鄭 曉 (陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系， 陜西 渭南 714099)

基于OPTIMOOR的斜坡碼頭系留設(shè)施受力影響因素分析

為研究三峽庫區(qū)斜坡碼頭躉船在船舶靠泊作業(yè)時不同因素對躉船系留設(shè)施受力的影響，以保證碼頭安全作業(yè)，現(xiàn)基于OPTIMOOR軟件，以躉船和靠泊船整體為研究對象對各纜繩及錨鏈進行受力分析。結(jié)合工程實例，以現(xiàn)場實測結(jié)果與OPTIMOOR計算結(jié)果對比，驗證了船舶?？寇O船時該軟件計算的可靠性。最后針對該類情況，采用控制變量的方法分別對水流、風(fēng)、系泊纜繩角度、纜繩(錨鏈)缺失等因素進行分析并總結(jié)規(guī)律，為三峽庫區(qū)斜坡碼頭躉船系留設(shè)施的安全設(shè)計提供依據(jù)。

斜坡碼頭；系留設(shè)施；OPTIMOOR；影響因素；躉船

三峽水利樞紐的建成運行使得長江上游航道條件得到大幅度的改善和提高。由于庫區(qū)內(nèi)的斜坡碼頭受到變動回水區(qū)域特殊水文環(huán)境的影響，同時由于船舶大型化的不斷發(fā)展，使得船舶在停靠躉船時系留設(shè)施存在較大安全隱患。何旭等[1]通過有限元分析軟件MIDAS對躉船碼頭系纜力主要影響因素進行了分析計算，分析了影響躉船碼頭系纜力的因素；陳曉攀等[2]通過有限元軟件ANSYS對已建碼頭的靠泊能力進行評估，確保了港口的安全生產(chǎn)。舒斌等[3]結(jié)合工程實例，計算分析了超大型船舶在不同主機負(fù)荷下的系柱推力，優(yōu)化設(shè)計了纜樁布置，提出了合理建議。目前國內(nèi)外對于碼頭系纜力的研究相對較少，且以上有限元軟件在建模時均僅以躉船為研究對象。由于斜坡碼頭躉船在船舶靠泊作業(yè)時系纜力較不靠泊時大很多[4]，所以針對躉船和靠泊船整體受力的分析有待進一步研究。筆者通過計算結(jié)果偏保守的OPTIMOOR軟件[5]，將躉船和靠泊船均考慮在內(nèi)，分別分析了水流、風(fēng)、纜繩角度、纜繩(錨鏈)缺失等因素對躉船系留設(shè)施受力的影響。

1 模型建立

在建模時使用OPTIMOOR提供的Ship2Ship處理模塊。首先在環(huán)境界面定義水流、水位、風(fēng)、波浪等基本參數(shù)，其次在船纜界面定義船舶、纜繩和錨鏈的尺寸、材質(zhì)等屬性[6]，再次在泊位界面定義泊位數(shù)據(jù)及地牛、錨抓點位置，最后在系泊界面確定纜繩與地牛、錨鏈與錨抓點的對應(yīng)關(guān)系。躉船和靠泊船整體受力模型見圖1。

圖1 躉船與靠泊船整體受力模型

2 現(xiàn)場實測驗證

2.1 現(xiàn)場實測

基于振動頻率法[7-10]對重慶唐家沱油庫卸油碼頭展開現(xiàn)場實測。本碼頭躉船和靠泊船船型尺度見表1。躉船與靠泊船系留設(shè)施布置見圖2。躉船上設(shè)置了艏纜、艏橫纜、艉橫纜、艉纜、領(lǐng)水錨和艉開錨。躉船系錨設(shè)施參數(shù)見表2。艏錨和艉錨均為霍爾錨，重量為2 500 kg，地牛均采用現(xiàn)澆C25毛石混凝土系船塊體。

表1 船型尺寸

表2 躉船系錨設(shè)施參數(shù)表

圖2 躉船與靠泊船舶系留設(shè)施布置圖

纜繩纜力測量步驟為首先由附著在纜繩上的DH202-002壓阻式加速度傳感器拾取纜繩在環(huán)境振動激勵下的振動信號[11-13](見圖3)，然后通過DH5902動態(tài)信號測試系統(tǒng)(見圖4)進行頻譜分析并確定纜繩的部分自振頻率，最后將得到的某一階或幾階自振頻率以及纜繩的相關(guān)幾何、物理參數(shù)輸入編制的纜力計算程序得出纜力值[14]。

圖3 壓阻式加速度傳感器綁扎

圖4 DH5902動態(tài)信號測試系統(tǒng)

2.2 現(xiàn)場實測與OPTIMOOR結(jié)果對比

現(xiàn)場實測時靠泊船為滿載，通過直讀式流速儀測得水流為3 m/s順?biāo)?，通過風(fēng)速風(fēng)向儀測得風(fēng)為8 m/s吹開風(fēng)。將現(xiàn)場實測結(jié)果和OPTIMOOR結(jié)果對比如表3所示。

