大型集裝箱船碼頭系泊及抗臺(tái)風(fēng)計(jì)算分析

張 鼎，黃 維，俞 赟

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著船舶的大型化發(fā)展以及大型深水開敞式碼頭相繼建成，船舶的系泊問題得到了越來越多的重視。大型船舶在惡劣的環(huán)境條件下一旦發(fā)生系泊纜斷裂，將會(huì)發(fā)生船舶撞毀碼頭并造成自損的事故，后果將非常嚴(yán)重[1]。因此針對(duì)船舶系泊問題進(jìn)行研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前已取得了一定的研究成果[2,3]：施加合理的預(yù)張力，可均衡纜繩張力；系泊時(shí)，在系泊碼頭條件許可的情況下，要盡量避免部分纜繩過短，增加纜繩長(zhǎng)度可降低纜繩張力。

1 碼頭系泊計(jì)算模型

1.1 碼頭系纜模式

碼頭纜繩系泊是船舶系泊的基本方式，其效果的好壞取決于系泊模式和纜繩配置。目前，關(guān)于大型集裝箱船碼頭系泊布置的參考規(guī)范少見報(bào)道，本文的系泊布置主要參照OCIMF[4]（石油公司國(guó)際海事論壇）液貨船規(guī)范相關(guān)要求，包括如下原則性建議：

1) 系泊纜的布置盡量關(guān)于船的舯剖面對(duì)稱，且倒纜和橫纜的數(shù)量一般是偶數(shù)，如果使用的橫纜數(shù)不是偶數(shù)，多余的纜索一般用在艉部；

2) 橫纜盡量垂直于船的中縱剖面，且盡量接近船首或船尾；

3) 倒纜盡量與船的中縱剖面平行；

4) 盡量減小系泊纜的垂向角度。

1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)包括局部坐標(biāo)系和整體坐標(biāo)系，如圖1所示。局部坐標(biāo)系x軸正向朝向船首，y軸正向朝向右舷，z軸正向向下；整體坐標(biāo)系X軸正向朝北，Y軸正向朝東，Z軸正向向下，且坐標(biāo)原點(diǎn)一般取在水線面中點(diǎn)。風(fēng)、浪、流力方向沿坐標(biāo)軸方向?yàn)檎胤较蜓仨槙r(shí)針為正。

1.3 環(huán)境載荷

風(fēng)載荷和流載荷的研究較為成熟，根據(jù)物體的形狀阻力系數(shù)和各船級(jí)社及相關(guān)規(guī)范要求可以估算出風(fēng)載荷和流載荷，或者采用風(fēng)洞和水池試驗(yàn)測(cè)出風(fēng)力和流力系數(shù)。本文風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)參照OCIMF選取，且根據(jù)文獻(xiàn)[5]計(jì)算環(huán)境載荷。

1.4 設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

根據(jù)BV規(guī)范[6]，準(zhǔn)動(dòng)力分析中在完整狀態(tài)(即無纜繩破斷)下各纜繩受力的最小安全系數(shù)許可值為 1.75，其中最小安全系數(shù)為破斷載荷/纜繩最大張力。

圖1 參考坐標(biāo)系

2 碼頭系泊受力計(jì)算

2.1 船舶主尺度

本文分析對(duì)象為某10000TEU 集裝箱船，其主尺度如表1所示。

表1 船舶主尺度

2.2 系泊布置

根據(jù)該船舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果，并按照規(guī)范要求，纜繩數(shù)量為 11根。由于規(guī)范中規(guī)定的系泊索數(shù)量是最低要求，參照目前已運(yùn)行同類船型的系泊索配置及1.1節(jié)的纜繩布置基本原則，該船的系泊布置如圖2、3所示，船首和船尾各8根纜繩。且在碼頭靠泊對(duì)應(yīng)位置，沿吃水方向雙層布置鼓形護(hù)舷，設(shè)計(jì)變形量為52%，最大反力值為560kN。經(jīng)ARIANE7.0.2軟件[7]計(jì)算效果圖如圖4所示。

