橫浪作用下拖輪動態系泊及撞擊力研究

路衛衛，李樹均，余神光，宋蘭芳，覃 杰，陳良志

(1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

國內外關于橫浪作用下船舶動態系泊及撞擊力的研究都是針對大型開敞式碼頭(例如1萬噸級以上)，且多是針對風浪條件較差的油氣碼頭，很少見關于小碼頭例如拖輪或工作船在橫浪作用下撞擊力的研究。究其原因，主要是拖輪泊位多數位于掩護較好的區域或者在極端大波浪下離泊。而東南亞某集裝箱碼頭工程的附屬拖輪泊位卻位于波浪較大區域，除了要求滿足平時波浪下碼頭安全運營外，還要求在極端波浪(有效波波高1.4 m)情況下，拖輪須系泊在碼頭上。另外除拖輪本身需要升級改造以滿足系靠泊要求外，常規拖輪泊位系船柱、護舷的選取方法已不能滿足要求，需要進行動態系泊分析并研究船舶撞擊力。

船舶撞擊力主要取決于以下2種情況：船舶靠岸時撞擊力以及船舶系泊時風浪流作用下產生的擠靠撞擊力。對于船舶系泊時候允許系泊條件(風浪流)，分為2種情況：1)作業工況，取決于裝卸設備要求、人員上下要求、人員舒適度，對于部分船型，規范會給出推薦的風浪限制條件，也可用船舶運動量控制；2)不作業工況，取決于船舶安全(船舶運動安全、船上系船設施限值)及碼頭結構安全兩方面。

關于橫浪作用下撞擊力的研究，可采用的方法包括經驗公式法、物理模型試驗法和數值模擬方法。經驗公式法，例如中國的《港口工程荷載規范》[1]的計算公式，英國、日本、德國等研究均是基于動能理論[2]，并且側重于船舶附加水體質量系數研究，例如國外的Costa公式、Wilson公式、Stelson公式，國內大連理工大學、天津大學、南京水利科學研究院等關于附加水體質量系數的研究，一般是通過物理模型試驗驗證或總結附加水體質量系數，從而用于修正公式[3-5]。數值模擬方法采用動力分析軟件，不同科研單位采用不同軟件[6]，例如美國TTI公司的Optimoor[7]、荷蘭Alkyon公司的Ship-mooring[8]、法國BV船級社的Ariane[9]、荷蘭MARIN公司的aNyMOOR TERMSIM軟件等。

本文研究不同規范對拖輪泊位作業及系泊的作業波浪、運動量要求，根據《港口工程荷載規范》計算護舷在橫浪作用下撞擊力，并通過aNyMOOR TERMSIM軟件進行拖輪動態系泊分析，最后對比分析計算結果，確定合適護舷，給出推薦的拖輪運動量及波浪控制標準。

1 工程實例

1.1 工程概況

東南亞某集裝箱碼頭附屬配套拖輪碼頭位于集裝箱碼頭東側，拖輪碼頭長80 m，共計2個泊位，總體布置如圖1所示。拖輪船長30 m，吃水5 m，總排水量670 t。集裝箱碼頭和拖輪碼頭都采用樁基結構。拖輪碼頭系船柱初始假設為250 kN，護舷為V形護舷(G2.0)，護舷高600 mm、長3 200 mm，碼頭斷面如圖2所示。

1.2 自然條件

最低天文潮位0 m，最高天文潮位2.6 m；風速為15.1 m/s，潮流速度為0.2 m/s。

北側拖輪泊位波浪要素為：極端工況為100 a一遇有效波高1.43 m，周期8.9 s；正常使用工況采用超越概率5%有效波，波高為0.4 m，周期5 s；波向為西北向，波浪與碼頭方向夾角在45°左右。由于拖輪碼頭西側的集裝箱碼頭為樁基結構，所以不考慮集裝箱碼頭對波浪的折減作用。

2 橫浪下船舶撞擊能量計算

目前，只有《港口工程荷載規范》和西班牙ROM規范[10]提到了橫浪作用下船舶擠靠撞擊計算，其中《港口工程荷載規范》是基于動能的撞擊能量計算，ROM規范只是靜態地采用波浪在船舶作用范圍的波浪推力，因此本文只采用《港口工程荷載規范》進行計算。

《港口工程荷載規范》中橫浪作用下船舶撞擊能量的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

Ew=K2Ew0

(4)

