大型雙體船碼頭防臺系泊帶纜受力計(jì)算預(yù)報(bào)研究

摘" " 要：船舶系纜力不僅受到風(fēng)、浪、流等自然條件，還有船型、噸位、載重量等船舶自身因素以及纜繩材料、系纜方式及碼頭設(shè)施等一系列因素的影響。本文以模型船為例，通過對帶纜受力各輸入要素的研究，簡化建立某船模型，采用MOSES軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對某船碼頭防臺系泊帶纜受力進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，提出改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)，提高了碼頭防臺系泊帶纜安全性，可為其他船舶相應(yīng)碼頭防臺系泊帶纜提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：碼頭防臺；系泊方法；受力計(jì)算

中圖分類號：U674.34 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on the Calculation and Prediction of the Mooring Force of a Large Catamaran in Dock Against Typhoon

LI Jian1，" KE Taiyong1，" Xu Miaoshu1，" LIAO Youjiang2

（ 1.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" Guangzhou 510715， China; 2.Zhuhai Gree Sheng Technology Co.， Ltd.，" Zhuhai 519030， China ）

Abstract： The mooring force of a ship is not only influenced by natural conditions such as wind， waves and current， but also by the ship’s own factors such as ship type， tonnage and deadweight， as well as a series of factors such as cable materials， mooring methods and dock facilities. This paper takes the model ship as an example， simplifies the establishment of one ship model through the study of various input elements of the mooring line and uses MOSES software for numerical calculation. According to the calculation results， the mooring force of a ship’s wharf typhoon defence is analyzed and predicted， and the improvement measures and precautions are put forward to improve the safety of mooring cables for wharf typhoon defence， which would provide reference and inspiration for other ships’ corresponding dock anti typhoon mooring cables.

Key words： wharf typhoon defence;" mooring methods;" force calculation

1" " 引言

對于在臺風(fēng)影響下的船舶系泊模式，目前沒有規(guī)范可以參考。南方地區(qū)夏季臺風(fēng)多發(fā)，破壞力強(qiáng)，針對大型雙體船干舷高、上建側(cè)投影面積大、受風(fēng)面積大， 通過對大型雙體船碼頭建造階段的防臺系泊模式研究，確保臺風(fēng)來襲時(shí)船舶的系泊安全。為此，本文在分析我司碼頭平面布置及風(fēng)、浪、流、潮汐等因素的基礎(chǔ)上，提出采用Moses數(shù)值計(jì)算軟件，應(yīng)用“準(zhǔn)靜態(tài)”方法，計(jì)算系泊帶纜受力。研究所獲的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可用于我司碼頭系泊大型雙體船防臺工作參考。

2" " "帶纜受力分析各輸入要素研究

由于船舶帶纜受力不僅受到風(fēng)、浪、流等自然條件的影響，還有船型、噸位、載重量等船舶自身因素以及纜繩材料、系纜方式及碼頭設(shè)施等一系列因素。先對影響帶纜受力的各輸入要素進(jìn)行分析研究。

1）碼頭

防臺纜繩的布置需要確定碼頭及其帶纜樁，根據(jù)碼頭水深、帶纜樁布置及我司防臺經(jīng)驗(yàn)，選定某碼頭為系纜防臺碼頭，“L”型碼頭能提供更強(qiáng)的系纜力。

2）船舶吃水

根據(jù)大型雙體船靜水力數(shù)據(jù)查得：船舶建造期間，吃水將介于6 m～7 m之間。防臺時(shí)增加船舶吃水有利于降低船舶重心、減少受風(fēng)面積，從而減少作用于船舶的風(fēng)力，提高船舶安全。因此受力分析時(shí)選取船舶吃水為7 m。確定的船舶吃水可以簡化計(jì)算工作量及得出量化結(jié)果。

3）潮汐

碼頭水域?qū)儆诟谐焙佣?，受珠江口的潮汐影響。根?jù)黃埔港潮汐表及臺風(fēng)時(shí)期碼頭水位（達(dá)到4 m），計(jì)算中分別取潮汐為0 m、2 m和4 m三種工況。

4）風(fēng)

