半潛式平臺在碼頭防臺風中的風載荷計算方法

賈 君，周喜寧，李子凡

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；2.招商局重工郵輪有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

隨著近年來國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，海洋平臺的體積越建越大，特別是半潛式平臺安裝的設備越來越多，對碼頭系泊的要求越來越高。在碼頭系泊防臺風時，系泊力計算主要考慮風、浪和流等3種環(huán)境載荷。由于碼頭在選址設計時考慮不能有過大的流和浪影響系泊，因此在系泊力計算時，浪和流占比較小，風載荷在碼頭系泊力計算時是主要載荷。風載荷可通過風洞試驗精確得到，但成本較大，且部分船型無法進行風洞試驗，工程應用局限性較大。采用數(shù)值計算通過有限元分析可得到精度較高的結果，但需要配套專業(yè)軟件和經(jīng)驗豐富的工程師支持，計算時間長，不適用于碼頭防臺風[1-2]。

本文以1座半潛式鉆井平臺和1座半潛式風電安裝平臺為研究對象，采用經(jīng)驗公式計算風載荷并將結果與風洞試驗結果進行比較，得到不同經(jīng)驗公式在計算風載荷時的設計裕量，以便在工程應用中更精確地使用經(jīng)驗公式，確保平臺在碼頭系泊時得到精確的環(huán)境載荷，從而得到合理的系泊布置方式。

1 理論公式

1.1 API計算公式

在對半潛式平臺進行海上系泊分析時，對于輸入條件風載荷，一般選用API RP 2SK[3]中的公式進行計算，計算公式為

Fw=Cw∑(CsChA)V2

(1)

式中：Fw為API計算公式中平臺受到的風載荷，N；Cw為風力系數(shù)，規(guī)定為0.615 N·s2/m4；Cs為形狀因數(shù)；Ch為高度因數(shù)；A為垂向投影面積，m2；V為設計風速，m/s。

在采用式(1)計算風載荷時，對結果影響最大的是受風面積統(tǒng)計。式(1)規(guī)定：在統(tǒng)計受風面積時，各構件之間的相互影響不予考慮，且獨立的大型設備，如起重機、鉆臺等需要單獨統(tǒng)計面積；對于桁架式吊臂，為簡便計算，投影面積以桁架外輪廓的60%進行計算；在統(tǒng)計半潛式平臺立柱面積時，一般不考慮立柱之間的遮蔽效應，每個立柱的投影面積都需要考慮。

1.2 《港口工程荷載規(guī)范》計算公式

針對碼頭船舶系泊和靠船結構強度分析，國內(nèi)制定《港口工程荷載規(guī)范》[4]，該規(guī)范對于常規(guī)瘦長型船舶的橫向風載荷和縱向風載荷進行計算：

(2)

(3)

式中：Fx,w和Fy,w分別為作用在船舶上橫向和縱向風載荷，kN；Ax,w和Ay,w分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積，m2；Vx和Vy分別為設計風速的橫向和縱向分量，m/s；ζ1為風壓不均勻折減因數(shù)；ζ2為風壓高度修正因數(shù)。

對于半潛式平臺，在采用式(2)和式(3)進行風載荷計算時，各構件的ζ2應單獨進行計算，且修正的高度為該構件投影面積的形心距水線面的高度。

1.3 NORSOK規(guī)范計算公式

挪威技術標準研究機構認為可將對于陣風不敏感的建筑物當做一個靜載來計算，作用在建筑物上的風載荷公式[5]為

(4)

式中：F為NORSOK規(guī)范計算公式中平臺受到的風載荷，N；ρ為空氣密度，取1.23 kg/m3；UH為距水面以上H高度處的風速，m/s，計算式為

(5)

C=0.057 3×(1+0.15U0)0.5

(6)

式中：U0為水面以上10 m處風的參考速度。

2 風洞試驗

風洞試驗作為一項基本試驗，其結果可判斷理論計算的準確度[6]。為驗證理論公式計算結果的冗余度和各構件對風載荷的影響程度，以2座半潛式平臺為研究對象，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 半潛式鉆井平臺及半潛式風電安裝平臺主尺度

