工程船遠洋運輸綁扎固定設計載荷 規范計算方法概述

江新偉 王南海

摘 要：綁扎固定設計載荷是工程船遠洋運輸保證安全的重要因素，也直接影響到整個遠洋運輸方案的經濟性與否。本文結合DNV和ABS船級社規范，對工程船遠洋運輸綁扎固定設計載荷的規范計算方法和步驟作了介紹，研究并歸納總結出了一套通用可行的計算流程，為綁扎固定結構的詳細設計提供了理論數據支持。

關鍵詞：綁扎固定；設計載荷；規范計算；遠洋運輸

中圖分類號：[U-9] 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）8-0071-03

傳統結構物的海上運輸，比如導管架、上部組塊等，綁扎固定設計載荷是基于專業的海洋工程設計軟件直接計算得到的。

對于大型工程船等浮體貨物而言，通常采用半潛船干拖的方式進行遠洋運輸。浮體貨物的特殊結構形式，直接決定了不能直接計算得到綁扎固定設計載荷的特點。

本文旨在根據以往實際項目施工中的一些經驗，并結合DNV和ABS船級社的規范要求，就工程船遠洋運輸綁扎固定設計載荷的規范計算方法和步驟作簡單介紹。

1結構物綁扎固定載荷的直接計算

傳統結構物海上運輸綁扎固定設計載荷，通常使用MOSES和SACS軟件直接計算得到，其載荷主要組成如下：慣性載荷、風載荷。

傳統結構物的底部支撐腿的面積較小，且支撐高度較高，海上運輸過程中比較容易發生傾覆。因此，綁扎固定設計載荷計算時，通常使用斜拉筋形式的固定結構，同時考慮了對底部支撐腿的彎矩載荷的影響。此情況下，可以使用SACS軟件直接計算結構物綁扎固定設計載荷以及進行詳細支撐結構設計。基本步驟如下：①首先使用MOSES軟件創建船舶模型，參考船舶裝載手冊調整船舶的重量分布；②按照設計方案，將結構物的重量重心、受風面積等信息加載到模型對應位置，并調整壓載艙壓載水布置方案至船舶平衡狀態；③計算船舶與貨物整體的穩性和船舶的總縱強度，確保其滿足DNV規范的相關要求；④使用上述滿足規范要求的MOSES模型，加載波浪和風環境載荷，計算結構物重量重心處的運動相應，并提取各個方向的運動加速度；⑤使用SACS軟件建立整體結構模型，將上述步驟計算得到的加速度加載到整體結構模型中，直接計算綁扎固定設計載荷，并參考相關規范的要求，同時對綁扎固定結構進行詳細設計。

2工程船綁扎固定結構設計的理念

對于工程船等浮體貨物遠洋運輸綁扎固定設計載荷，其基本組成部分與傳統結構物相同，即：慣性載荷、風載荷。

工程船的底部通常由枕木支撐，且支撐面積較大，枕木使用固定結構固定在半潛船甲板上。海上運輸過程中，與傳統結構物相比較而言，其發生傾覆的可能性更小。但是工程船結構較為復雜，創建整體結構模型工作量大，且工程船遠洋運輸綁扎固定結構設計的理念與傳統結構物海上運輸綁扎固定結構設計的理念不同[1]：

（1）半潛船在波浪載荷的作用下會發生中拱或中垂，貨物與半潛船甲板之間存在一定的相對運動。綁扎固定結構設計時，需要釋放此部分相對位移產生的載荷；同時，還需滿足在發生最大相對位移時，綁扎固定結構仍可以起到限制貨物運動的作用；

（2）綁扎固定結構只允許承受單方向的正向壓力；

（3）貨物在垂直方向不設計綁扎固定結構；

（4）工程船的綁扎固定結構，通常設計在底部，其設計載荷只考慮工程船的水平運動載荷，而彎矩載荷不予考慮；

（5）綁扎固定結構通常做成標準件的形式，根據工程船固定設計載荷計算結果與標準件單件的設計承載力進行數量和類型組合。

綜合以上設計理念，對于工程船遠洋運輸而言，通常采用規范計算的方法迭加固定載荷的各個組成部分，從而求解得到最終的綁扎固定設計載荷。

3工程船綁扎固定載荷的規范計算

3.1風載荷規范計算

對于工程船遠洋運輸而言，綁扎固定設計載荷中的風載荷組成部分，通常采用規范計算的方法求解得到。

美國船級社（ABS）規范規定，其風速計算參考基準面為距離海平面以上15.3m處，且需要同時考慮以下兩種風速：

（1）平均風速：持續時間為1小時；

（2）陣風風速：持續時間為1分鐘。

參考美國石油協會（API）規范中給出的風速計算公式，可以進行不同高度處、不同持續時間范圍的風速轉化[4]。

為了簡化風載荷的計算過程，ABS規范中引入了形狀系數和高度系數的概念，以此來表述構件形狀、構件不同高度對風載荷大小的影響。表1中列舉出了典型常用結構的形狀系數；表2列舉出了不同高度處的高度系數取值范圍，其高度數值取構件形心至海平面的垂直距離[2]。