廣州多年平均風(fēng)速2.7 m/s，年風(fēng)向多東風(fēng)，次為東北風(fēng)。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》給出的廣東地區(qū)沿海港口離地10 m高處，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.6～0.9 kPa[1]，經(jīng)風(fēng)壓計(jì)算公式換算得到對應(yīng)計(jì)算風(fēng)速為30.98～37.95 m/s。因此在風(fēng)力計(jì)算中取值14級風(fēng)速下限42 m/s、12級風(fēng)速上限36 m/s，可滿足防臺需求。

5）流

碼頭所在河段河面較平緩，碼頭前沿水域?yàn)榘敕忾]港池，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算中可取水流流速為0.5 m/s。

6）波浪

碼頭所在河段河面較窄、風(fēng)區(qū)較短、風(fēng)生波小，故波浪較小。另外，航行的大部分船舶航速低，船舶航行引起的船行波也很小。碼頭前沿水域?yàn)榘敕忾]港池，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算中波高可取為0.5 m。

3" " "系纜力計(jì)算方法研究

系纜力是系泊船舶在自然條件下船體、系纜、碼頭以及護(hù)舷之間相互作用。為了確定系纜力，主要基于兩種方法：1）通過物理模型，通過安置在纜繩上的力學(xué)傳感器來實(shí)時(shí)記錄纜繩的受力情況；2）利用理論知識通過建立系泊船舶的數(shù)學(xué)模型并計(jì)算出系泊船舶在特定工況下的運(yùn)動，再結(jié)合纜繩材料的自身特性來計(jì)算出纜繩張力。本文采用后一種方法確定系泊系纜力。

3.1" "數(shù)值計(jì)算軟件及基本原理分析

本文采用MOSES軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。MOSES是一個(gè)為海上結(jié)構(gòu)物、船舶的靜水、動水分析的軟件。它被廣泛用于模擬分析運(yùn)輸和海上平臺安裝以及設(shè)計(jì)及計(jì)算上浮動海上系統(tǒng)。利用MOSES仿真和分析可以高效解決海洋工程施工中的各種復(fù)雜問題。

運(yùn)用MOSES軟件分析計(jì)算船舶系泊狀態(tài)系纜受力的計(jì)算分成2個(gè)部分，頻域部分和時(shí)域部分。頻域部分基于切片原理，根據(jù)輸入的環(huán)境力參數(shù)計(jì)算船舶響應(yīng)。時(shí)域部分綜合考慮風(fēng)、波、流產(chǎn)生的環(huán)境力，以及系泊系統(tǒng)、推進(jìn)器等設(shè)備施加在船舶上的載荷，在動力模擬方程中進(jìn)行求解，獲得時(shí)間歷程上的各個(gè)參數(shù)。時(shí)域計(jì)算運(yùn)動方程如下[2]：

（1）

式中：Mij為i行j列基本質(zhì)量陣；Cij為i行j列剛度陣；Fw為波浪力；aij為附加質(zhì)量陣；Rij為延遲函數(shù)陣；X為運(yùn)動量陣；Fm為系泊錨纜張力；Fc為流力；Ffen為護(hù)舷反力；Fwind為風(fēng)力；n為系纜線數(shù)量。

3.2" "風(fēng)與流作用力

由于船舶的系纜力主要是由風(fēng)力和水流力作用下產(chǎn)生，風(fēng)力和水流力為[3]：

式中：ρ為空氣或水的密度；A為受風(fēng)面積或浸水面積；CD為風(fēng)力或水流力系數(shù)，一般對于船體均取1.0；V為風(fēng)速或水流速度，對于風(fēng)速軟件計(jì)算中使的為NPD風(fēng)譜。

3.3" "波浪平均漂移力

作用在船舶上的水平平面內(nèi)的平均波浪漂移力，可以通過計(jì)算線性動量和角動量的變化率的方式來求出。線性動量和角動量的變化率可以表示為[4]：

式中：G為線性動量；H為角動量；V為流體速度；Un為物體表面的法線速度；Vn為流體垂直于物體法向速度；r為物體表面點(diǎn)的位置向量（相對于重心）；N為物體表面單位法向向量；ρ為流體密度；P為流體壓強(qiáng)；S為物體濕表面；Sf為流體的自由表面；Sin為無窮遠(yuǎn)處出的大圓柱面；Sb為水底。

