3E集裝箱船系泊纜繩布置模式優化

江 義,高 浪,范 曄

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

我國現行《海港總體設計規范》[1]推薦采用PIANC(1995)[2]推薦的集裝箱船安全作業時的船體運動標準，碼頭作業效率分為100%與50%兩檔。需要說明的是，PIANC(1995)規定的集裝箱船體運動控制標準中所有運動分量均為峰-峰值(除橫移為零-峰值)。根據最新的BS 6349-1-1(2013)[3]、PIANC(2015)[4]有關集裝箱碼頭裝卸作業效率的專題研究報告，應嚴格控制碼頭的縱移或橫移等運動分量，并給出具有一定概率保證的作業位移控制標準。表1給出上述規范的裝卸作業效率的船體運動控制標準。

表1 集裝箱船的作業運動控制標準

本文以3E集裝箱船作為研究對象，首先提出其不同工況下的系泊分析準則，包括生存工況準則(survival criteria level 1)、作業工況準則(operational criteria level 0)。Level 1 準則主要用于確定碼頭結構及其系泊附屬設施的生存安全條件，重點以控制護舷吸能變形能力、纜繩力和系船柱等是否安全為標準。超大設計船型可能產生極高的纜繩系泊系統內力，應予以特別關注。Level 0 準則主要用于確定碼頭的不可作業天數、裝卸運營效率，重點以控制船舶運動量為主。

本文的研究重點是根據英標要求進行3E集裝箱船的系泊纜繩布置模式設計，通過詳細系泊分析研究得到較優的纜繩布置模式，包括纜繩規格、型號及其預張力等技術要求，并給出生存工況離泊風速和作業工況上限風速。

1 工程概況

1.1 項目概況

阿布扎比哈里發港二期項目位于阿聯酋阿布扎比的奧塔維拉(Al Taweelah)，碼頭設計通過能力為250萬TEUa。二期工程碼頭岸線長1 200 m，其中800 m岸線為一期已建，400 m為后續擴建岸線。設計最大船型為載質量12.5萬t的New Panamax集裝箱船,最小船型為載質量3 500 t的Panamax集裝箱船。從設計船舶大型化考慮，二期工程要求最大設計船型升級為3E級集裝箱船“中海環球”號，載箱量為1.91萬TEU。

碼頭采用岸壁式方塊結構，碼頭前沿線方位角為51.5°N～231.5°N。碼頭面高程為5.087 m(參考最低天文潮位)，前沿設計水深為-18.0 m。碼頭系船柱采用T形，其設計參數見表2。系船柱結構的安全系數取為1.33，滿足文獻[5]最小安全系數1.18的要求。護舷采用斯巴達鼓形護舷，護舷設計參數見表3。

表2 系船柱參數(T形RT100-200)

表3 護舷參數

1.2 設計條件

碼頭結構設計最大船型為“CSCL Globe” 3E集裝箱船，其參數見表4。由于低潮位時纜繩角度更為有利，因此生存工況Level 1分析計算時分別考慮平均高潮位(MHW)和最高天文潮位(HAT)，而作業工況Level 0分析計算時考慮平均海平面(MSL)潮位。

表4 “CSCL Globe” 3E集裝箱船設計參數

1.2.1生存工況風浪流條件

1.發揮先鋒作用。通過設崗、劃區、建隊、立項等實踐載體，創建黨員示范崗、黨員先鋒崗、黨員責任區，教育和引導全體黨員踐行崗位承諾、做出表率，確保黨員人人身上有目標、人人身上有壓力。組建“黨員突擊隊”攻堅克難，著力在卓越績效、“三自一獨”阿米巴、品質革命、市場開拓、產品開發、工藝改進、成本管理等中心工作中做表率、當先鋒。通過選派黨員骨干到子企業任職、服務G20峰會場館等國家重點工程項目、到急難險重崗位錘煉等方式，充分發揮黨員的先鋒模范作用。在遇到重大技術攻關時成立黨員攻關小組，以項目的落實推動任務落實。

表5 生存工況設計風要素(Level 1)

注：U3 600為10 m高處的平均風速；U30為10 m高處30 s陣風風速。

1.2.2作業工況風浪流條件

作業工況設計流速忽略不計。其設計波浪的有效波高(Hs)范圍取值為0.05、0.10、0.15和0.20 m，波周期Tp考慮范圍是6、8和10 s，浪來向為平行于碼頭岸線。相應的設計風要素見表6。

表6 作業工況設計風要素(Level 0)

2 纜繩布置模式

設計分析采用OPTMOOR系泊分析程序。初始的纜繩布置模式主要依據相關規范推薦[6-7]，規范推薦的纜繩布置情況見表7。

表7 推薦纜繩布置情況

根據上述纜繩布置要求，主要研究4種纜繩布置模式。1)纜繩布置模式L1：采用常規纜繩布置，纜繩采用50 mm鋼纜，不施加預拉力，不設置艉纜，見圖1a)；2)纜繩布置模式L2：采用優化的纜繩布置，纜繩采用50 mm鋼纜，施加預拉力140 kN，不設置艉纜，見圖1b)；3)纜繩布置模式L3：采用優化的纜繩布置，纜繩采用50 mm鋼纜，施加預拉力140 kN，設置艉纜，見圖1b)；4)纜繩布置模式L4：采用優化的纜繩布置，纜繩采用65 mm鋼纜，施加預拉力250 kN，設置艉纜，見圖1b)。