目前，ABS規范給出風壓計算公式[2]～[3]：

Fw=fVk2Ch Cs A/1000 （1）

式中，

f：風壓系數，取0.0623；

Cs：構件的形狀系數，見表1；

Ch：構件的高度系數，見表2；

A：受風構件在迎風向的投影面積；

Vk：設計風速。

3.2風傾載荷計算

在持續風載荷的作用下，工程船與半潛船整體會發生一個小角度的橫傾角。橫傾角計算時，使用MOSES軟件進行計算，并同時考慮上述兩種風速。當半潛船出現橫傾角時，工程船重量在橫向會有一個與半潛船甲板平行的分量，即風傾載荷：

Fθ=W×sinθ （2）

式中，

W：工程船重量；

θ：半潛船橫傾角度。

3.3慣性載荷計算

工程船慣性載荷的計算方法，與常規結構物類似，即先由MOSES軟件計算由于船舶運動效應在工程船重心處產生的6個自由度的最大加速度：橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖；然后，使用2個平動自由加速度（橫蕩和縱蕩）分別計算出由加速度產生的橫向和縱向慣性載荷，而垂蕩加速度則用來計算工程船與枕木之間的摩擦力，此部分內容后續做詳細介紹。其中，3個轉動加速度（橫搖、縱搖和首搖）產生的慣性載荷，則用來校核枕木抗壓強度，這里不做過多的敘述。

平動加速度產生的慣性力計算公式如下：

Facc=W×aacc （3）

式中，

W：工程船重量；

aacc：工程船平動加速度。

3.4枕木摩擦力計算

枕木除了為工程船提供垂向支撐外，同時還可以提供一定的摩擦力，用以抵消引起貨物水平運動的部分載荷。工程船與枕木之間的摩擦力計算公式如下：

Ffric=W×fcoe×（1-av ） （4）

式中，

W：工程船重量；

fcoe：許用靜摩擦系數；

av：工程船重心處的垂蕩加速度。

另外，工程船與枕木之間的靜摩擦系數大小，受到如下兩個因素的影響，計算摩擦力時需要進行綜合考慮：

（1）枕木的高度：當枕木高度不超過600mm時，在枕木長度方向和與枕木長度垂直的兩個方向，靜摩擦系數取相同的數值，均不折減；當枕木高度不小于900mm時，通常在與枕木長度垂直的方向設置鋼結構側向支撐，在枕木兩個方向的靜摩擦系數取相同的數值，同樣不進行折減；當600mm<枕木高度<900mm，且枕木寬度不小于300mm時，與枕木長度垂直的方向，靜摩擦系數需要進行折減，折減之后的靜摩擦系數，按照如下公式計算[1]：

（2）工程船在船側方向的最大自由懸臂長度：如果工程船橫向尺寸較半潛船船寬尺寸大且重量較重，超過一定數值時，其與枕木之間的最大靜摩擦系數會相應漸漸。最大許用靜摩擦系數與自由懸臂、工程船重量的關系定義如下表所示[1]。

3.5工程船固定設計極限載荷計算

使用上述計算得到的貨物風載荷、風傾載荷、慣性載荷，以及摩擦力計算結果，參考DNV規范中的載荷迭加公式，進行求解貨物運動極限荷載，其計算公式如下[1]：

（1）橫向（船寬方向）：

式中，Fdyn=Feθ-Fmθ+Few-Fmw

Fmθ：平均風產生的橫向風傾載荷；

Feθ：陣風產生的橫向風傾載荷；

Fmw：平均風產生的橫向風載荷；

Few：陣風產生的橫向風載荷；

Facc： 橫蕩加速度產生的慣性載荷。

（2）縱向（船長方向）：

式中，

Fmw：平均風產生的縱向風載荷；

Few：陣風產生的縱向風載荷；

Facc：縱蕩加速度產生的慣性載荷。

考慮枕木摩擦力的影響，工程船綁扎固定設計極限載荷按照如下公式計算：

工程船綁扎固定設計，需考慮最小設計載荷。參考DNV規范，綁扎固定設計載荷最小值詳細規定見下表：

其中，W為工程船重量

（1）[NA]1≥（15-W/4000）%；

（2）[NA]2≥（7.5-W/4000）%；

（3）[NA]3≥（3.5-W/20000）%。

綜上所述：取上述計算得到的極限載荷Fe-force 與按照規范要求計算得到的最小設計載荷兩者中的較大值，并以此作為最終的工程船綁扎固定設計所需的計算載荷。

4結論

本文通過對比傳統結構物海上運輸與工程船遠洋運輸綁扎固定設計載荷的計算流程，并結合DNV和ABS船級社規范，對工程船遠洋運輸綁扎固定設計載荷的規范計算方法和步驟做了介紹。

此規范計算流程涉及的計算載荷較多，包括風載荷、風傾載荷、慣性載荷和摩擦力，各部分載荷計算之間是彼此聯系、逐級計算的；此計算流程參考的規范也較多，既用到API、ABS等常用海洋工程規范，也涉及到浮體貨物海上運輸方案設計的DNV規范。另外，此規范計算過程也涉及到水動力理論的應用，需要使用到浮體專業計算軟件MOSES的輔助來求解運動加速度。

此工程船遠洋運輸綁扎固定設計載荷規范計算流程，經過了以往實際項目經驗的驗證，并為綁扎固定結構的詳細設計提供了理論數據支持，其計算方法和步驟是可行且有效的。

參考文獻：

[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.

[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.

[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移動式平臺上的風載荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.

[4] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design， 21st Edition， 2007.