張 鼎，黃 維，俞 赟

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著船舶的大型化發(fā)展以及大型深水開敞式碼頭相繼建成，船舶的系泊問題得到了越來越多的重視。大型船舶在惡劣的環(huán)境條件下一旦發(fā)生系泊纜斷裂，將會發(fā)生船舶撞毀碼頭并造成自損的事故，后果將非常嚴重[1]。因此針對船舶系泊問題進行研究有著重要的現(xiàn)實意義，目前已取得了一定的研究成果[2,3]：施加合理的預張力，可均衡纜繩張力；系泊時，在系泊碼頭條件許可的情況下，要盡量避免部分纜繩過短，增加纜繩長度可降低纜繩張力。

1 碼頭系泊計算模型

1.1 碼頭系纜模式

碼頭纜繩系泊是船舶系泊的基本方式，其效果的好壞取決于系泊模式和纜繩配置。目前，關于大型集裝箱船碼頭系泊布置的參考規(guī)范少見報道，本文的系泊布置主要參照OCIMF[4]（石油公司國際海事論壇）液貨船規(guī)范相關要求，包括如下原則性建議：

1) 系泊纜的布置盡量關于船的舯剖面對稱，且倒纜和橫纜的數(shù)量一般是偶數(shù)，如果使用的橫纜數(shù)不是偶數(shù)，多余的纜索一般用在艉部；

2) 橫纜盡量垂直于船的中縱剖面，且盡量接近船首或船尾；

3) 倒纜盡量與船的中縱剖面平行；

4) 盡量減小系泊纜的垂向角度。

1.2 坐標系統(tǒng)

坐標系統(tǒng)包括局部坐標系和整體坐標系，如圖1所示。局部坐標系x軸正向朝向船首，y軸正向朝向右舷，z軸正向向下；整體坐標系X軸正向朝北，Y軸正向朝東，Z軸正向向下，且坐標原點一般取在水線面中點。風、浪、流力方向沿坐標軸方向為正，力矩方向沿順時針為正。

1.3 環(huán)境載荷

風載荷和流載荷的研究較為成熟，根據(jù)物體的形狀阻力系數(shù)和各船級社及相關規(guī)范要求可以估算出風載荷和流載荷，或者采用風洞和水池試驗測出風力和流力系數(shù)。本文風力系數(shù)和流力系數(shù)參照OCIMF選取，且根據(jù)文獻[5]計算環(huán)境載荷。

1.4 設計衡準

根據(jù)BV規(guī)范[6]，準動力分析中在完整狀態(tài)(即無纜繩破斷)下各纜繩受力的最小安全系數(shù)許可值為 1.75，其中最小安全系數(shù)為破斷載荷/纜繩最大張力。

圖1 參考坐標系

2 碼頭系泊受力計算

2.1 船舶主尺度

本文分析對象為某10000TEU 集裝箱船，其主尺度如表1所示。

表1 船舶主尺度

2.2 系泊布置

根據(jù)該船舾裝數(shù)計算結果，并按照規(guī)范要求，纜繩數(shù)量為 11根。由于規(guī)范中規(guī)定的系泊索數(shù)量是最低要求，參照目前已運行同類船型的系泊索配置及1.1節(jié)的纜繩布置基本原則，該船的系泊布置如圖2、3所示，船首和船尾各8根纜繩。且在碼頭靠泊對應位置，沿吃水方向雙層布置鼓形護舷，設計變形量為52%，最大反力值為560kN。經(jīng)ARIANE7.0.2軟件[7]計算效果圖如圖4所示。

圖2 船尾系泊布置

圖3 船首系泊布置

2.3 環(huán)境條件

根據(jù)OCIMF有關資料，對無限航區(qū)系泊力的計算是基于以下狀態(tài)，即來自任何風向下60kn的風速以及同時包括以下任意一個條件：1) 0°或180°流向下3kn的流速；2) 10°或170°流向下2kn的流速；3) 流載荷最大的流向下0.75kn的流速。

根據(jù)船東提供的靠泊碼頭環(huán)境條件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，碼頭區(qū)域波高較小，可以忽略其對船體運動的影響，計算采用的環(huán)境條件只考慮風和流的組合；可能遭遇的最大風速為40kn，將其作為碼頭系泊的正常海況。根據(jù)OCIMF建議，可將60kn風速定為臺風海況。限于篇幅，本文只計算危險的環(huán)境條件組合：離岸風（東向作用）、API風譜、流向180°。具體風、流環(huán)境條件組合如表2所示，計算采用的碼頭水位為20m。

表2 環(huán)境條件

2.4 系泊纜

選取兩種纜繩進行計算分析，材料1為尼龍12股編織繩，材料2為12股烯烴聚合物編織繩。為了對比分析彈性模量對纜繩受力的影響，假定兩種材料的破斷載荷、直徑和單位重量等參數(shù)均相同，如表3所示。

圖4 系泊系統(tǒng)計算效果

表3 材料屬性

2.5 時域計算結果分析

基于BV系泊分析軟件ARIANE7.0.2，通過時域計算方法模擬3h內(nèi)系泊系統(tǒng)在正常海況和臺風海況下的運動響應，得到該船各系泊纜的受力、系泊纜的主要狀態(tài)參數(shù)包括預張力和剛度特性，在此基礎上，首先分析預張力、纜繩材料剛度對纜繩受力的影響，同時通過纜繩數(shù)量變化，分析系泊布置對纜繩受力的影響，最后計算分析給定系泊布置在臺風海況下的系泊狀態(tài)。