物體沒有前進(jìn)速度，在水平面內(nèi)的力和力矩可以寫成如下形式：

通過對上述式子求時(shí)間平均來求解平均作用力和力矩。等式的最后一項(xiàng)是周期性的，所以從一個(gè)周期到另一個(gè)周期沒有凈增量。在極坐標(biāo)系中，平均力和力矩可以寫成如下形式：

式中：VR，Vψ為極坐標(biāo)速度分量；P為液體壓強(qiáng)。

4" " "模型簡化與建立

4.1" "坐標(biāo)系及環(huán)境方向定義

分析中所使用的船舶自身坐標(biāo)系及環(huán)境方向的定義如圖1所示。其中，Z軸原點(diǎn)在基線，向上為正。

4.2" "計(jì)算模型

該船長約為96 m、型寬28 m，根據(jù)簡化外形型線，建立船舶外殼。船舶停泊吃水為7.0 m，總重量根據(jù)排水量求得，重心高度為基線以上11.0 m。碼頭前沿水域?yàn)楦鄢?，屬于半封閉水域，浪高不超過0.5 m，流速小于0.5 m/s，流載荷及波浪載荷占比小。上層建筑也進(jìn)行了簡化，但保證其風(fēng)載荷不小于簡化前。考慮到碼頭高度的遮蔽效應(yīng)，假設(shè)水面到碼頭地面高度之間部分不受風(fēng)力的作用。簡化后的計(jì)算模型如圖2所示。

4.3" "纜繩的模擬

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，十字斜纜擬采用鋼絲繩，首尾橫纜采用尼龍繩，碼頭防臺帶纜如圖3所示。分析中，把鋼絲繩和尼龍繩的剛度、截面積、長度等模擬進(jìn)MOSES的計(jì)算模型中。鋼絲繩和尼龍繩為只受拉模型，一端穿過船上的導(dǎo)纜孔固定在帶纜樁，一端固定在岸邊碼頭的帶纜樁。

其中，纜繩的具體規(guī)格要求如表2所示，典型防臺帶纜方案如圖3，共13根纜繩。

4.4" "靠球的模擬

防臺碼頭系泊時(shí)，為減少船舶與碼頭護(hù)舷之間的碰撞力，在船舶與碼頭之間加裝3個(gè)規(guī)格為2.5m×4m的靠球作為緩沖。計(jì)算中把靠球的剛度曲線模擬進(jìn)MOSES的計(jì)算模型中，見圖4所示，靠球參數(shù)見表3所示，靠球?yàn)橹皇軌旱姆蔷€性模型。

5" " 典型工況下帶纜受力計(jì)算

碼頭前沿水域?yàn)楦鄢?，屬于半封閉水域，浪高不超過0.5 m，波浪引起的船舶運(yùn)動響應(yīng)很小，取風(fēng)力值14級風(fēng)速下限42 m/s和12級風(fēng)速上限36 m/s分別進(jìn)行計(jì)算。

5.1" "在風(fēng)速42 m/s時(shí)的計(jì)算

1）環(huán)境條件及計(jì)算工況

假定風(fēng)、浪和流三者同向，且認(rèn)為風(fēng)、浪和流有可能從各個(gè)方向來，因此每隔45°取一工況作為環(huán)境方向，共取8個(gè)環(huán)境方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°）。分析中的潮汐、風(fēng)浪流大小、船船吃水以及工況定義如表4所示。

2）環(huán)境力

在上述環(huán)境條件的作用下，船舶在風(fēng)速為42 m/s時(shí)的各工況下所產(chǎn)生的環(huán)境力分別列于表5中。

3）纜繩力計(jì)算結(jié)果

船舶在風(fēng)速為42 m/s時(shí)的各工況下，潮汐越高纜繩受力越大，典型防臺帶纜工況之一（W42-3）部分纜繩超出帶纜樁的安全工作負(fù)荷，未超出纜繩最小破斷負(fù)荷。具體情況如表5所示，其余均滿足帶纜樁和纜繩的工作負(fù)荷要求。