圖2 船尾系泊布置

圖3 船首系泊布置

2.3 環(huán)境條件

根據(jù)OCIMF有關(guān)資料，對(duì)無限航區(qū)系泊力的計(jì)算是基于以下狀態(tài)，即來自任何風(fēng)向下60kn的風(fēng)速以及同時(shí)包括以下任意一個(gè)條件：1) 0°或180°流向下3kn的流速；2) 10°或170°流向下2kn的流速；3) 流載荷最大的流向下0.75kn的流速。

根據(jù)船東提供的靠泊碼頭環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，碼頭區(qū)域波高較小，可以忽略其對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響，計(jì)算采用的環(huán)境條件只考慮風(fēng)和流的組合；可能遭遇的最大風(fēng)速為40kn，將其作為碼頭系泊的正常海況。根據(jù)OCIMF建議，可將60kn風(fēng)速定為臺(tái)風(fēng)海況。限于篇幅，本文只計(jì)算危險(xiǎn)的環(huán)境條件組合：離岸風(fēng)（東向作用）、API風(fēng)譜、流向180°。具體風(fēng)、流環(huán)境條件組合如表2所示，計(jì)算采用的碼頭水位為20m。

表2 環(huán)境條件

2.4 系泊纜

選取兩種纜繩進(jìn)行計(jì)算分析，材料1為尼龍12股編織繩，材料2為12股烯烴聚合物編織繩。為了對(duì)比分析彈性模量對(duì)纜繩受力的影響，假定兩種材料的破斷載荷、直徑和單位重量等參數(shù)均相同，如表3所示。

圖4 系泊系統(tǒng)計(jì)算效果

表3 材料屬性

2.5 時(shí)域計(jì)算結(jié)果分析

基于BV系泊分析軟件ARIANE7.0.2，通過時(shí)域計(jì)算方法模擬3h內(nèi)系泊系統(tǒng)在正常海況和臺(tái)風(fēng)海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到該船各系泊纜的受力、系泊纜的主要狀態(tài)參數(shù)包括預(yù)張力和剛度特性，在此基礎(chǔ)上，首先分析預(yù)張力、纜繩材料剛度對(duì)纜繩受力的影響，同時(shí)通過纜繩數(shù)量變化，分析系泊布置對(duì)纜繩受力的影響，最后計(jì)算分析給定系泊布置在臺(tái)風(fēng)海況下的系泊狀態(tài)。

2.5.1 預(yù)張力影響

預(yù)張力是指在無環(huán)境載荷的狀態(tài)下，通過絞車絞緊提供給系泊纜的初始張力。本文預(yù)張力的取值分別為60kN、80kN、100kN、120kN、140kN、160kN和180kN。圖5表示預(yù)張力大小與系泊系統(tǒng)中各纜繩受力的最大值與最小值的差值相對(duì)于最大值的變化率的關(guān)系，從圖5可見預(yù)張力越大，相對(duì)變化率越小，即纜繩受力的最大值與最小值的差值相對(duì)較小，纜繩上受力趨于均衡。同時(shí)，由圖6可知，隨著預(yù)張力變大，纜繩最大受力逐漸變大，即最小安全系數(shù)逐漸變小。可見預(yù)張力并非越大越好，在系泊系統(tǒng)計(jì)算分析中設(shè)置一個(gè)合理大小的預(yù)張力是關(guān)鍵的一步。基于纜繩受力分配和最小安全系數(shù)的考慮，本文選取的預(yù)張力大小為120kN。