2.5.1 預張力影響

預張力是指在無環(huán)境載荷的狀態(tài)下，通過絞車絞緊提供給系泊纜的初始張力。本文預張力的取值分別為60kN、80kN、100kN、120kN、140kN、160kN和180kN。圖5表示預張力大小與系泊系統(tǒng)中各纜繩受力的最大值與最小值的差值相對于最大值的變化率的關系，從圖5可見預張力越大，相對變化率越小，即纜繩受力的最大值與最小值的差值相對較小，纜繩上受力趨于均衡。同時，由圖6可知，隨著預張力變大，纜繩最大受力逐漸變大，即最小安全系數(shù)逐漸變小?？梢婎A張力并非越大越好，在系泊系統(tǒng)計算分析中設置一個合理大小的預張力是關鍵的一步?；诶|繩受力分配和最小安全系數(shù)的考慮，本文選取的預張力大小為120kN。

圖5 預張力與纜繩受力相對變化率之間的關系

圖6 預張力與纜繩最大受力之間的關系

2.5.2 纜繩材料剛度影響

系泊纜的剛度對碼頭系泊系統(tǒng)有著重要的影響，且系泊纜的剛度與材料的彈性模量密切相關，剛度越大，彈性模量值越大。本節(jié)計算分析了預張力為120kN、環(huán)境條件為正常海況下材料彈性模量對纜繩受力的影響。如圖7所示，材料1每根纜繩的最大受力均比材料2的對應值要小，主要原因在于材料1的彈性模量比材料2要小，其剛度較小，彈性伸長量大，各根纜繩上受力更易均衡分配?？梢娎|繩剛度越大，其系泊張力越大。

2.5.3系泊布置影響

對于上層建筑在艉部的船舶，由于船尾受風面積較大，艉纜的受力比艏纜要大。為了分析增加纜繩數(shù)量是否改善艉纜的受力狀態(tài)，根據(jù)目標船系泊絞車布置及碼頭系纜墩布置特點，在 2.2節(jié)所述系泊布置基礎上（原有纜繩編號不變），計算分析以下兩種方案：1) 增加3根倒纜，帶在帶纜樁上，即圖8所示的17號和圖9所示的18～19號纜繩，此方案系泊布置的纜繩為1～19號；2) 增加1根橫纜，帶在帶纜樁上，即圖8所示的20號纜繩，此方案系泊布置的纜繩為1～16號和20號。其中纜繩材料為材料1，預張力為120kN。

圖7 每根纜繩的最大受力

圖9 增加纜繩后船首系泊布置

表4為增加纜繩數(shù)量后每根艉纜受力情況對比，從表中可以看到3種布置方案下5號和6號纜繩（由船舷引出的橫纜）的受力均較大，原因可歸結為纜繩從船舷導纜孔引出點到碼頭系纜墩部分的長度較短，且垂向角度較大（約60°左右），纜繩彈性的減少增加了受力。故碼頭系泊布置要盡量避免纜繩垂向角度過大，否則由于纜繩過短，彈性減少過多導致纜繩受力過大。原布置受力最大的6號纜繩在方案一（19根纜）和方案二（17根纜）情況下最大受力的減小幅度大致相同，可見纜繩配置數(shù)量并非越多越好，在6號纜周圍增加一根橫纜在一定程度上可以改善纜繩的受力狀態(tài)。

表4 每根艉纜最大受力對比

2.5.4 臺風海況下系泊計算結果

分析所用的環(huán)境條件為臺風海況[8]，具體環(huán)境條件參數(shù)如表 2所示，且纜繩材料為材料 1，采用 2.2節(jié)的系泊布置方案，計算結果如表5所示。計算結果表明，最小安全系數(shù)滿足1.4節(jié)的設計衡準要求，系泊方案可滿足臺風狀態(tài)下的系泊系統(tǒng)安全要求。

表5 系泊計算結果

3 結 語

以某 10000TEU 集裝箱船為例，基于時域計算方法分析了預張力、纜繩材料剛度和系泊布置等對纜繩受力的影響，且進行了抗臺風計算分析，得到了以下結論：

1) 從纜繩受力均衡和最小安全系數(shù)角度考慮，預張力大小建議取纜繩破斷載荷的10%；

2) 纜繩材料彈性較好，則纜繩受力較??；

3) 由于短纜受力較大，對經(jīng)常停靠惡劣海況碼頭的船舶，要定期檢查由船舷引出的短纜是否有破損；

4) 該系泊系統(tǒng)方案可滿足臺風狀態(tài)下的碼頭系泊安全要求，為保證實船在惡劣海況下的碼頭系泊安全提供了一定的理論基礎。

[1] 李 臻，楊 啟，宗賢驊，等. 巨型船舶大風浪中系泊模型試驗研究[J]. 船舶工程，2003, 25(6): 5-8.

[2] 汪舟紅，鄒 英，韓國松. 開敞式碼頭系泊纜繩的優(yōu)化研究[J]. 水運工程，2012, 63(2): 66-68.

[3] 羅 偉，何炎平，余 龍，等. 碼頭雙船系泊模型試驗研究[J]. 船舶工程，2007: 29(6): 1-4.

[4] OCIMF. Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S]. 2005.

[5] BV. ARIANE V7.0.2, Theoretical Manual, Version 7.0.2[R]. 2007.

[6] BV. NI 493 Guidance Note “Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units” [S]. 2008.

[7] BV. ARIANE V7.0.2, User’s Guide, Version 7.0.2[R]. 2011.

[8] 陳 剛，吳曉源. 深水半潛式鉆井平臺碼頭抗臺風系泊計算分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, (2): 7-11.