張 健,連建魯,袁洪濤,劉海冬

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003) (2.威海海洋職業(yè)學(xué)院船舶工程系 威海 264300) (3.上海外高橋造船有限公司,上海200137)

自升式海洋平臺(tái)在碼頭進(jìn)行建造、舾裝、維修期間,通常不做插樁,平臺(tái)主體漂浮在水中.此外,由于自升式平臺(tái)碼頭舾裝周期較長,在我國部分地區(qū)不可避免地經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)期,因此,需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行抗臺(tái)風(fēng)碼頭系泊．由于自升式平臺(tái)與普通船舶在外形、結(jié)構(gòu)、重心等方面均有很明顯區(qū)別,需要對(duì)其設(shè)計(jì)特定的碼頭系泊方案[1-2]．目前國內(nèi)外對(duì)自升式平臺(tái)在離岸作業(yè)狀態(tài)下的纜繩張力和鎖緊機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了一些分析研究,如采用數(shù)值計(jì)算的方法,考慮風(fēng)浪流的綜合作用,獲得系泊平臺(tái)在多種工況下纜繩張力的變化規(guī)律;對(duì)平臺(tái)在風(fēng)暴自存狀態(tài)下鎖緊機(jī)構(gòu)承載性能和預(yù)壓載性能進(jìn)行校核;研究了系纜的超諧動(dòng)張力分量對(duì)于纜索疲勞累積損傷的影響等．但均未涉及自升式平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)作用下碼頭系泊纜繩破斷分析,尤其是未對(duì)平臺(tái)與碼頭之間墊靠駁船的碼頭系泊方式進(jìn)行深入探討．總體而言,國內(nèi)外對(duì)于自升式平臺(tái)抗臺(tái)風(fēng)碼頭系泊纜繩破斷力的研究還很缺乏,相關(guān)研究主要集中在文獻(xiàn)[3-5]中．文中針對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、海流流速遠(yuǎn)大于預(yù)期、極有可能造成碼頭系泊系統(tǒng)纜繩破斷的情況進(jìn)行分析計(jì)算．采用平臺(tái)與碼頭之間墊靠駁船的碼頭系泊方式,找出惡劣環(huán)境載荷下的危險(xiǎn)工況,并分析此工況下纜繩破斷規(guī)律和剩余纜繩受力,提出系泊方案加強(qiáng)建議,為提高自升式平臺(tái)碼頭抗臺(tái)風(fēng)系泊安全性能提供參考．

1 自升式平臺(tái)碼頭系泊系統(tǒng)

1.1 平臺(tái)參數(shù)及系泊方案

以外高橋造船集團(tuán)建造的JU2000E型自升式平臺(tái)碼頭系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象,平臺(tái)主要參數(shù)見表1．為減少平臺(tái)與碼頭之間的直接碰撞,在平臺(tái)與碼頭之間放置方形駁船用于靠泊,駁船排水量為1 013 t．駁船的主要作用為海洋平臺(tái)提供一個(gè)彈性基礎(chǔ),因此駁船被良好地與碼頭進(jìn)行連接,位移自由度均被約束,其運(yùn)動(dòng)影響對(duì)海洋平臺(tái)的系泊無不良影響及干擾．

表1 自升式鉆井平臺(tái)主尺度參數(shù)Table 1 Main dimension parameters of jack up platform

系泊纜繩可以有效限制海洋結(jié)構(gòu)物的六自由度運(yùn)動(dòng),防止結(jié)構(gòu)物因?yàn)榇蠓\(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞及漂移事故從而造成結(jié)構(gòu)損壞．考慮抗臺(tái)風(fēng)的因素，設(shè)置2種系泊方案,分別應(yīng)對(duì)不同級(jí)別的臺(tái)風(fēng),平時(shí)碼頭作業(yè)及應(yīng)對(duì)普通臺(tái)風(fēng)時(shí)應(yīng)用普通系泊方案;當(dāng)遇到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),除了對(duì)平臺(tái)進(jìn)行纜繩系泊外,同時(shí)對(duì)平臺(tái)實(shí)施預(yù)拋錨．普通系泊方案及預(yù)拋錨系泊方案如圖1、2．

圖1 平臺(tái)普通系泊方案Fig.1 Normal mooring scheme of platform

圖2 平臺(tái)預(yù)拋錨系泊方案Fig.2 Anchor mooring scheme of platform

圖1、2中自升式平臺(tái)和碼頭之間纜繩編號(hào)為1～13,平臺(tái)和靠泊駁船之間纜繩編號(hào)為A～D,錨鏈編號(hào)為anchor 1～6．預(yù)拋錨方案中錨鏈水底部分插樁固定．

1.2 平臺(tái)系泊系統(tǒng)坐標(biāo)系

考慮平臺(tái)多自由度運(yùn)動(dòng),綜合風(fēng)浪流方向、平臺(tái)和碼頭的相對(duì)位置,建立坐標(biāo)系(圖3).