圖5 預(yù)張力與纜繩受力相對(duì)變化率之間的關(guān)系

圖6 預(yù)張力與纜繩最大受力之間的關(guān)系

2.5.2 纜繩材料剛度影響

系泊纜的剛度對(duì)碼頭系泊系統(tǒng)有著重要的影響，且系泊纜的剛度與材料的彈性模量密切相關(guān)，剛度越大，彈性模量值越大。本節(jié)計(jì)算分析了預(yù)張力為120kN、環(huán)境條件為正常海況下材料彈性模量對(duì)纜繩受力的影響。如圖7所示，材料1每根纜繩的最大受力均比材料2的對(duì)應(yīng)值要小，主要原因在于材料1的彈性模量比材料2要小，其剛度較小，彈性伸長(zhǎng)量大，各根纜繩上受力更易均衡分配。可見纜繩剛度越大，其系泊張力越大。

2.5.3系泊布置影響

對(duì)于上層建筑在艉部的船舶，由于船尾受風(fēng)面積較大，艉纜的受力比艏纜要大。為了分析增加纜繩數(shù)量是否改善艉纜的受力狀態(tài)，根據(jù)目標(biāo)船系泊絞車布置及碼頭系纜墩布置特點(diǎn)，在 2.2節(jié)所述系泊布置基礎(chǔ)上（原有纜繩編號(hào)不變），計(jì)算分析以下兩種方案：1) 增加3根倒纜，帶在帶纜樁上，即圖8所示的17號(hào)和圖9所示的18～19號(hào)纜繩，此方案系泊布置的纜繩為1～19號(hào)；2) 增加1根橫纜，帶在帶纜樁上，即圖8所示的20號(hào)纜繩，此方案系泊布置的纜繩為1～16號(hào)和20號(hào)。其中纜繩材料為材料1，預(yù)張力為120kN。

圖7 每根纜繩的最大受力

圖9 增加纜繩后船首系泊布置

表4為增加纜繩數(shù)量后每根艉纜受力情況對(duì)比，從表中可以看到3種布置方案下5號(hào)和6號(hào)纜繩（由船舷引出的橫纜）的受力均較大，原因可歸結(jié)為纜繩從船舷導(dǎo)纜孔引出點(diǎn)到碼頭系纜墩部分的長(zhǎng)度較短，且垂向角度較大（約60°左右），纜繩彈性的減少增加了受力。故碼頭系泊布置要盡量避免纜繩垂向角度過大，否則由于纜繩過短，彈性減少過多導(dǎo)致纜繩受力過大。原布置受力最大的6號(hào)纜繩在方案一（19根纜）和方案二（17根纜）情況下最大受力的減小幅度大致相同，可見纜繩配置數(shù)量并非越多越好，在6號(hào)纜周圍增加一根橫纜在一定程度上可以改善纜繩的受力狀態(tài)。

表4 每根艉纜最大受力對(duì)比

2.5.4 臺(tái)風(fēng)海況下系泊計(jì)算結(jié)果

分析所用的環(huán)境條件為臺(tái)風(fēng)海況[8]，具體環(huán)境條件參數(shù)如表 2所示，且纜繩材料為材料 1，采用 2.2節(jié)的系泊布置方案，計(jì)算結(jié)果如表5所示。計(jì)算結(jié)果表明，最小安全系數(shù)滿足1.4節(jié)的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)要求，系泊方案可滿足臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下的系泊系統(tǒng)安全要求。

表5 系泊計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

以某 10000TEU 集裝箱船為例，基于時(shí)域計(jì)算方法分析了預(yù)張力、纜繩材料剛度和系泊布置等對(duì)纜繩受力的影響，且進(jìn)行了抗臺(tái)風(fēng)計(jì)算分析，得到了以下結(jié)論：

1) 從纜繩受力均衡和最小安全系數(shù)角度考慮，預(yù)張力大小建議取纜繩破斷載荷的10%；

2) 纜繩材料彈性較好，則纜繩受力較小；

3) 由于短纜受力較大，對(duì)經(jīng)常停靠惡劣海況碼頭的船舶，要定期檢查由船舷引出的短纜是否有破損；

4) 該系泊系統(tǒng)方案可滿足臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下的碼頭系泊安全要求，為保證實(shí)船在惡劣海況下的碼頭系泊安全提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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