對于半潛式鉆井平臺，采用1∶175的縮尺比進行風洞試驗，主甲板上各構件采用3D打印機打印，全方位、全細節(jié)地模擬整個平臺。試驗模型如圖1所示。

圖1 半潛式鉆井平臺風洞試驗模型

對于半潛式風電安裝平臺，采用1∶200縮尺比進行風洞試驗。對主甲板上的部分構件如風帽、透氣管、欄桿、起重機平臺斜梯等小型構件進行簡化處理。試驗模型如圖2所示。

圖2 半潛式風電安裝平臺風洞試驗模型

平臺在碼頭系泊時，一般處于完工狀態(tài)或碼頭舾裝狀態(tài)，此時平臺處于遷移吃水或更小吃水工況[7]。在對風載荷進行數(shù)據(jù)分析時僅考慮遷移工況。對于風洞試驗數(shù)據(jù)，通過坐標系轉(zhuǎn)換，進行無因次化處理，可得到不同方向和單位風速下的風載荷和風載荷對應軸所產(chǎn)生的力矩。無因次化公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：X、Y、Z為3個不同方向上的風載荷，N；K、M、N為3個不同方向?qū)S的力矩，NM；Lpp為平臺垂線間長，m。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

在進行受風面積統(tǒng)計時，結合各構件對平臺風載荷的貢獻，對部分大型設備面積進行單獨計算，簡化部分對整體載荷影響不大的構件，如帶纜樁、鋼絲繩、欄桿、透氣管、平臺主船體外圍管路等，以提高計算效率。同時為驗證簡化模型對于平臺風載荷計算的適用性，都采用各自的規(guī)范對簡化完畢后模型的所有構件進行受風面積統(tǒng)計。在風洞試驗模擬時，半潛式鉆井平臺采用3D打印技術，對風載荷進行全方位、全細節(jié)的模擬，對于半潛式風電安裝平臺則進行簡化模型處理，具體如表2所示。在此基礎上，進行風載荷計算，比較計算結果，判斷經(jīng)驗公式的冗余度和簡化模型的適用性。

表2 不同平臺數(shù)據(jù)分析方法

3.2 側向風載荷分析

平臺側向風載荷計算結果可用來確定平臺在碼頭系泊時所需橫纜的數(shù)量和纜繩的強度。在設計之初，對碼頭區(qū)域附近氣象臺連續(xù)20 a的氣象觀測資料進行分析，挑選環(huán)境條件較為溫和的區(qū)域進行碼頭設計[8]。結合碼頭區(qū)域歷年環(huán)境條件，在碼頭防臺風時，一般只考慮蒲氏風級為8級～12級的風載荷，當蒲氏風級超過12級時，一般采用特殊方式避臺風，如坐底方式，將平臺拖航至風圈以外區(qū)域等。在進行風載荷結果比較時，采用經(jīng)驗公式進行不同風速下的理論計算，同時采用風洞試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)無因次公式換算出8級～12級風速下的側向風載荷，繪制曲線如圖3和圖4所示。

圖3 半潛式風電安裝平臺側向風載荷

圖4 半潛式鉆井平臺側向風載荷

通過對比發(fā)現(xiàn)：

(1)在采用APR RP 2SK和NORSOK公式計算側向風載荷時，計算結果與風洞試驗結果接近，誤差在10%以內(nèi)。在采用《港口工程荷載規(guī)范》計算風載荷時，計算結果較為保守，約為風洞試驗結果的1.5倍，主要原因是在港口工程中風載荷計算的研究對象為瘦長型的常規(guī)船型，對于長度和寬度相差不大的半潛式平臺，公式的敏感度較差。

(2)在采用理論公式簡化模型以后，采用API和NORSOK經(jīng)驗公式計算的結果與全細節(jié)模型模擬風洞試驗的結果也非常接近，說明采用API和NORSOK經(jīng)驗公式忽略主要構件之間遮蔽效應的影響等效于忽略次要構件如帶纜樁、欄桿、桅桿等帶來的影響。

