大型雙體船碼頭防臺系泊帶纜受力計算預報研究

摘" " 要：船舶系纜力不僅受到風、浪、流等自然條件，還有船型、噸位、載重量等船舶自身因素以及纜繩材料、系纜方式及碼頭設施等一系列因素的影響。本文以模型船為例，通過對帶纜受力各輸入要素的研究，簡化建立某船模型，采用MOSES軟件進行數值計算。根據計算結果對某船碼頭防臺系泊帶纜受力進行分析預報，提出改進措施和注意事項，提高了碼頭防臺系泊帶纜安全性，可為其他船舶相應碼頭防臺系泊帶纜提供參考借鑒。

關鍵詞：碼頭防臺；系泊方法；受力計算

中圖分類號：U674.34 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Research on the Calculation and Prediction of the Mooring Force of a Large Catamaran in Dock Against Typhoon

LI Jian1，" KE Taiyong1，" Xu Miaoshu1，" LIAO Youjiang2

（ 1.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" Guangzhou 510715， China; 2.Zhuhai Gree Sheng Technology Co.， Ltd.，" Zhuhai 519030， China ）

Abstract： The mooring force of a ship is not only influenced by natural conditions such as wind， waves and current， but also by the ship’s own factors such as ship type， tonnage and deadweight， as well as a series of factors such as cable materials， mooring methods and dock facilities. This paper takes the model ship as an example， simplifies the establishment of one ship model through the study of various input elements of the mooring line and uses MOSES software for numerical calculation. According to the calculation results， the mooring force of a ship’s wharf typhoon defence is analyzed and predicted， and the improvement measures and precautions are put forward to improve the safety of mooring cables for wharf typhoon defence， which would provide reference and inspiration for other ships’ corresponding dock anti typhoon mooring cables.

Key words： wharf typhoon defence;" mooring methods;" force calculation

1" " 引言

對于在臺風影響下的船舶系泊模式，目前沒有規范可以參考。南方地區夏季臺風多發，破壞力強，針對大型雙體船干舷高、上建側投影面積大、受風面積大， 通過對大型雙體船碼頭建造階段的防臺系泊模式研究，確保臺風來襲時船舶的系泊安全。為此，本文在分析我司碼頭平面布置及風、浪、流、潮汐等因素的基礎上，提出采用Moses數值計算軟件，應用“準靜態”方法，計算系泊帶纜受力。研究所獲的數值計算結果，可用于我司碼頭系泊大型雙體船防臺工作參考。

2" " "帶纜受力分析各輸入要素研究

由于船舶帶纜受力不僅受到風、浪、流等自然條件的影響，還有船型、噸位、載重量等船舶自身因素以及纜繩材料、系纜方式及碼頭設施等一系列因素。先對影響帶纜受力的各輸入要素進行分析研究。

1）碼頭

防臺纜繩的布置需要確定碼頭及其帶纜樁，根據碼頭水深、帶纜樁布置及我司防臺經驗，選定某碼頭為系纜防臺碼頭，“L”型碼頭能提供更強的系纜力。

2）船舶吃水

根據大型雙體船靜水力數據查得：船舶建造期間，吃水將介于6 m～7 m之間。防臺時增加船舶吃水有利于降低船舶重心、減少受風面積，從而減少作用于船舶的風力，提高船舶安全。因此受力分析時選取船舶吃水為7 m。確定的船舶吃水可以簡化計算工作量及得出量化結果。

3）潮汐

碼頭水域屬于感潮河段，受珠江口的潮汐影響。根據黃埔港潮汐表及臺風時期碼頭水位（達到4 m），計算中分別取潮汐為0 m、2 m和4 m三種工況。

4）風

廣州多年平均風速2.7 m/s，年風向多東風，次為東北風。根據《港口工程荷載規范》給出的廣東地區沿海港口離地10 m高處，50年重現期的基本風壓為0.6～0.9 kPa[1]，經風壓計算公式換算得到對應計算風速為30.98～37.95 m/s。因此在風力計算中取值14級風速下限42 m/s、12級風速上限36 m/s，可滿足防臺需求。

5）流

碼頭所在河段河面較平緩，碼頭前沿水域為半封閉港池，根據經驗，計算中可取水流流速為0.5 m/s。

6）波浪

碼頭所在河段河面較窄、風區較短、風生波小，故波浪較小。另外，航行的大部分船舶航速低，船舶航行引起的船行波也很小。碼頭前沿水域為半封閉港池，根據經驗，計算中波高可取為0.5 m。

