船舶所受風荷載國內(nèi)外規(guī)范對比分析

陳志樂，楊靜思

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

船舶系纜力是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和系船柱選型的重要條件，風、流、浪為船舶系纜力主要控制因素，國內(nèi)外碼頭設(shè)計規(guī)范中船舶系纜力的計算方法有所不同。伴隨著工程行業(yè)走向海外的步伐，設(shè)計人員也需要掌握相應(yīng)的國際規(guī)范標準。目前對于船舶風荷載研究對比大多集中于中英規(guī)范[1-2]，鮮有對西班牙規(guī)范的對比。為進一步比較各規(guī)范船舶系纜力計算方法及結(jié)果的差異，本文選取了碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計常用的國內(nèi)外規(guī)范進行對比，即：JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[3](簡稱JTS)、西班牙ROM0.2-90海事及海港工程設(shè)計規(guī)范[4](簡稱ROM)、石油公司國際海事論壇OCIMF(MEG4 2018)系泊設(shè)備指南[5](簡稱OCIMF)、英國BS 6349-1-2：2016規(guī)范[6](簡稱BS 6349)，就船舶所受風荷載的計算公式、輸入變量、適應(yīng)范圍的異同點進行對比分析，并以30萬噸油船為例進行了風荷載計算和結(jié)果對比分析。

1 船舶所受風荷載計算公式

1.1 JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》

根據(jù)JTS，作用于船舶上的計算風壓力垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力可按下列公式計算：

(1)

(2)

式中：Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的計算風力的橫向和縱向分力(kN)；Axw、Ayw分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積(m2)；vx、vy分別為設(shè)計風速的橫向和縱向分量(m/s)，采用離地10 m高重現(xiàn)期50 a 10 min平均最大風速；ζ1為風壓不均勻折減系數(shù)；ζ2為風壓高度變化修正系數(shù)。

1.2 西班牙ROM0.2-90海事及海港工程設(shè)計規(guī)范

根據(jù)ROM，作用于船舶上的風荷載可按下列公式計算：

(3)

(4)

FTV=RVsinφ

(5)

FLV=RVcosφ

(6)

式中：RV為作用在船舶上的總風力(kN)；FTV、FLV為作用在船舶上的橫向分力、縱向分力；φ為總風力與船舶縱軸線的夾角；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；CV為形狀系數(shù)，一般取1.0～1.3，缺少準確數(shù)據(jù)時，可以直接取1.3；vV為設(shè)計風速，取海面上高10 m處的平均風速，船長大于25 m時采用60 s平均風速，船長小于25 m時采用15 s平均風速；α為風向與船舶縱軸線(船首至船尾)的夾角(°)；φ為風荷載合力與船舶縱軸線的夾角；AL為暴露在風中的縱向投影面積(m2)；AT為暴露在風中的船舶橫向投影面積(m2)。投影面積按下列公式計算：

AT=B·(G+hT)

(7)

AL=Lpp·(G+hL)

(8)

式中：B為船舶的型寬；G為船舶吃水；Lpp為船舶垂線間的長度；hT、hL分別為船舶甲板以上超大結(jié)構(gòu)的橫向、縱向投影平均高度。

1.3 石油公司國際海事論壇OCIMF(MEG4 2018)系泊設(shè)備指南

根據(jù)OCIMF，船舶所受風荷載的橫向和縱向風力可按下式進行計算：

(9)

(10)

式中：CXW、CYW為風荷載縱向系數(shù)、風荷載橫向系數(shù)，這幾項系數(shù)均由查圖表所得；ρA為空氣密度，取1.28 kg/m3；AL為水面以上縱向壓載投影面積；AT為水面以上橫向壓載投影面積；LBP為船舶首柱到尾柱的間距；vw為海面以上10 m處的30 s平均風速。之所以取30 s，是由系泊系統(tǒng)對風速變化做出反應(yīng)所需的時長決定，30 s對應(yīng)的是壓載巨型油船，小點的船反應(yīng)更快，滿載巨型油船則可能需要60 s。然而，對所有船型和不同壓載情況來說，30 s可以取做平均值。如有其他風時對應(yīng)的風速，可以根據(jù)OCIMF的風時轉(zhuǎn)換系數(shù)圖表查詢轉(zhuǎn)換。

