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)
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。
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。
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°。
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。
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。
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。
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
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
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。