橫浪作用下拖輪動態(tài)系泊及撞擊力研究

路衛(wèi)衛(wèi)，李樹均，余神光，宋蘭芳，覃 杰，陳良志

(1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

國內(nèi)外關于橫浪作用下船舶動態(tài)系泊及撞擊力的研究都是針對大型開敞式碼頭(例如1萬噸級以上)，且多是針對風浪條件較差的油氣碼頭，很少見關于小碼頭例如拖輪或工作船在橫浪作用下撞擊力的研究。究其原因，主要是拖輪泊位多數(shù)位于掩護較好的區(qū)域或者在極端大波浪下離泊。而東南亞某集裝箱碼頭工程的附屬拖輪泊位卻位于波浪較大區(qū)域，除了要求滿足平時波浪下碼頭安全運營外，還要求在極端波浪(有效波波高1.4 m)情況下，拖輪須系泊在碼頭上。另外除拖輪本身需要升級改造以滿足系靠泊要求外，常規(guī)拖輪泊位系船柱、護舷的選取方法已不能滿足要求，需要進行動態(tài)系泊分析并研究船舶撞擊力。

船舶撞擊力主要取決于以下2種情況：船舶靠岸時撞擊力以及船舶系泊時風浪流作用下產(chǎn)生的擠靠撞擊力。對于船舶系泊時候允許系泊條件(風浪流)，分為2種情況：1)作業(yè)工況，取決于裝卸設備要求、人員上下要求、人員舒適度，對于部分船型，規(guī)范會給出推薦的風浪限制條件，也可用船舶運動量控制；2)不作業(yè)工況，取決于船舶安全(船舶運動安全、船上系船設施限值)及碼頭結構安全兩方面。

關于橫浪作用下撞擊力的研究，可采用的方法包括經(jīng)驗公式法、物理模型試驗法和數(shù)值模擬方法。經(jīng)驗公式法，例如中國的《港口工程荷載規(guī)范》[1]的計算公式，英國、日本、德國等研究均是基于動能理論[2]，并且側重于船舶附加水體質(zhì)量系數(shù)研究，例如國外的Costa公式、Wilson公式、Stelson公式，國內(nèi)大連理工大學、天津大學、南京水利科學研究院等關于附加水體質(zhì)量系數(shù)的研究，一般是通過物理模型試驗驗證或總結附加水體質(zhì)量系數(shù)，從而用于修正公式[3-5]。數(shù)值模擬方法采用動力分析軟件，不同科研單位采用不同軟件[6]，例如美國TTI公司的Optimoor[7]、荷蘭Alkyon公司的Ship-mooring[8]、法國BV船級社的Ariane[9]、荷蘭MARIN公司的aNyMOOR TERMSIM軟件等。

本文研究不同規(guī)范對拖輪泊位作業(yè)及系泊的作業(yè)波浪、運動量要求，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》計算護舷在橫浪作用下撞擊力，并通過aNyMOOR TERMSIM軟件進行拖輪動態(tài)系泊分析，最后對比分析計算結果，確定合適護舷，給出推薦的拖輪運動量及波浪控制標準。

1 工程實例

1.1 工程概況

東南亞某集裝箱碼頭附屬配套拖輪碼頭位于集裝箱碼頭東側，拖輪碼頭長80 m，共計2個泊位，總體布置如圖1所示。拖輪船長30 m，吃水5 m，總排水量670 t。集裝箱碼頭和拖輪碼頭都采用樁基結構。拖輪碼頭系船柱初始假設為250 kN，護舷為V形護舷(G2.0)，護舷高600 mm、長3 200 mm，碼頭斷面如圖2所示。

1.2 自然條件

最低天文潮位0 m，最高天文潮位2.6 m；風速為15.1 m/s，潮流速度為0.2 m/s。

北側拖輪泊位波浪要素為：極端工況為100 a一遇有效波高1.43 m，周期8.9 s；正常使用工況采用超越概率5%有效波，波高為0.4 m，周期5 s；波向為西北向，波浪與碼頭方向夾角在45°左右。由于拖輪碼頭西側的集裝箱碼頭為樁基結構，所以不考慮集裝箱碼頭對波浪的折減作用。

2 橫浪下船舶撞擊能量計算

目前，只有《港口工程荷載規(guī)范》和西班牙ROM規(guī)范[10]提到了橫浪作用下船舶擠靠撞擊計算，其中《港口工程荷載規(guī)范》是基于動能的撞擊能量計算，ROM規(guī)范只是靜態(tài)地采用波浪在船舶作用范圍的波浪推力，因此本文只采用《港口工程荷載規(guī)范》進行計算。

《港口工程荷載規(guī)范》中橫浪作用下船舶撞擊能量的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