3.3 艏艉向風載荷分析

與常規(guī)船舶相比，半潛式平臺主甲板露天設備較多，且上船體橫向和縱向長度相差較小，艏艉向面積與側向面積相似，通過計算艏艉向風載荷可確定碼頭防臺風系泊時倒纜數(shù)量和強度。依據(jù)規(guī)范公式和風洞試驗數(shù)據(jù)，可得到不同風速下平臺艏艉向風載荷，如圖5和6所示。

圖5 半潛式風電安裝平臺艏艉向風載荷

圖6 半潛式鉆井平臺艏艉向風載荷

通過對比得到：

(1)采用NORSOK規(guī)范進行計算的結果與風洞試驗結果較為吻合，誤差在10%以內(nèi)。對于半潛式鉆井平臺，API RP 2SK的風載荷計算結果最為接近。對于風電安裝平臺，其計算結果較風洞試驗結果大18%左右，此誤差也在可接受范圍內(nèi)。對于采用《港口工程荷載規(guī)范》進行計算的風載荷，結果誤差在20%以內(nèi)，主要原因是在計算艏艉向風載荷時，艏艉向風載荷計算因數(shù)(49.0)較側向風載荷計算因數(shù)(73.6)小，從而導致在相同投影面積、高度修正系數(shù)和形狀修正因數(shù)下，側向風載荷計算結果較艏艉向計算結果大。

(2)比較簡化模型計算與全細節(jié)風洞試驗結果，以及簡化模型與簡化風洞試驗結果，可得到對于影響平臺風載荷的次要結構，如欄桿、平臺外附管路等，可忽略不計。

3.4 給定風速下各方向風載荷對比

在計算碼頭風載荷時，可通過經(jīng)驗公式計算得到橫向和縱向風載荷，對其采用式(13)進行分解，可得到不同角度下的風載荷為

(13)

式中：Fφ為任何方向的風載荷，t；φ為風與船中平行線的夾角，(°)；Fx和Fy分別為縱向和橫向風載荷，t。

以蒲氏10級風速為研究對象，對各規(guī)范下橫向和縱向風載荷進行分解，將結果與對應10級風速的風洞試驗結果進行比較，如圖7和圖8所示。

圖7 半潛式鉆井平臺各方向風載荷

圖8 半潛式風電安裝平臺各方向風載荷

通過對比發(fā)現(xiàn)，《港口工程荷載規(guī)范》計算結果較為保守，特別是在風向為30°～150°時，其結果為風洞試驗結果的1.5倍左右，主要原因是在此區(qū)間內(nèi)橫向風載荷對平臺總的風載荷提供了較大的貢獻。

采用API RP 2SK規(guī)范和NORSOK規(guī)范獲得的計算結果與風洞試驗結果在各方向上都較為接近，因此在防臺風纜繩選取時，可直接應用API RP 2SK規(guī)范和NORSOK規(guī)范。

4 結 論

對半潛式平臺的風載荷進行計算，研究規(guī)范公式與風洞試驗結果，得到如下結論：

(1)半潛式平臺上各大型構件之間無遮蔽效應對風載荷計算影響大于次要構件(帶纜樁、鋼絲繩、欄桿、透氣管、平臺主船體外圍管路等)，在進行風載荷受風面積統(tǒng)計時，可忽略這部分次要構件。

(2)采用API RP 2SK和NORSOK公式計算側向風載荷，在不同風速或相同風速不同角度下，計算結果與風洞試驗結果較為吻合，誤差在10%左右，由于在防臺風時主要考慮的是平臺的側向載荷，因此可采用上述公式直接計算防臺風時平臺的側向力。

(3)在碼頭系泊防臺風時，采用《港口工程荷載規(guī)范》計算風載荷時，計算結果較為保守，其側向力的結果約為風洞試驗的1.5倍，主要原因是港工風載荷研究對象一般為瘦長型的常規(guī)船型，對于寬度和長度差不多的半潛式平臺不適用。