圖1 纜繩布置模式

纜繩采用鋼纜，其最大工作荷載是其破斷荷載的55%。施加預拉力和設置艉纜是纜繩的主要措施，纜繩的預拉力考慮為纜繩破斷力的5%～10%。案例研究纜繩采用鋼纜，艉纜采用尼龍纜。

2.1 生存工況系泊分析

2.1.1模擬工況

生存工況針對3E集裝箱船進行8種工況分析計算(表8)，包括4種纜繩布置模式、風速、波浪效應的對比研究。

表8 生存工況分析研究

2.1.2系泊模擬分析

1)優化纜繩布置模式。前7種生存工況系泊分析船體位移、最大纜繩內力和最大系船柱內力見表9。比較工況1～4，纜繩布置模式L1未考慮纜繩預加拉力和設置艉纜，纜繩內力和系船柱內力最大，系泊系統剛度較大；纜繩布置模式L2考慮了纜繩預加拉力但未設置艉纜，纜繩內力和系船柱內力居中；而系泊系統剛度較小的布置模式L3～L4均設置了纜繩預加拉力和艉纜，船體位移大且系船柱內力大，且由于L4纜繩較粗、預加拉力大，最大系船柱內力最大。在其他條件相同的前提下，纜繩布置模式L3的纜繩內力和系船柱內力最小，因而纜繩布置模式L3較優。因此，后續研究將基于纜繩布置模式L3進行。

2)風速和風向的影響。在波浪條件(Hs=1.0 m，Tp=10.9)和水流條件不變的前提下，選擇最不利水位(HAT)進行分析。比較工況5～7，可以得到生存工況離泊風速為14.1 ms(時平均風速為10.7 ms)，其中最不利風向為吹開風，角度為從0°N～300°N。當為吹攏風且風向角為150°N～180°N時，風速為37.0 ms(時平均風速)，接觸護舷壓縮至極限變形。

表9 前7種生存工況最大船體位移、纜繩內力和系船柱內力

3)波高的影響。在水流條件不變的前提下，選擇控制系船柱的荷載和纜繩內力滿足要求(實際控制系船柱最大內力為1 500 kN)，可降低波浪輸入至Hs=0.5 m(Tp=10.9 s)，進而可以得到生存工況離泊風速為18.3 ms(時平均風速為13.8 ms)。

3 作業工況系泊分析

3.1 模擬工況

作業工況針對3E集裝箱船進行7種工況分析計算(表10)，側重針對L1～L3纜繩布置模式的作業期風浪要素的影響研究。由于作業期水流較小，研究計算忽略了水流的影響。

表10 作業工況分析

3.2 系泊分析結果

3.2.1波高和周期的影響

研究的纜繩布置模式L1～L3在定義的波高(0.05、0.10、0.15和0.20 m)和波周期(Tp=6、8和10 s)，L1的船體位移最小，L2次之，L3船體位移最大，但均未超過船舶95%裝卸作業效率的限制。對纜繩施加10%的預加拉力會引起船體的橫搖轉動，但對于超大的3E集裝箱船的其他運動量影響表現不敏感。針對L1、L2或L3單一工況，波高和周期越大，船體的縱移和橫移運動量越大(表11)。

表11 作業工況最大船體位移

續表11

船體運動分量縱移∕m橫移∕m升沉∕m橫搖∕(°)縱搖∕(°)回轉∕(°)H=0.05 m T=6 s0.030.010.01000H=0.05 m T=8 s0.030.020.01000H=0.05 m T=10 s0.040.020.01000H=0.10 m T=6 s0.030.020.02000H=0.10 m T=8 s0.030.020.02000工況2H=0.10 m T=10 s0.050.030.02000H=0.15 m T=6 s0.060.020.03000H=0.15 m T=8 s0.040.030.03000H=0.15 m T=10 s0.060.040.030.100H=0.20 m T=6 s0.030.020.040.100H=0.20 m T=8 s0.040.030.040.100H=0.20 m T=10 s0.070.040.030.100H=0.05 m T=6 s0.070.010.01000H=0.05 m T=8 s0.080.020.01000H=0.05 m T=10 s0.080.020.01000H=0.10 m T=6 s0.080.020.02000H=0.10 m T=8 s0.080.020.02000工況 3H=0.10 m T=10 s0.090.030.02000H=0.15 m T=6 s0.060.010.03000H=0.15 m T=8 s0.080.030.03000H=0.15 m T=10 s0.10.040.030.100H=0.20 m T=6 s0.080.020.040.100H=0.20 m T=8 s0.090.030.040.100H=0.20 m T=10 s0.110.040.030.100

3.2.2風速和風向的影響

船體運動分量(升沉、縱搖和回轉)對風速和風向的影響不敏感。此外，正常作業條件下，纜繩內力為破斷力的20%，系船柱的最大內力為66.10 kN。因此，建議Level 0工況下，碼頭結構的系纜荷載取為750 kN。

表12 作業工況4～7的系泊分析結果

4 結論

1)針對3E集裝箱船，經系泊分析比較，得到較優的纜繩布置模式L3，采用優化的纜繩布置，纜繩采用50 mm鋼纜，施加10%預拉力且設置艉纜；

2)Level 1生存工況在設計波浪為Hs=1.0 m(Tp=10.9 s)的條件下，碼頭離泊風速為14.1 ms(時平均風速為10.7 ms)，而在設計波浪為Hs=0.5 m(Tp=10.9 s)的條件下，碼頭離泊風速為18.3 ms(時平均風速為13.8 ms)；

3)Level 0作業工況在設計波浪為Hs=0.2 m(Tp=10.0 s)的條件下，碼頭作業風速為13.4 ms(時平均風速為10.1 ms)。