Ew=K2Ew0

(4)

式中：k為偏心撞擊折減系數(shù)；Cm為附加水體影響系數(shù)；m為船舶質(zhì)量；vB為法向撞擊速度；αm、βm均為碼頭結構形式影響系數(shù)；D為船舶平均吃水；B為船舶寬度；d為碼頭前沿水深；α、β、γ均為碼頭結構影響系數(shù)；H為有效波波高；T為波周期；L為波長；D0為船舶滿載吃水；K2為撞擊不均勻系數(shù)；Ew0為有效撞擊能量；Ew為每組護舷有效撞擊能量。

計算參數(shù)及結果見表1。結合碼頭靠泊撞擊力，綜合考慮選擇型號為G1.5的護舷，高600 mm、長3 200 mm，護舷吸能量為180 kJ/m，護舷反力為536 kN/m。

表1 橫浪下船舶撞擊能量計算參數(shù)及結果

3 拖輪系泊允許波高及運動量標準

3.1 拖輪系泊允許波高

國內(nèi)外規(guī)范均無針對拖輪系泊波高的要求，因此，只列出其他小型船舶系泊波高要求。

《游艇碼頭設計規(guī)范》[11]關于游艇系泊允許波高：橫浪50 a一遇H1%不大于0.5 m，順浪50 a一遇H1%不大于1.1 m。

澳大利亞游艇設計規(guī)范[12]關于游艇系泊允許波高：對于周期大于2 s的斜向浪，50 a一遇有效波高不大于0.5 m，1 a一遇有效波高不大于0.375 m；對于周期大于2 s的橫浪，50 a一遇有效波高不大于0.3 m，1 a一遇有效波高不大于0.19 m。

國際航運協(xié)會(PIANC)系泊船舶運動量標準[13]規(guī)定：對于長20 m的小船，橫浪有效波高不大于0.3 m。

PIANC航道設計準則[14]規(guī)定：正常運營條件下，對于休閑娛樂船舶，順浪有效波高不大于0.4 m，橫浪有效波高不大于0.2 m，主要靠人員舒適度控制。對于其他小型船舶未做要求。對于船舶系泊允許極限波高取決于碼頭結構。

西班牙ROM規(guī)范關于允許作業(yè)條件：對于休閑船舶，有效波高不大于0.4 m；對于船長≥30 m的漁船，有效波高不大于1 m。該規(guī)范未區(qū)分橫浪和順浪。

以上規(guī)范主要考慮人員舒適度控制，實際小碼頭在更大波浪下，更多地取決于纜繩及護舷，將作用反饋到結構上，則需要碼頭結構足夠穩(wěn)定。因此，本文建議考慮拖輪泊位平時波高不大于0.4 m，極端波浪取決于動態(tài)系泊分析結果中纜繩、護舷及相應碼頭結構受力安全。

3.2 拖輪允許運動量

PIANC系泊船舶運動量標準規(guī)定：對于漁船，裝卸作業(yè)工況為縱移不大于1 m、橫移不大于1 m、升沉不大于0.4 m；抽水泵作業(yè)工況為縱移不大于2 m、橫移不大于1 m。

Thoresen的港口設計手冊[15]規(guī)定：對于漁船，裝卸作業(yè)工況為縱移不大于0.75 m、橫移不大于1.5 m、升沉不大于0.3 m；抽水泵作業(yè)工況為縱移不大于1.5 m，其他運動量無限制。

國內(nèi)外規(guī)范均沒有拖輪的允許運動量，參考以上規(guī)范對于漁船的運動量要求。由于拖輪比漁船具有更好的適應能力，因此，本文推薦拖輪在正常工況的允許運動量為縱移不大于1.5 m、橫移不大于1.0 m；非工作極端狀況允許運動量為縱移不大于2 m、橫移不大于1.5 m。

4 動態(tài)系泊軟件計算分析

4.1 V形護舷

4.1.1模型參數(shù)

aNyMOOR TERMSIM是一種時域仿真程序，用于分析風浪流作用下船舶系泊動力特性，該軟件由荷蘭MARIN公司開發(fā)。模型中波浪數(shù)據(jù)輸入如圖3所示，系纜布置如圖4所示。

圖3 極端工況的模型輸入波浪時間序列

圖4 使用V形護舷時的碼頭系纜布置

4.1.2計算結果

1)正常使用工況(有效波高0.4 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.090～0.320 MN，共需6根纜繩；單組護舷反力為0.331～1.016 MN(考慮3.2 m護舷長度全部參與受力)；船舶運動量為縱移1.4 m、橫移1.2 m

