基于纜樁表面應力的船舶纜繩載荷測量方法

鄭劍，肖英杰，白響恩，陳亮，張浩

(上海海事大學a.商船學院;b.航運仿真技術教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

船舶纜繩載荷測量方法是研究船舶纜繩載荷和碼頭纜樁配置的重要應用技術，未來可作為船舶纜繩載荷監測系統的關鍵技術之一，并成為港口生產作業安全保障系統的重要組成部分.近年來，沿海港口開始興建一批配備系纜樁的大型開敞式碼頭，這些碼頭所處水域掩護條件較差，風、浪、流條件比較惡劣，船舶系泊時纜繩載荷大、測量難度高，給船舶纜繩載荷測量帶來新問題.

國外開展纜繩載荷測量的研究較早，在配備快速脫纜鉤碼頭的船舶纜繩載荷測量上已取得較好進展，主要是采用銷軸式傳感器替換脫纜鉤拉板與耳環套之間的連接銷，使其在承擔連接作用的同時進行纜繩載荷的間接測量.［1-2］國內在這方面的研究起步較晚，但已取得許多成果.田耕［3］發明一種銷式測力傳感器及船舶纜繩張力監測系統，其中設測力傳感器為脫纜鉤底座與脫纜鉤的連接軸，將傳感器中的傳感元件作為壓力傳感元件設置在銷軸內部.王鳳龍等［4］發明適用于海洋工程模型試驗的可旋轉的懸臂式測力計及其測量纜繩拉力的方法，測力計由測力裝置、保護裝置和數據處理裝置組成，其感應片與外界接觸，對測量環境適應性較好.大連理工大學海岸和近海國家重點實驗室在大連30 萬噸級原油碼頭現場，將加速度傳感器安裝在纜繩上測量30 萬噸級“GRAND KING”輪的纜繩載荷.［5］徐寶富等［6］設計一種無線纜繩張力監測系統，用于工程施工纜繩張力的無線實時測量.邱占芝等［7］針對大型碼頭系泊的現狀和技術要求，利用計算機軟硬件技術，實時監控每根系纜的張力、護舷壓縮量和環境參數，實現遠程控制室的系泊自動監控與可視化、安全預警和信息的集中管理.馬洪連等［8］采用以S3C2410為核心的嵌入式硬件系統，定制并移植Windows CE 作為操作系統平臺，以CAN 總線方式實現通信，最終實現船舶系泊監測的自動化.

上述纜繩載荷測量方法主要是針對安裝快速脫纜鉤的碼頭和海洋環境模型試驗的需要而設計的，難以適用于目前配備系纜樁的碼頭.在纜繩上直接安裝傳感器的測量方式在工程實踐中會妨礙船舶正常的靠離泊作業，甚至可能由于纜繩載荷過大使安裝在纜繩上的傳感器發生損壞而導致生產作業事故，因此直接測量方式安全風險較大.本文提出一種基于纜樁表面應力測量的船舶纜繩載荷間接測量方法，以滿足配備系纜樁的碼頭船舶纜繩載荷短時間的研究性安全測量需求，為船舶纜繩載荷的測量及碼頭設計研究提供實際數據，還可作為今后船舶纜繩載荷監測系統研究的核心技術之一.

1 測量原理及結構

當船舶系泊在碼頭上時可能會受到風、流、浪的共同作用而向碼頭外側移動，使系在系纜樁上的纜繩收緊時產生纜繩載荷.

如圖1 所示，假設纜繩收緊時將所受載荷在O 點施加給纜樁，此時纜樁頂部受到沿纜繩方向的拉力F.將拉力F 分解到纜樁的軸向和徑向，得到軸向載荷F1和徑向載荷F2.F1造成纜樁軸向拉伸變形，F2造成纜樁的彎曲變形，此時纜樁將產生拉伸與彎曲的組合變形.纜樁表面應力由F1引起的拉伸應力和F2引起的彎曲應力疊加而成.

本文提出的船舶纜繩載荷間接測量原理是:采用應變電測法測量纜樁表面的應力，建立在纜繩載荷作用下測點應力的理論計算模型，將纜樁表面測點應力的測量值和理論計算模型聯立方程組，求解得到纜繩載荷軸向和徑向分量值，最終合成所求的纜繩載荷值.

圖1 纜樁結構及受力分析

為配合測量值和理論計算模型聯立方程組，并確保應變傳感器能測量到顯著的纜樁表面應變量，將應變計測點布置在纜樁拉伸變形一側的纜樁根部，在相同橫截面上共布置2個應力測點A1和A2(見圖2).

依據上述原理搭建的基于虛擬儀器技術的船舶纜繩載荷測量系統主要由3 部分組成:常溫單軸應變計;數據采集卡;具有信號處理、纜繩載荷求解算法、結果顯示和存儲等功能的計算機處理系統(見圖3).

2 纜樁表面測點應力理論計算模型

纜樁主體由柱殼和柱心填料構成(見圖1)，柱殼一般采用鑄鋼或鑄鐵，柱心填料采用素混凝土或瀝青混凝土［9］.

圖3 船舶纜繩載荷間接測量系統結構

2.1 拉伸應力計算

由于纜樁軸向載荷作用線不通過纜樁軸心，纜樁截面將出現軸向載荷作用不均勻現象.為克服這種受力不均勻現象，將F1附加一個力偶后平移至軸心(如圖1)，這個附加力偶的矩為F1對軸心的矩，即MZ=F1×R，R為纜樁橫截面的半徑.平移之后，F1產生的拉伸應力均勻分布在纜樁橫截面上.

