jié)構(gòu)進行了有限元數(shù)值仿真計算，提取有限測點應變反演標準系纜力，并與有限元仿真結(jié)果進行對比，系纜力最大相對誤差為5.93%，反演結(jié)果具有較高精度，滿足工程應用。

3 系船柱結(jié)構(gòu)安全評估方法

由圖5 可見，當應變監(jiān)測點位于中性面離岸側(cè)時，由橫向分力所產(chǎn)生的彎曲應變?yōu)檎道瓚?。當應變監(jiān)測點均位于中性面近岸側(cè)時，由橫向分力所產(chǎn)生的彎曲應變?yōu)樨撝祲簯?。為了避免橫向分力所產(chǎn)生的彎曲應變與豎向分力產(chǎn)生的拉應變相互抵消，在系纜水平角25°～155°變化區(qū)間內(nèi)，應至少保證有兩個應變監(jiān)測點均位于中性面離岸側(cè)。

由彈性力學原理可知，系船柱某一橫剖面上的最大應變值點位于系纜力的反向延長線上。由圖6 可見，當系纜水平角在25°～155°區(qū)間變化時，系船柱上的最大應變測點位于A，E點之間，同時為了保證任意時刻均有兩個應變監(jiān)測點均位于中性面離岸側(cè)，除布置A，E兩個測點外，還在A，E點之間均布3 個測點B，C，D。在該種測點布置條件下，任意時刻最少有3 個測點位于中性面離岸側(cè)。

圖6 應變測點分布圖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)安全評估方法流程：

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

Step 1：通過安裝在系船柱表面的多個應變傳感器，實時監(jiān)測系船柱表面應變變化情況；

Step 2：將所測應變按照數(shù)值大小進行排序，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），分別得到兩組標準條件纜力F*與系纜水平角α；

Step 4：將兩組標準條件纜力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，制定系船柱受力安全分級預警策略；

Step 6：將計算得到的標準條件下的系纜力與設(shè)計系纜力相比較，確定系船柱受力安全狀態(tài)等級。

4 試驗研究

以寧波大榭招商國際集裝箱碼頭#2 泊位為依托工程，開展了原型試驗研究。試驗系船柱規(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 系船柱表面應變監(jiān)測方案

由標準系纜力反演理論可知，準確測量系船柱表面應變是確保纜力反演準確性的關(guān)鍵。光纖布拉格光纖光柵（以下簡稱光纖光柵，F(xiàn)BG）具有可復用、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點，可適應復雜環(huán)境下的精確應變測量。

直接采用常規(guī)有機膠將光纖光柵粘接到系船柱表面，存在如下問題：

①具有蠕變性［12-13］：長期工作過程中，有機膠不可避免的存在會蠕變性，導致應變傳感效率發(fā)生不可控的變化，影響測量結(jié)果的長期可靠性。

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

針對這個問題，采用表面應變均化的傳感器結(jié)構(gòu)形式，如圖8 所示，傳感器標距為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玻璃進行粘接固定，傳感器利用兩端的四個焊接點與被測基底連接。

對需安裝傳感器的部位進行除銹打磨處理后，分別焊接五支FBG 應變傳感器，然后將傳感器首尾相連實現(xiàn)串聯(lián)復用，并利用一支FBG 溫度傳感器對應變傳感器進行補償，然后利用密封帶對傳感器進行密封防腐處理，最后安裝保護罩，避免系纜過程對光纖傳感器的破壞。整個過程如圖8 所示。

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

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

4.2 實驗結(jié)果與分析

選取2020 年11 月3 日～11 月11 的實驗數(shù)據(jù)進行分析，期間監(jiān)測到的五個測點的應變數(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)安全評估步驟，計算得到的標準條件系纜力數(shù)據(jù)如圖10（b）所示。由圖10（b）可見，船舶系纜時，計算得到的最大系纜力迅速增加；船舶解纜時，計算得到的最大系纜力又迅速減小。實驗期間最大系纜力均在500 KN 以下，遠小于系船柱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)測數(shù)據(jù)Fig.10 Monitoring data

為了評估反演理論的誤差，進行了單根纜繩系纜的驗證性實驗，試驗船舶具備纜力計，且只在試驗系船柱上系單根纜，按最大系纜高度帶纜。由于系纜垂直角及水平角不可控，試驗時，采用傾角傳感器測量系纜垂直角和水平角。

試驗期間測得的滿足試驗要求的兩次船舶系泊情況如圖11 與表3 所示。

待現(xiàn)場數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，取測量值平均值，得到表2 所示的各個點應變測量值。

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

Fig.11 實船系纜試驗Fig.11 Real ship mooring test

表2 不同船舶系纜時的各點應變值Tab.2 Strain values at various points （με）

分別選取相應的組合計算纜力值，見表3。

由表3 可見，中遠內(nèi)貿(mào)集裝箱船系纜力計算結(jié)果相對誤差最大為－4.6%，APL VANDA 集裝箱貨輪系纜力計算結(jié)果相對誤差最大為-8.1%。導致纜力計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讀數(shù)與系船柱上應變記錄的時刻無法精確同步導致。該誤差基本滿足工程應用需求。

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

5 結(jié) 論

本文在推導標準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變監(jiān)測點要求，研究了系船柱表面多點應變布置方案，提出了基于多點應變?nèi)诤系南荡Y(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方法。在寧波大榭招商國際集裝箱碼頭1 500 kN 系船柱上成功部署了5 支應變傳感器與1 支溫度傳感器，開展了長時間連續(xù)監(jiān)測，通過分析標準條件反演纜力與船舶實際纜力值，標準條件系纜力反演誤差最大為8.1%，證明該方法具有較強的可行性與操作性。本方法只需利用系船柱表面分布的多點應變值，即可判斷系船柱受力安全狀態(tài)等級。