2)極端工況(有效波高1.43 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.310～0.480 MN，共需9根纜繩；單組護舷反力為1.293～1.608 kN(考慮3.2 m護舷長度全部參與受力)，4組護舷反力的合力隨時間變化如圖5所示，根據(jù)結果，合力最大值為7.207 MN，撞擊能量最大值為444 kJ；船舶運動量為縱移1.9 m、橫移1.9 m。

圖5 4組護舷反力合力隨時間變化

根據(jù)以上計算結果，在極端波浪情況下，雖然V800護舷反力在產(chǎn)品額定范圍內(nèi)，但是吸能比只有23%。護舷吸能未充分發(fā)揮，而護舷反力已接近最大值。拖輪接觸到的4個護舷中，其中3個同時接近最大反力。產(chǎn)生巨大擠靠力，原碼頭結構無法承受。因此，在極端波浪情況下，需要采用吸能更好同時反力更小的護舷。

4.2 錐形護舷

4.2.1模型參數(shù)

護舷改為錐形護舷，采用兩鼓一板SPC800(G2.0)護舷，最大吸能量為498 kJ，最大反力為1.186 MN。在鎖鏈的作用下，護舷將整體發(fā)揮作用，也更適用于大波浪大運動量的情況。碼頭斷面見圖6，碼頭系纜布置見圖7。

圖6 使用錐形護舷時的碼頭斷面(高程：m；尺寸：mm)

圖7 使用錐形護舷時的碼頭系纜布置

4.2.2計算結果

1)正常使用工況下(有效波高0.4 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.110～0.380 MN，共需4根纜繩；單組護舷反力最大值為0.659～0.680 MN；船舶運動量為縱移1.4 m、橫移1.0 m。

2)極端工況下(有效波高1.43 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.022～0.052 MN，共需7根纜繩。3組護舷反力的合力隨時間變化見圖8，根據(jù)結果，合力最大值為2.692 MN(3組護舷反力分別為1.179、0.980、0.533 MN)，撞擊能量合計最大值為398 kJ；船舶運動量為縱移2 m(即-1～1 m)、橫移1.1 m。

圖8 護舷反力和值隨時間變化曲線

經(jīng)核實，在護舷更改為錐形護舷后，按實際護舷反力核算碼頭結構滿足受力要求。

5 計算結果對比

5.1 規(guī)范與動態(tài)系泊軟件的結果對比

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》進行計算，在橫浪作用下船舶撞擊總能量為181 kJ；而根據(jù)動態(tài)系泊分析軟件計算，橫浪作用下船舶撞擊總能量為444 kJ(V形護舷)、398 kJ(錐形護舷)，平均值為421 kJ。

規(guī)范計算船舶能量結果和動態(tài)系泊軟件分析結果比值為1:2.3。結果差異較大的原因可能是：

1)規(guī)范中橫浪作用船舶撞擊能量公式對小型船舶適用性較差。《港口工程荷載規(guī)范》是根據(jù)大型船舶試驗結果修正的，可能不適用于拖輪這種小型船舶。

2)纜繩的影響。纜繩的布置方式及數(shù)量可能影響船舶撞擊能量的大小。

3)波浪周期的影響[16]。本工程極端工況下的波浪周期為8.9 s，周期較長，導致能量較大。

4)波高和波向影響。對于小型船舶來講，1.4 m有效波高屬于非常大的波高，且波浪與船舶夾角45°屬于橫浪，所以船舶運動量大且運動復雜。

5.2 不同水位和潮流下的結果對比

高水位(2.6 m)和低水位下(0.6 m)下，護舷和系纜力差別不大(差別不超過8%)。但低水位船舶運動量比高水位船舶運動量大30%左右。原因可能與碼頭面高程有關，低水位下碼頭面高程與船舶系纜點高差較大。

潮流影響很小。經(jīng)過敏感性分析，潮流對計算結果影響值為系纜力20 kN、護舷反力50 kN。主要是因為波浪較大，潮流影響相對非常小，對結果不敏感。

6 結論

1)拖輪泊位在橫浪較大的情況時，采用動態(tài)系泊分析軟件計算船舶撞擊能量大于規(guī)范計算結果，約為其2.3倍。

2)推薦拖輪允許運動量控制標準：正常運營工況縱移1.5 m、橫移1.0 m；極端工況縱移2.0 m、橫移1.5 m。

3)推薦拖輪系泊橫浪限制波高為正常運營工況有效波高0.4 m、極端工況為1.4 m。

4)拖輪雖可在較大的橫浪下系泊，但運動量非常大，需要更大吸能量護舷和更多纜繩，特別是需要對系船柱纜繩等進行改造，但建議極端工況盡可能離泊。后續(xù)有條件的工程，可進一步開展整體物理模型試驗驗證。