5.2" "在風(fēng)速36 m/s時(shí)的計(jì)算

1）環(huán)境條件及計(jì)算工況

分析中假定風(fēng)、浪和流三者同向，且認(rèn)為風(fēng)、浪和流有可能從各個(gè)方向來，因此每隔45°取一工況作為環(huán)境方向，共取8個(gè)環(huán)境方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°）。從5.1節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，潮汐越高纜繩受力越大，因此，本節(jié)只對風(fēng)速36 m/s時(shí)最高潮位的工況進(jìn)行分析。分析中的潮汐、風(fēng)浪流大小、船船吃水以及工況定義如表7所示：

2）環(huán)境力

在上述環(huán)境條件的作用下，船舶在風(fēng)速為36 m/s以及最高潮時(shí)的工況下所產(chǎn)生的環(huán)境力列于表8中。

3）纜繩力計(jì)算結(jié)果

船舶在風(fēng)速為36 m/s以及最高潮的工況下，每根纜繩在環(huán)境條件作用下的受力如表9所示。

6" " "計(jì)算結(jié)果預(yù)報(bào)分析

從計(jì)算結(jié)果分析，可知：

1）從載荷組成及所占比例看，風(fēng)載荷占比最大，而流載荷及波浪漂移力占比較小，因此風(fēng)載荷為主要載荷；

2）在風(fēng)速36 m/s時(shí)，單根纜繩最大系纜力為25.4 t，未大于25.5 t（碼頭帶纜樁的SWL），但由于部分帶纜樁帶兩根纜繩，組合LP71amp;LP72、組合LP41amp;LP51合力大于SWL，該兩處帶纜樁需要進(jìn)行改造，才能滿足12級臺風(fēng)；

3）在風(fēng)速為42 m/s時(shí)，最大系纜力達(dá)到了33.6 t，系纜力大于25.5 t，超過了碼頭帶纜樁的SWL，部分帶纜樁帶兩根纜繩，組合LP11amp;LP12、組合LP41amp;LP51、組合LP71amp;LP72、組合LS11amp;LS12、單根帶纜LP62的系纜力超過了碼頭帶纜樁的SWL，該五處帶纜樁需要進(jìn)行改造，才能滿足14級臺風(fēng)。另外，碼頭需要增設(shè)系纜設(shè)備，需要在船頭適當(dāng)?shù)奈恢迷黾訖M纜，才能滿足抗臺需求。

4）分析結(jié)果可以看出，潮位對系纜力影響較大；潮位高時(shí)，受風(fēng)面積高出岸邊地面多，系纜力與水平面的夾角角度大，導(dǎo)致系纜力顯著增大。

5）系纜時(shí)，應(yīng)根據(jù)高潮水時(shí)的情況（潮汐變化）及時(shí)調(diào)整纜繩長度，以避免由于漲潮船體升高，而拉伸纜繩產(chǎn)生的力。另外，每根纜繩的松緊應(yīng)盡量保持一致，使其受力更均勻。

7" " "結(jié)論

通過計(jì)算分析，對系泊方案做了改進(jìn)，主要是增加了船艏及船尾橫向受力的纜繩，用于抵抗船舶受到的臺風(fēng)側(cè)向力，并提出改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)，提高碼頭防臺系泊帶纜安全性，確保臺風(fēng)來襲時(shí)船舶的系泊安全。

參考文獻(xiàn)

[1]港口工程荷載規(guī)范 [S]. 北京：中華人民共和國交通運(yùn)輸部 ， 2010.

[2] 朱仁傳 ， 繆國平 . 船舶在波浪上的運(yùn)動理論 [M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社 ， 2019.

[3] ABS Rules For Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].Houston：ABS， 2014.

[4] 陳奇.長周期波浪作用下的大型船舶系泊特征研究[D] 舟山：浙江海洋學(xué)院，2014.

[5]船舶與海上技術(shù) 充氣橡膠靠球：GB/T 21 482-2019 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 ， 2019.