表3 現(xiàn)場實測和OPTIMOOR計算結(jié)果對比 單位：kN

由表3可知：(1) OPTIMOOR計算結(jié)果中艉橫纜和艉纜的張力均為零，說明纜繩處于松弛狀態(tài)。而實際纜繩即使在松弛的情況下自身重力也會產(chǎn)生一定的張力，故現(xiàn)場實測中各纜繩受力均不為零。(2) OPTIMOOR計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果大致吻合，故可用OPTIMOOR軟件針對躉船和靠泊船整體進行受力分析，后文以重慶唐家沱油庫卸油碼頭為例進行系泊力影響因素分析。

3 影響因素分析

3.1 風(fēng)速大小的影響

當(dāng)船舶停靠躉船時，為研究風(fēng)速對系留設(shè)施受力的影響，按《港口工程荷載規(guī)范》[15](JST 114-1-2010)，對沒有特殊要求的港口，可按9級風(fēng)即20.8 m/s～24.4 m/s來考慮。以24 m/s為設(shè)計最大風(fēng)速，分6個等級來分析風(fēng)速對系留設(shè)施安全的影響。假定水流為5 m/s順?biāo)鳎L(fēng)向為順?biāo)L(fēng)，利用OPTIMOOR得出不同風(fēng)速下纜繩及錨鏈的張力如表4所示。

表4 不同風(fēng)速下纜繩及錨鏈的張力

由表4得出：(1) 隨著風(fēng)速增大，艏纜、領(lǐng)水錨、艏開錨及艉開錨受力均增大，且領(lǐng)水錨所受張力變化幅度最大，變化幅度約為15%左右；(2) 當(dāng)水流流速為5 m/s，風(fēng)速不論增加多少，艉橫纜和艉纜均不受力。

3.2 風(fēng)向的影響

當(dāng)船舶?？寇O船時，為研究風(fēng)向?qū)ο盗粼O(shè)施受力的影響，將風(fēng)向以30°作為分級，共分12個方向來分析風(fēng)向?qū)ο盗粼O(shè)施安全的影響。假定水流為5 m/s順?biāo)?，風(fēng)速為24 m/s，利用OPTIMOOR得出不同風(fēng)向下纜繩及錨鏈張力如表5所示。

表5 不同風(fēng)向時纜繩及錨鏈的張力

由表5得出：(1) 當(dāng)風(fēng)向為90°即為吹攏風(fēng)時，領(lǐng)水錨、艏開錨和外開錨系泊張力均接近最大值，該風(fēng)向為錨鏈?zhǔn)芰Φ淖畈焕L(fēng)向；當(dāng)風(fēng)向為180°即為順?biāo)L(fēng)時，艏纜張力達到最大，該風(fēng)向為艏纜受力的最不利風(fēng)向；當(dāng)風(fēng)向為270°即為吹開風(fēng)時，艏橫纜張力達到最大，此風(fēng)向為艏橫纜受力的最不利風(fēng)向。(2) 5 m/s順?biāo)髑绎L(fēng)速24 m/s時，由于水流流速對躉船和靠泊船產(chǎn)生的作用力遠大于由風(fēng)產(chǎn)生的作用力，故無論風(fēng)向如何改變，艉橫纜和艉纜均不受力。(3) 當(dāng)風(fēng)向改變時，艏開錨和艉開錨系泊張力變幅較大，而艏纜和領(lǐng)水錨變幅較小。

3.3 流速大小的影響

當(dāng)船舶?？寇O船時，為研究流速對系留設(shè)施受力的影響，將流速以1 m/s為一個分級，共分6個等級分析流速對系留設(shè)施安全的影響。假定水流為順?biāo)髑覟?4 m/s順?biāo)L(fēng)時，用OPTIMOOR得出不同流速下纜繩及錨鏈張力如表6所示。

表6 不同流速時纜繩及錨鏈的張力

由表6得出：(1) 隨著流速的增大，艏纜、領(lǐng)水錨、艏開錨和艉開錨張力均大幅增加。(2) 無論流速如何，艉橫纜和艉纜均不受力；艏橫纜在流速較小時不受力，當(dāng)流速大于4 m/s時，艏橫纜開始受力且隨流速增大而不斷增大。(3) 與表4對比可知，流速對系泊力大小的影響遠大于風(fēng)速的影響。

3.4 水流方向的影響

三峽變動回水區(qū)河道水流條件復(fù)雜多變，水流實際入射方向可能與船舶縱軸線存在一定夾角。當(dāng)船舶?？寇O船時，為分析流向?qū)ο盗粼O(shè)施受力的影響，現(xiàn)考慮當(dāng)流向角在-15°～15°變化時，以每5°為一個級差分析流向?qū)ο盗粼O(shè)施安全的影響。水流流向角示意圖如圖5所示。