1.4 英國BS 6349-1-2：2016規(guī)范

根據(jù)BS 6349，作用在船舶上的風荷載FTW可按下式計算：

(11)

(12)

(13)

2 計算公式對比

計算公式見表1。

表1 計算公式

對比4組船舶所受風荷載的計算公式，所有計算公式都包含船舶橫縱向受風面積、空氣密度、風壓力系數(shù)等因素，但各個因素的取值和算法存在差異，各規(guī)范手冊公式存在的差異主要有：

1)風壓修正系數(shù)。JTS中風壓高度變化修正系數(shù)考慮船舶水面以上高度的變化，對船舶在不同裝載情況下的風荷載進行修正。風壓不均勻折減系數(shù)考慮水面以上最大輪廓尺寸的區(qū)別，對不同噸級船舶所受風荷載進行修正。ROM、OCIMF、BS 6349將風速、船舶受風面積變量之外的變化因素統(tǒng)一到風壓修正系數(shù)，該修正系數(shù)綜合考慮了風向與船舶縱橫軸的夾角變化、船舶裝載情況變化、船型尺寸變化、船舶類型變化等因素需要的修正，且OCIMF還考慮了船頭形狀(傳統(tǒng)型或橢圓形)不同引起的變化。

2)公式適用的船舶類型及尺寸范圍。不同公式適用的船舶類型及船舶尺寸不同，JTS和ROM可以計算多種類型、不同尺寸的船舶。BS 6349公式適用的船舶類型有小型油船、大型油船、典型集裝箱船舶。OCIMF公式適用的船舶類型有大型油船(1.6萬～50萬t)和天然氣船(7.5萬～26.6萬t)。

3)空氣密度。因為風荷載計算必然涉及空氣密度，ROM、OCIMF、BS 6349的公式中均有空氣密度變量。除了英標給出的0～30 ℃范圍內(nèi)的變化空氣密度，其他均為給定溫度下的空氣密度，JTS采用的是絕對干燥空氣密度，且將空氣密度提前代入公式進行了計算簡化，公式中未體現(xiàn)空氣密度變量。

4)風速。各國規(guī)范對風速的選取略有差異。《港口工程荷載規(guī)范》采用的是離碼頭附近地面高10 m處的10 min平均年最大風速，重現(xiàn)期50 a。ROM分兩種情況，船長大于25 m采用的是60 s平均風速；船長小于25 m的采用的是15 s平均風速。BS 6349采用的是海面以上高10 m處的60 s平均風速，重現(xiàn)期50 a。OCIMF采用的是海面以上高10 m處的30 s平均風速。

5)船舶受風面積。JTS分別給出了保證率為50%及75%、壓載及滿載時不同類型及尺寸船舶組合下的船舶橫縱向受風面積；ROM、OCIMF均按照船舶的橫縱向投影面積進行計算，BS 6349也采用船舶投影面積，但在計算橫向風力時采用的縱向投影面積作為輸入?yún)?shù)進行計算。需要注意的是，船舶受風面積不僅包括船舶干舷部分的區(qū)域，還包括甲板上的構(gòu)筑物，堆箱等部分區(qū)域。

6)橫擺力矩。ROM和OCIMF考慮了風作用下船舶繞中心垂直軸的橫擺力矩，JTS和BS 6349未考慮。

3 工程案例

3.1 計算條件

由各規(guī)范船舶適用范圍的比對可知，4種公式均適用的范圍是15萬～30萬噸級的大型油船。目前國內(nèi)原油碼頭大部分為30萬噸級，故選取30萬噸級油船為典型船型進行案例對比分析，分別對其在滿載、壓載工況下的風荷載進行計算。30萬噸級油船船型參數(shù)為：總長L=334.0 m，型寬B=60.0 m，型深H=31.2 m，滿載吃水T=22.5 m。