3" " "系纜力計算方法研究

系纜力是系泊船舶在自然條件下船體、系纜、碼頭以及護舷之間相互作用。為了確定系纜力，主要基于兩種方法：1）通過物理模型，通過安置在纜繩上的力學傳感器來實時記錄纜繩的受力情況；2）利用理論知識通過建立系泊船舶的數學模型并計算出系泊船舶在特定工況下的運動，再結合纜繩材料的自身特性來計算出纜繩張力。本文采用后一種方法確定系泊系纜力。

3.1" "數值計算軟件及基本原理分析

本文采用MOSES軟件進行數值計算。MOSES是一個為海上結構物、船舶的靜水、動水分析的軟件。它被廣泛用于模擬分析運輸和海上平臺安裝以及設計及計算上浮動海上系統。利用MOSES仿真和分析可以高效解決海洋工程施工中的各種復雜問題。

運用MOSES軟件分析計算船舶系泊狀態系纜受力的計算分成2個部分，頻域部分和時域部分。頻域部分基于切片原理，根據輸入的環境力參數計算船舶響應。時域部分綜合考慮風、波、流產生的環境力，以及系泊系統、推進器等設備施加在船舶上的載荷，在動力模擬方程中進行求解，獲得時間歷程上的各個參數。時域計算運動方程如下[2]：

（1）

式中：Mij為i行j列基本質量陣；Cij為i行j列剛度陣；Fw為波浪力；aij為附加質量陣；Rij為延遲函數陣；X為運動量陣；Fm為系泊錨纜張力；Fc為流力；Ffen為護舷反力；Fwind為風力；n為系纜線數量。

3.2" "風與流作用力

由于船舶的系纜力主要是由風力和水流力作用下產生，風力和水流力為[3]：

式中：ρ為空氣或水的密度；A為受風面積或浸水面積；CD為風力或水流力系數，一般對于船體均取1.0；V為風速或水流速度，對于風速軟件計算中使的為NPD風譜。

3.3" "波浪平均漂移力

作用在船舶上的水平平面內的平均波浪漂移力，可以通過計算線性動量和角動量的變化率的方式來求出。線性動量和角動量的變化率可以表示為[4]：

式中：G為線性動量；H為角動量；V為流體速度；Un為物體表面的法線速度；Vn為流體垂直于物體法向速度；r為物體表面點的位置向量（相對于重心）；N為物體表面單位法向向量；ρ為流體密度；P為流體壓強；S為物體濕表面；Sf為流體的自由表面；Sin為無窮遠處出的大圓柱面；Sb為水底。

物體沒有前進速度，在水平面內的力和力矩可以寫成如下形式：

通過對上述式子求時間平均來求解平均作用力和力矩。等式的最后一項是周期性的，所以從一個周期到另一個周期沒有凈增量。在極坐標系中，平均力和力矩可以寫成如下形式：

式中：VR，Vψ為極坐標速度分量；P為液體壓強。

4" " "模型簡化與建立

4.1" "坐標系及環境方向定義

分析中所使用的船舶自身坐標系及環境方向的定義如圖1所示。其中，Z軸原點在基線，向上為正。

4.2" "計算模型

該船長約為96 m、型寬28 m，根據簡化外形型線，建立船舶外殼。船舶停泊吃水為7.0 m，總重量根據排水量求得，重心高度為基線以上11.0 m。碼頭前沿水域為港池，屬于半封閉水域，浪高不超過0.5 m，流速小于0.5 m/s，流載荷及波浪載荷占比小。上層建筑也進行了簡化，但保證其風載荷不小于簡化前。考慮到碼頭高度的遮蔽效應，假設水面到碼頭地面高度之間部分不受風力的作用。簡化后的計算模型如圖2所示。

4.3" "纜繩的模擬

根據經驗，十字斜纜擬采用鋼絲繩，首尾橫纜采用尼龍繩，碼頭防臺帶纜如圖3所示。分析中，把鋼絲繩和尼龍繩的剛度、截面積、長度等模擬進MOSES的計算模型中。鋼絲繩和尼龍繩為只受拉模型，一端穿過船上的導纜孔固定在帶纜樁，一端固定在岸邊碼頭的帶纜樁。

其中，纜繩的具體規格要求如表2所示，典型防臺帶纜方案如圖3，共13根纜繩。

4.4" "靠球的模擬

防臺碼頭系泊時，為減少船舶與碼頭護舷之間的碰撞力，在船舶與碼頭之間加裝3個規格為2.5m×4m的靠球作為緩沖。計算中把靠球的剛度曲線模擬進MOSES的計算模型中，見圖4所示，靠球參數見表3所示，靠球為只受壓的非線性模型。