式中：k為偏心撞擊折減系數；Cm為附加水體影響系數；m為船舶質量；vB為法向撞擊速度；αm、βm均為碼頭結構形式影響系數；D為船舶平均吃水；B為船舶寬度；d為碼頭前沿水深；α、β、γ均為碼頭結構影響系數；H為有效波波高；T為波周期；L為波長；D0為船舶滿載吃水；K2為撞擊不均勻系數；Ew0為有效撞擊能量；Ew為每組護舷有效撞擊能量。

計算參數及結果見表1。結合碼頭靠泊撞擊力，綜合考慮選擇型號為G1.5的護舷，高600 mm、長3 200 mm，護舷吸能量為180 kJ/m，護舷反力為536 kN/m。

表1 橫浪下船舶撞擊能量計算參數及結果

3 拖輪系泊允許波高及運動量標準

3.1 拖輪系泊允許波高

國內外規范均無針對拖輪系泊波高的要求，因此，只列出其他小型船舶系泊波高要求。

《游艇碼頭設計規范》[11]關于游艇系泊允許波高：橫浪50 a一遇H1%不大于0.5 m，順浪50 a一遇H1%不大于1.1 m。

澳大利亞游艇設計規范[12]關于游艇系泊允許波高：對于周期大于2 s的斜向浪，50 a一遇有效波高不大于0.5 m，1 a一遇有效波高不大于0.375 m；對于周期大于2 s的橫浪，50 a一遇有效波高不大于0.3 m，1 a一遇有效波高不大于0.19 m。

國際航運協會(PIANC)系泊船舶運動量標準[13]規定：對于長20 m的小船，橫浪有效波高不大于0.3 m。

PIANC航道設計準則[14]規定：正常運營條件下，對于休閑娛樂船舶，順浪有效波高不大于0.4 m，橫浪有效波高不大于0.2 m，主要靠人員舒適度控制。對于其他小型船舶未做要求。對于船舶系泊允許極限波高取決于碼頭結構。

西班牙ROM規范關于允許作業條件：對于休閑船舶，有效波高不大于0.4 m；對于船長≥30 m的漁船，有效波高不大于1 m。該規范未區分橫浪和順浪。

以上規范主要考慮人員舒適度控制，實際小碼頭在更大波浪下，更多地取決于纜繩及護舷，將作用反饋到結構上，則需要碼頭結構足夠穩定。因此，本文建議考慮拖輪泊位平時波高不大于0.4 m，極端波浪取決于動態系泊分析結果中纜繩、護舷及相應碼頭結構受力安全。

3.2 拖輪允許運動量

PIANC系泊船舶運動量標準規定：對于漁船，裝卸作業工況為縱移不大于1 m、橫移不大于1 m、升沉不大于0.4 m；抽水泵作業工況為縱移不大于2 m、橫移不大于1 m。

Thoresen的港口設計手冊[15]規定：對于漁船，裝卸作業工況為縱移不大于0.75 m、橫移不大于1.5 m、升沉不大于0.3 m；抽水泵作業工況為縱移不大于1.5 m，其他運動量無限制。

國內外規范均沒有拖輪的允許運動量，參考以上規范對于漁船的運動量要求。由于拖輪比漁船具有更好的適應能力，因此，本文推薦拖輪在正常工況的允許運動量為縱移不大于1.5 m、橫移不大于1.0 m；非工作極端狀況允許運動量為縱移不大于2 m、橫移不大于1.5 m。

4 動態系泊軟件計算分析

4.1 V形護舷

4.1.1模型參數

aNyMOOR TERMSIM是一種時域仿真程序，用于分析風浪流作用下船舶系泊動力特性，該軟件由荷蘭MARIN公司開發。模型中波浪數據輸入如圖3所示，系纜布置如圖4所示。

圖3 極端工況的模型輸入波浪時間序列

圖4 使用V形護舷時的碼頭系纜布置

4.1.2計算結果

1)正常使用工況(有效波高0.4 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.090～0.320 MN，共需6根纜繩；單組護舷反力為0.331～1.016 MN(考慮3.2 m護舷長度全部參與受力)；船舶運動量為縱移1.4 m、橫移1.2 m

2)極端工況(有效波高1.43 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.310～0.480 MN，共需9根纜繩；單組護舷反力為1.293～1.608 kN(考慮3.2 m護舷長度全部參與受力)，4組護舷反力的合力隨時間變化如圖5所示，根據結果，合力最大值為7.207 MN，撞擊能量最大值為444 kJ；船舶運動量為縱移1.9 m、橫移1.9 m。

