波浪作用下1 600 t起重船作業能力試驗研究

黃宣軍，林超明，孫運佳，莫忠璇

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.福州新洋海事咨詢服務有限公司，福建 福州 350001；3.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

0 引言

為了保證起重船海上作業的安全，船舶在風、浪、流等各種外荷載條件下必須具有良好的穩性，特別是外海的波浪荷載對起重船的運動響應帶來較大影響，目前國內外學者大多分析了起吊因素對吊物擺動的影響，而對起重船外荷載的運動響應影響研究卻較少，大多采用三維勢流理論或多體動力學分析理論等方法對船體運動響應進行數值模擬計算，Matosa等[1]提出了一種白噪近似方法計算2階低頻載荷來分析浮體的運動，T.E.Shellin等[2]建立了9自由度動力學分析模型，將波浪力、黏性拖曳力、錨泊力等簡化，分析起重船對波浪的運動響應。任會禮等[3]建立了起重船吊物系統的非線性動力學模型，分析吊繩長度、升降作業對吊重的動力響應的影響。本文以1 600 t起重船為對象，采用物理模型試驗研究方法，對起重船在不同風浪、涌浪作用下的運動響應進行研究，分析起重船的外海作業能力。

1 物理模型試驗研究

1）船型參數及錨泊方式

研究采用1 600 t起重船總長98 m、型寬37 m、型深7.2 m，船上共設置移船定位液壓錨絞車8臺，布置在艏艉兩側。施工作業時的錨纜長度約250～300 m，錨泊方式為艏艉外八字纜，錨纜采用的是直徑42 mm的鋼纜，破斷力約為100 t[4]，各錨纜繩的初始預張力為10 t，錨絞車的核定拉力為40 t，支持最大拉力100 t。見圖1所示。

圖1 起重船錨泊方式圖Fig.1 Anchoring system of crane ship

船舶自帶移船定位液壓錨絞車8臺，船艏4臺，船艉4臺，定位錨規格為重量5 175 kg的AC-14大抓力錨，每個錨配備長700 m、直徑39 mm的鋼絲繩，各錨泊纜繩的初始預張力為10 t；四點錨固用的錨鏈為鏈徑90 mm的三級無檔錨鏈，錨鏈拉力試驗負荷為255 t，破斷試驗負荷為510 t，每節長度27.5 m、重量4.45 t。

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》等[5-7]有關規定進行設計，模型比尺為1∶50。模型基本參數見表1。

2）試驗條件

起重船試驗條件分為未吊裝狀態和吊裝狀態兩種，未吊裝狀態下，起吊臂與水平面夾角為60°，吊鉤上無吊物；吊裝狀態下，起吊臂與水平面夾角為60°，吊鉤上的吊裝物為重量約650 t的鋼圓筒。試驗首先對相同波浪作用下兩種狀態的動態響應進行測試與分析，然后對未吊裝狀態下的作業能力進行測試與分析。

表1 起重船基本尺寸（比尺1∶50）Table1 Thebasicdimensionsofcraneship(testscaleis1∶50)

試驗波浪條件分為兩種，一種是風浪作用下的不規則波試驗，波高H13%=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m，波浪周期為5～10 s；另一種是涌浪長周期波作用下的規則波試驗，波高H=0.3～1.5 m波浪周期為8～30 s。

2 試驗結果

2.1 吊裝和未吊裝狀態下動態響應測試

圖2～圖5分別給出了風浪作用和涌浪長周期波作用下，起重船吊裝和未吊裝狀態下的動態響應橫移量和橫搖角。

在H13%=0.8 m、1.0 m，的風浪作用下，起重船在吊裝狀態下的橫移量和橫搖角比未吊裝狀態下略小一些，其中橫移量減小幅度約10%～20%；而橫搖角減小幅度約5%～18%。在H=0.8 m、1.0 m，的涌浪長周期波作用下，起重船在吊裝狀態下的橫移量和橫搖角比未吊裝狀態下也要小，其中橫移量減小幅度約10%～50%；而橫搖角減小幅度約30%～50%。上述試驗結果表明，相同波浪作用下起重船在吊裝狀態下的橫移量和橫搖角都有所減小，在實際施工過程中，可通過未吊裝狀態下的船舶動態響應來初步確定船舶進行吊裝作業的可能性。

圖2 風浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態下的運動量（橫移量）Fig.2 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of waves(swaying)

圖3 風浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態下的運動量（橫搖角）Fig.3 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of waves(rolling)

圖4 涌浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態下的運動量（橫移量）Fig.4 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of swell(swaying)

圖5 涌浪作用下起重船吊裝和未吊裝狀態下的運動量（橫搖角）Fig.5 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of swell(rolling)

2.2 未吊裝狀態下起重船作業能力分析

1）風浪作用下

由于是90°橫浪作用，船舶的橫移量和橫搖角較大，縱移量和縱搖角較小。在H13%=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m，=5 s、6 s、7 s、8 s、10 s的風浪作用下，隨著波浪周期的增加，船舶的橫移量、橫搖角及錨纜力逐漸增大。波高相同時，波浪周期=10 s時的橫搖角最大，詳見圖6所示。

若控制起重船作業時的橫移量不超過1.0 m，橫搖角不超過2°，則相應的波浪條件為：H13%≤1.5 m、或H13%≤1.2 m、

2）涌浪長周期波作用下

在 H=0.3 m、0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.5 m，10 s、12 s、18 s、25 s、30 s的涌浪長周期波作用下，隨著波浪周期的增加，船舶的橫移量、橫搖角逐漸增大；波浪周期相同時，船舶橫移量隨波高的增大趨勢近似為線性關系，詳見圖7。在18 s和25 s時的橫移量比前者略有增加，而=和12 s時的橫移量相差不大，在=30 s時的橫移量明顯增大很多。圖8為船舶橫搖角隨波周期變化的趨勢圖，從圖中可以看出，在=10 s和12 s時的橫搖角相比其他周期要明顯大的多，其主要原因是起重船未吊裝狀態下的橫搖周期10.16 s，與波浪周期比較接近，造成船舶的橫搖角較大。

圖6 風浪作用下船舶橫移量、橫搖角隨波高的變化趨勢Fig.6 The change trend of the ship's swaying and rolling with wave height under the action of waves

圖7 涌浪長周期波作用下船舶橫移量隨波高的變化趨勢Fig.7 The change trend of the ship's swaying with wave height under swell and long period waves

圖8 涌浪長周期波作用下船舶橫搖角隨波周期的變化趨勢Fig.8 The change trend of the ship's rolling with wave height under swell and long period waves

若控制起重船作業時的橫移量不超過1.0 m，橫搖角不超過2°，則相應的波浪條件為H≤1.2或H≤0.8 m、應盡量避開系統共振周期10 s左右的波浪。

3 結語

本文通過對1 600 t起重船物理模型試驗研究得到以下結論：

1）起重船吊裝狀態下的運動量比未吊裝狀態時有所減小，今后實際施工作業前，可通過未吊裝狀態下的船舶動態響應來初步確定船舶進行吊裝作業的可能性。

2）若控制起重船作業時的橫移量不超過1.0 m，橫搖角不超過2°，則相應的波浪條件為：風浪作用H13%≤1.5 m、或 H13%≤1.2 m、≤6 s；涌浪長周期波作業H≤1.2 m、或H≤0.8 m、

3）由于起重船的橫搖周期為10.16 s，實際施工作業過程中，應盡量避開系統共振周期10 s左右的波浪。