圖5 水流流向角示意圖

假定風(fēng)為24 m/s順?biāo)L(fēng)且水流流速為3 m/s時，用OPTIMOOR得出不同流向下各纜繩及錨鏈的張力如表7所示。

表7 不同流向下各纜繩及錨鏈的張力

由表7得出：(1) 當(dāng)水流流向角為-15°時，此時艏纜、艏橫纜、艉橫纜及艉纜均不受力，主要靠錨鏈來提供系泊力。因為此時流向與艏開錨方向接近，故此時艏開錨受力最大。(2) 水流流向為-15°時為艏開錨受力的最不利工況，水流流向角為15°為艏纜受力的最不利工況。

3.5 纜繩角度因素的影響

當(dāng)船舶?？寇O船時，為分析纜繩角度對系留設(shè)施受力的影響，現(xiàn)將艏纜和艉纜與碼頭前沿線的夾角以10°為一個級差，考慮夾角在30°～80°之間變化時纜繩角度對系泊張力的影響。假定水流為3 m/s順?biāo)?，風(fēng)為24 m/s吹開風(fēng)，用OPTIMOOR得出不同纜繩角度下各纜繩及錨鏈的張力如表8所示。

表8 不同纜繩角度時纜繩及錨鏈的張力

由表8得出：(1) 當(dāng)艏纜角度增大時，艏橫纜張力依次減小并趨于穩(wěn)定，而艏開錨張力不斷增大；其余纜繩或錨鏈?zhǔn)芰话l(fā)生明顯變化，為使纜繩和錨鏈張力均勻分布，故選擇艏纜角度為50°～60°。(2) 當(dāng)艉纜角度改變時，各纜繩及錨鏈?zhǔn)芰话l(fā)生明顯變化，故在選擇艉纜角度時，可根據(jù)碼頭岸坡實際情況盡量選擇角度較大的方向系泊，從而有效減少艉纜的長度。

3.6 纜繩(錨鏈)缺失的影響

現(xiàn)階段尚沒有一套完整的斜坡碼頭躉船系留規(guī)范。躉船在實際系泊時系泊方案往往根據(jù)泊位處水流條件加個人經(jīng)驗來選定。這就導(dǎo)致躉船在系泊時往往缺失某根纜繩(錨鏈)。假定水流為3 m/s順?biāo)?，風(fēng)為24 m/s順?biāo)L(fēng)時，用OPTIMOOR得出不同纜繩(錨鏈)缺失下各系泊線張力如表9所示。

表9 不同纜繩(錨鏈)缺失下各系泊線張力

由表9得出：(1) 當(dāng)缺失領(lǐng)水錨時，艏纜及艏開錨張力達到最大值；當(dāng)缺失艏開錨時，領(lǐng)水錨張力達到最大值。(2) 在缺失艉開錨時，艏纜及領(lǐng)水錨張力趨于均勻，但計算得到躉船橫向位移6 m,縱向位移1.2 m。超出躉船容許位移，故躉船必須設(shè)置艉開錨，以保證碼頭能夠正常作業(yè)。

4 結(jié) 論

(1) OPTIMOOR計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果大致吻合，可用OPTIMOOR軟件針對躉船和靠泊船整體進行受力分析。

(2) 當(dāng)風(fēng)速改變時，外開錨張力變化幅度最大；當(dāng)風(fēng)向改變時，艏開錨和艉開錨系泊張力變幅最大；隨著流速的增加，艏纜、領(lǐng)水錨、艏開錨和艉開錨張力均大幅增加；水流流向為-15°時為艏開錨受力的最不利工況，水流流向角為15°為艏纜受力的最不利工況；水流對躉船和靠泊船系留設(shè)施安全的影響遠遠大于風(fēng)的影響。

(3) 當(dāng)纜繩角度改變時，各纜繩或錨鏈張力變幅不大；當(dāng)缺失艏纜或艏開錨時，領(lǐng)水錨張力均大幅增加；當(dāng)缺失艉開錨時，躉船及靠泊船位移過大，影響船舶正常作業(yè)，故必須設(shè)置艉開錨。

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Analysis of Influencing Factors of Slope Pontoon Wharf Facilities
Mooring Force Based on OPTIMOOR

ZHENG Xiaoxun

(DepartmentofRailwayEngineering,ShaanxiRailwayInstitute,Weinan,Shaanxi714099,China)

In order to study the influence of different factors on the stress of the mooring facilities and to ensure the safe operation of the wharf when the ship berthing pontoon wharf in the Three Gorges Reservoir, now based on OPTIMOOR software this paper analyzed each rope and chain forces by the pontoon and ship overall. Combined with engineering examples, the reliability is verified by comparing the results of OPTIMOOR with the actual field measurement when the ship berthing pontoon wharf. Finally, the method of control variables were used to analyze the water, wind, angle of mooring lines and the cables (chains deletion) factors in such circumstances and summed up the law. This will provide the basis for safe design of pontoon wharf facilities in the Three Gorges Reservoir.

slope wharf; mooring facilities; OPTIMOOR; influencing factors; pontoon

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.040

2016-08-10

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項目(KY2015-33)

U656

A

1672—1144(2016)06—0208—05