圖5 4組護舷反力合力隨時間變化

根據以上計算結果，在極端波浪情況下，雖然V800護舷反力在產品額定范圍內，但是吸能比只有23%。護舷吸能未充分發揮，而護舷反力已接近最大值。拖輪接觸到的4個護舷中，其中3個同時接近最大反力。產生巨大擠靠力，原碼頭結構無法承受。因此，在極端波浪情況下，需要采用吸能更好同時反力更小的護舷。

4.2 錐形護舷

4.2.1模型參數

護舷改為錐形護舷，采用兩鼓一板SPC800(G2.0)護舷，最大吸能量為498 kJ，最大反力為1.186 MN。在鎖鏈的作用下，護舷將整體發揮作用，也更適用于大波浪大運動量的情況。碼頭斷面見圖6，碼頭系纜布置見圖7。

圖6 使用錐形護舷時的碼頭斷面(高程：m；尺寸：mm)

圖7 使用錐形護舷時的碼頭系纜布置

4.2.2計算結果

1)正常使用工況下(有效波高0.4 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.110～0.380 MN，共需4根纜繩；單組護舷反力最大值為0.659～0.680 MN；船舶運動量為縱移1.4 m、橫移1.0 m。

2)極端工況下(有效波高1.43 m，水位0.6 m)的單根纜繩系纜力為0.022～0.052 MN，共需7根纜繩。3組護舷反力的合力隨時間變化見圖8，根據結果，合力最大值為2.692 MN(3組護舷反力分別為1.179、0.980、0.533 MN)，撞擊能量合計最大值為398 kJ；船舶運動量為縱移2 m(即-1～1 m)、橫移1.1 m。

圖8 護舷反力和值隨時間變化曲線

經核實，在護舷更改為錐形護舷后，按實際護舷反力核算碼頭結構滿足受力要求。

5 計算結果對比

5.1 規范與動態系泊軟件的結果對比

根據《港口工程荷載規范》進行計算，在橫浪作用下船舶撞擊總能量為181 kJ；而根據動態系泊分析軟件計算，橫浪作用下船舶撞擊總能量為444 kJ(V形護舷)、398 kJ(錐形護舷)，平均值為421 kJ。

規范計算船舶能量結果和動態系泊軟件分析結果比值為1:2.3。結果差異較大的原因可能是：

1)規范中橫浪作用船舶撞擊能量公式對小型船舶適用性較差。《港口工程荷載規范》是根據大型船舶試驗結果修正的，可能不適用于拖輪這種小型船舶。

2)纜繩的影響。纜繩的布置方式及數量可能影響船舶撞擊能量的大小。

3)波浪周期的影響[16]。本工程極端工況下的波浪周期為8.9 s，周期較長，導致能量較大。

4)波高和波向影響。對于小型船舶來講，1.4 m有效波高屬于非常大的波高，且波浪與船舶夾角45°屬于橫浪，所以船舶運動量大且運動復雜。

5.2 不同水位和潮流下的結果對比

高水位(2.6 m)和低水位下(0.6 m)下，護舷和系纜力差別不大(差別不超過8%)。但低水位船舶運動量比高水位船舶運動量大30%左右。原因可能與碼頭面高程有關，低水位下碼頭面高程與船舶系纜點高差較大。

潮流影響很小。經過敏感性分析，潮流對計算結果影響值為系纜力20 kN、護舷反力50 kN。主要是因為波浪較大，潮流影響相對非常小，對結果不敏感。

6 結論

1)拖輪泊位在橫浪較大的情況時，采用動態系泊分析軟件計算船舶撞擊能量大于規范計算結果，約為其2.3倍。

2)推薦拖輪允許運動量控制標準：正常運營工況縱移1.5 m、橫移1.0 m；極端工況縱移2.0 m、橫移1.5 m。

3)推薦拖輪系泊橫浪限制波高為正常運營工況有效波高0.4 m、極端工況為1.4 m。

4)拖輪雖可在較大的橫浪下系泊，但運動量非常大，需要更大吸能量護舷和更多纜繩，特別是需要對系船柱纜繩等進行改造，但建議極端工況盡可能離泊。后續有條件的工程，可進一步開展整體物理模型試驗驗證。