船舶受風面積一般由船舶廠家提供，該算例中按照JTS進行取值，見表2。

表2 船舶受風面積

由于各規(guī)范中離地10 m處最大平均風速對應(yīng)的歷時不同，該算例選取9級風最大風速24.4 m/s作為JTS的設(shè)計風速，其他規(guī)范按照風時修正系數(shù)進行對應(yīng)換算，風速換算結(jié)果見表3[7]。

表3 按歷時進行風速換算

3.2 船舶風荷載比較

各規(guī)范風向角坐標系不統(tǒng)一：JTS未考慮風向角變量，ROM和BS 6349都以船舶正迎面為0°，OCIMF則以船舶正迎面為180°。本文參考ROM和BS 6349風向角取法，即取船舶縱軸線(從船頭指向船尾方向)與風向的夾角為風向角，船舶正迎面為0°，風向角以逆時針旋轉(zhuǎn)。

30萬噸級油船的壓載、滿載工況下的風荷載絕對值計算結(jié)果見圖1。各規(guī)范的結(jié)果差異如下：1)從總風荷載來看，在壓載和滿載狀態(tài)下，均以船舶受正向橫風時為控制工況，且計算值ROM依次大于OCIMF、BS 6349、JTS。ROM最大風荷載計算值達JTS的1.69倍。2)JTS與ROM的橫向風力和縱向風力計算值是關(guān)于90°左右對稱的，即兩風向角互補時，風荷載計算結(jié)果相同。OCIMF和BS 6349考慮了船首船尾的差異性，兩者隨風向角變化的計算結(jié)果趨勢表現(xiàn)出高度的相似性。至于兩者絕對值存在的差異，BS 6349中油船風荷載計算時推薦參照OCIMF，BS 6349計算公式保留可用于初步評估。3)從壓載工況看，船舶橫向風力中，當風向角為20°～55°時，OCIMF的計算值依次大于ROM、BS 6349、JTS。其他風向角范圍內(nèi)與總風荷載的計算值排序相同，即ROM依次大于OCIMF、BS 6349、JTS。OCIMF、BS 6349考慮風入射角度互補時，認為船首較船尾受風荷載更大。壓載工況下的縱向風力計算，ROM結(jié)果明顯大于另外三者，且另外三者結(jié)果很接近。4)滿載工況下，船舶橫向風力中，ROM的計算值依次大于OCIMF、BS 6349、JTS，ROM可達JTS最大橫風計算值的2.1倍。對于滿載工況下縱向風力，JTS明顯小于另外三者。此外，OCIMF和BS 6349認為船舶受正向橫風時，船舶的縱向風力也不為0。

圖1 風荷載計算結(jié)果

4 結(jié)論

1)各國的風荷載計算思路不同，且公式適用的船舶類型和尺寸也不同，英標公式適合的船舶類型有小型油船、大型油船、典型集裝箱船舶。OCIMF手冊公式適合的船舶類型為一定噸級的大型油船和天然氣船。在計算或?qū)Ρ确治鰰r應(yīng)注意適應(yīng)范圍的不同。

2)JTS與ROM未考慮船首船尾的差異性，而BS 6349和OCIMF考慮了差異性，計算結(jié)果在船舶首尾差異方面考慮得更準確。

3)各國規(guī)范在計算船舶風荷載時，在風速選取、船舶受風面積、風壓修正系數(shù)方面均存在一定差異。

4)根據(jù)30萬噸級油船實例計算結(jié)果，比較控制工況下即風向角為90°時的風荷載，可知ROM最大，OCIMF次之，BS 6349第三，JTS最小。ROM的計算結(jié)果最保守，其最大風荷載是JTS計算值的1.69倍，OCIMF是JTS的1.58倍。因此，在海外項目系纜力計算時應(yīng)慎重進行規(guī)范的選擇和應(yīng)用。