當纜樁由F1引起軸向拉伸后，各縱向線段的線應變相同，故各測點由F1引起的拉伸應變ε'均相同，根據胡克定律，

式中:A1為柱殼橫截面面積;A2為柱心填料橫截面面積;E1為纜樁柱殼的彈性模量;E2為柱心填料的彈性模量.那么，軸向力引起的拉伸應力

由式(1)，ε'可以表示為

2.2 彎曲應力計算

F2造成纜樁彎曲變形，且纜樁橫截面上只有對中性軸z 軸的彎矩作用，由于纜樁的彎曲剛度很大，所產生的彎曲變形很小，由軸向載荷所引起的附加彎矩很小，可略去不計.則纜樁橫截面上的彎矩M為柱殼橫截面上的彎矩M1與柱心填料橫截面上的彎矩M2之和，即

式中:M為F2產生的彎矩與軸向載荷平移產生的彎矩之和，即M=F1R+F2l;l為纜樁受纜繩載荷點到測點橫截面的距離.那么，測點處的彎曲應力

式中:y為測點到z 軸的距離.

因此，測點處的彎曲應力

式中:σ″i為測點i 處的彎曲應力;yi為測點i 到z 軸的距離.

2.3 測點應力的疊加

在分別計算測點F1引起的拉伸應力和F2引起的彎曲應力后，可用疊加原理［10］求得兩種載荷共同引起的測點應力

3 纜繩載荷值求解

4 實驗驗證

4.1 實驗器材與裝置

為考慮實驗安全因素，在實驗室模擬纜樁系纜時的受力狀態，測試裝置軟硬件匹配情況，記錄系統測得的數據，并與標準值進行比對以驗證測量的準確性.

實驗材料與裝置:實驗纜樁(半徑79.62 mm;柱殼厚度6 mm，彈性模量E1取200 GPa，泊松比0.3;無柱心填料(此時E2取0))、破斷力20 kN的船用鋼絲纜、拉力計(連接在纜繩與絞纜機之間)、絞纜機、350 Ω 常溫單軸應變計、數據采集卡(美國國家儀器公司NI9237)、計算機(見圖4).

圖4 實驗器材及裝置

4.2 實驗結果分析

利用絞纜機與船用鋼絲纜繩模擬船舶系泊時的帶纜狀態，在絞纜機絞纜產生不同的纜繩拉力時由船舶纜繩載荷間接測量系統測出相應數據，并與拉力計直接測量到的數據進行對比，以確定系統的誤差和工作可靠性.實驗分兩組進行，每組進行4個纜繩載荷值的測量實驗，并使絞纜機產生持續一段時間的穩定的纜繩載荷值(見圖5和6中圈出的部分).圖5和6中數據的擾動是由操作過程中絞纜機拉力輸出不連續造成的，對本組實驗不造成影響，實驗測量得到的數據為穩定的纜繩載荷值.

圖6 第2 組實驗數據

在實驗后將船舶纜繩載荷測量系統和拉力計直接測量所測得的測量值與標準值進行誤差對比分析(見表1).實驗結果顯示:本方法精度較高，誤差在5%以內;在小載荷下也具有較好的測量效果，能滿足船舶纜繩載荷測量的需要.

表1 船舶纜繩載荷測量數據

5 結束語

針對船舶纜繩載荷直接測量方式的缺陷，提出以利用應變電測法的纜樁表面應力測量為基礎，建立纜樁表面應力理論計算模型，將測量值與理論計算模型聯立方程組求解得到纜繩載荷值，實現對纜繩載荷的無接觸測量.實驗表明，本方法的測量結果準確性高.船舶纜繩載荷測量系統結構簡單、操作方便，在使用過程中不會影響船舶靠離泊作業及船舶系泊安全，可為船舶纜繩載荷的研究和碼頭設計研究提供實際數據.

在今后的研究中，可在本文測量方法的基礎上，增加考慮船舶因受風、浪、流的影響引起的纜繩時緊時松所產生的沖擊載荷作用，這種瞬間沖擊作用會使纜繩張力達到其靜態加載張力的1～3 倍.

［1］Harbor＆Marine Engineering Company.Vessel mooring and monitoring systems［EB/OL］.［2012-04-23］.http://www.trelleborg.com/en/Marine-Systems，2011.

［2］Strainstall UK Limited.The mooring load monitoring system［EB/OL］.［2012-03-20］.http://www.strainstall.com/，2011.

［3］田耕.一種銷軸式測力傳感器及船舶纜繩張力監測系統:中國，200820012107.8［P］.2009-01-28.

［4］王鳳龍，孫楊，劉長山.可旋轉的懸臂式測力計及其測量纜繩拉力的方法:中國，01101503.9［P］.2004-02-11.

［5］秦子君，魏昌理.纜繩載荷監測系統在開敞式碼頭的應用與分析［J］.水運工程，2007(9):100-107.

［6］徐寶富，朱杏元，徐鳴謙.纜繩張力無線監測系統［J］.同濟大學學報:自然科學版，2005，33(11):1509-1512.

［7］邱占芝，劉春玲.碼頭系泊實時監控可視化系統的設計與實現［J］.大連交通大學學報，2010，31(5):71-74.

［8］馬洪連，蘆良鑫，李龍.基于ARM 的船舶系泊監測系統設計與實現［J］.儀器儀表學報，2007，28(4):134-136.

［9］中華人民共和國交通運輸部(原中華人民共和國交通部).JTJ297-2001 碼頭附屬設施技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［10］黃孟生.材料力學［M］.北京:中國電力出版社，2007:156-158.