5" " 典型工況下帶纜受力計算

碼頭前沿水域為港池，屬于半封閉水域，浪高不超過0.5 m，波浪引起的船舶運動響應很小，取風力值14級風速下限42 m/s和12級風速上限36 m/s分別進行計算。

5.1" "在風速42 m/s時的計算

1）環境條件及計算工況

假定風、浪和流三者同向，且認為風、浪和流有可能從各個方向來，因此每隔45°取一工況作為環境方向，共取8個環境方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°）。分析中的潮汐、風浪流大小、船船吃水以及工況定義如表4所示。

2）環境力

在上述環境條件的作用下，船舶在風速為42 m/s時的各工況下所產生的環境力分別列于表5中。

3）纜繩力計算結果

船舶在風速為42 m/s時的各工況下，潮汐越高纜繩受力越大，典型防臺帶纜工況之一（W42-3）部分纜繩超出帶纜樁的安全工作負荷，未超出纜繩最小破斷負荷。具體情況如表5所示，其余均滿足帶纜樁和纜繩的工作負荷要求。

5.2" "在風速36 m/s時的計算

1）環境條件及計算工況

分析中假定風、浪和流三者同向，且認為風、浪和流有可能從各個方向來，因此每隔45°取一工況作為環境方向，共取8個環境方向（0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°）。從5.1節計算結果可知，潮汐越高纜繩受力越大，因此，本節只對風速36 m/s時最高潮位的工況進行分析。分析中的潮汐、風浪流大小、船船吃水以及工況定義如表7所示：

2）環境力

在上述環境條件的作用下，船舶在風速為36 m/s以及最高潮時的工況下所產生的環境力列于表8中。

3）纜繩力計算結果

船舶在風速為36 m/s以及最高潮的工況下，每根纜繩在環境條件作用下的受力如表9所示。

6" " "計算結果預報分析

從計算結果分析，可知：

1）從載荷組成及所占比例看，風載荷占比最大，而流載荷及波浪漂移力占比較小，因此風載荷為主要載荷；

2）在風速36 m/s時，單根纜繩最大系纜力為25.4 t，未大于25.5 t（碼頭帶纜樁的SWL），但由于部分帶纜樁帶兩根纜繩，組合LP71amp;LP72、組合LP41amp;LP51合力大于SWL，該兩處帶纜樁需要進行改造，才能滿足12級臺風；

3）在風速為42 m/s時，最大系纜力達到了33.6 t，系纜力大于25.5 t，超過了碼頭帶纜樁的SWL，部分帶纜樁帶兩根纜繩，組合LP11amp;LP12、組合LP41amp;LP51、組合LP71amp;LP72、組合LS11amp;LS12、單根帶纜LP62的系纜力超過了碼頭帶纜樁的SWL，該五處帶纜樁需要進行改造，才能滿足14級臺風。另外，碼頭需要增設系纜設備，需要在船頭適當的位置增加橫纜，才能滿足抗臺需求。

4）分析結果可以看出，潮位對系纜力影響較大；潮位高時，受風面積高出岸邊地面多，系纜力與水平面的夾角角度大，導致系纜力顯著增大。

5）系纜時，應根據高潮水時的情況（潮汐變化）及時調整纜繩長度，以避免由于漲潮船體升高，而拉伸纜繩產生的力。另外，每根纜繩的松緊應盡量保持一致，使其受力更均勻。

7" " "結論

通過計算分析，對系泊方案做了改進，主要是增加了船艏及船尾橫向受力的纜繩，用于抵抗船舶受到的臺風側向力，并提出改進措施和注意事項，提高碼頭防臺系泊帶纜安全性，確保臺風來襲時船舶的系泊安全。

參考文獻

[1]港口工程荷載規范 [S]. 北京：中華人民共和國交通運輸部 ， 2010.

[2] 朱仁傳 ， 繆國平 . 船舶在波浪上的運動理論 [M]. 上海：上海交通大學出版社 ， 2019.

[3] ABS Rules For Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].Houston：ABS， 2014.

[4] 陳奇.長周期波浪作用下的大型船舶系泊特征研究[D] 舟山：浙江海洋學院，2014.

[5]船舶與海上技術 充氣橡膠靠球：GB/T 21 482-2019 [S]. 北京：中國標準出版社 ， 2019.