圖3 自升式平臺(tái)系泊系統(tǒng)坐標(biāo)系Fig.3 Mooring system of jack up platform coordinate system

如圖3,OXY為大地坐標(biāo)系,平臺(tái)舷側(cè)與靠泊駁船平行,中間墊靠橡膠碰墊,風(fēng)、浪、流方向朝向平臺(tái)(圖中為180°)．o1x1y1是平臺(tái)隨體坐標(biāo)系,與大地坐標(biāo)系夾角為30°．平臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)位于平臺(tái)基線中心處．駁船的坐標(biāo)系(o2x2y2)與大地坐標(biāo)系平行,坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置于駁船幾何中心，文中總體坐標(biāo)系均為大地坐標(biāo)系．

1.3 平臺(tái)系泊風(fēng)、流載荷系數(shù)

根據(jù)OCIMF風(fēng)、流載荷計(jì)算公式[6],運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件Fine/Marine計(jì)算縱蕩、橫蕩、艏揺的風(fēng)壓載荷,計(jì)算公式為:

(1)

式中：Asurge、Asway、Ayaw分別為縱蕩面積、橫蕩面積、艏揺面積力矩；Csurge、Csway、Cyaw分別為對(duì)應(yīng)的載荷系數(shù)．

計(jì)算過程中采用簡(jiǎn)化的風(fēng)載荷數(shù)值模型,取桁架樁腿每側(cè)實(shí)際投影面積的30%[7],將樁腿截面等效為正三角柱體[8],井架等效為長方體．得出風(fēng)、流載荷系數(shù)如圖4、5.

圖4 風(fēng)載荷系數(shù)Fig.4 Wind load coefficient

圖5 流載荷系數(shù)Fig.5 Fluid load coefficient

2 纜繩破斷計(jì)算分析

2.1 纜繩受力計(jì)算理論

系泊纜繩的模擬理論模型主要有3種[9]：① 懸鏈線模型；② 短棒模型；③ 集中質(zhì)量模型．文中選用系泊專業(yè)軟件Orcaflex對(duì)平臺(tái)系泊過程中纜繩力的變化情況進(jìn)行分析,該軟件原理為集中質(zhì)量法,此方法效率高,適用范圍廣,可以適用于非線性、震蕩流體、不均勻纜繩、不平衡狀況．該方法的數(shù)學(xué)模型為:

(2)

2.2 浪高對(duì)系泊性能的影響

自升式碼頭系泊時(shí),波浪會(huì)增大平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),一定程度上提高纜繩受力．在離岸風(fēng)的情況下,風(fēng)從平臺(tái)陸地一側(cè)吹來,波浪作用并不明顯,而沿岸風(fēng)對(duì)系泊纜繩影響最大[10]．文中僅考慮沿岸風(fēng)(風(fēng)向β=0，β=180°)對(duì)系泊纜繩的受力影響,以及垂直靠岸風(fēng)(β=-90°)對(duì)護(hù)舷的擠壓作用．此處波浪采用非線性Dean Stream波,該波形適用于各種水深,具有較強(qiáng)的代表性[11]．流速方向?yàn)?,風(fēng)速方向和波浪方向相同,取β=0、β=180°．波浪高度取0～3 m，具體計(jì)算工況如表2．

表2 波浪計(jì)算工況Table 2 Calculate classification of wave

圖6～8為4種工況下(風(fēng)浪同向)風(fēng)向和浪向分別為0、180°時(shí)的纜繩受力和平臺(tái)運(yùn)動(dòng),以及90°時(shí)的護(hù)舷受力情況．

如圖6，在風(fēng)、浪方向?yàn)?、180°時(shí),隨著波浪高度的增加大部分纜繩受力值增加,最大增加幅度為10%．如圖7,平臺(tái)縱蕩、艏搖也隨波浪高度增加而增加,增加幅度大于纜繩張力增加幅度．平臺(tái)橫蕩發(fā)生小幅度降低,這和波浪高度變化引起的纜繩伸長有關(guān),使得平臺(tái)壓縮護(hù)舷的程度減小,從而使橫蕩幅度降低．從圖8可以看出,波浪垂直沖擊自升式平臺(tái),會(huì)增加護(hù)舷的受力,隨波高增加,護(hù)舷受力增加,近似呈線性，最大增幅為10%左右．平臺(tái)波浪載荷相對(duì)于風(fēng)載荷所占比例較小,對(duì)碼頭系泊影響較?。?/p>

圖6 在不同風(fēng)浪方向下各工況纜繩受力Fig.6 In the working condition of the cable force under different wind directions

圖7 在不同風(fēng)浪方向下各工況平臺(tái)運(yùn)動(dòng)Fig.7 Working platform movement under different wind directions

圖8 在風(fēng)浪載荷方向?yàn)?0°時(shí)各工況護(hù)舷受力情況Fig.8 Each fender stress distribution under about 90 ° in the direction of wind load working condition

2.3 纜繩破斷計(jì)算工況設(shè)定

在臺(tái)風(fēng)作用下,平臺(tái)系泊纜受力最大風(fēng)向?yàn)?0°、150°離岸風(fēng)[12];平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度最大風(fēng)向?yàn)?、180°沿岸風(fēng),纜繩最大受力僅次于150°；3組纜繩line 4、9、12、D受力為相應(yīng)位置最大值．風(fēng)向力0、60°時(shí)流載荷方向和波浪方向均取0．同理風(fēng)向150°、180°時(shí)流載荷方向和波浪方向均取180°．可以使平臺(tái)纜繩承受最大受力,為最危險(xiǎn)工況．波浪取最大的3 m波高用以模擬極限工況，見表3、4．

表3 方向定義Table 3 Define the direction (°)

表4 計(jì)算工況Table 4 Working condition of calculation

由于纜繩、錨鏈的極限承載力分別為1 220、1 920 kN．因此,普通系泊方案(只系纜繩不拋錨)下平臺(tái)最大可承受28.4 m/s的風(fēng)速,而工況1～4為36 m/s的臺(tái)風(fēng),因此纜繩會(huì)發(fā)生破斷．而預(yù)拋錨方案只能抵御最大36 m/s的臺(tái)風(fēng),而工況5～8臺(tái)風(fēng)風(fēng)速51.5 m/s,流速波高增加,因此纜繩及錨鏈均會(huì)發(fā)生破斷．需要指出的是,不同規(guī)格的錨鏈及纜繩,所產(chǎn)生的破斷力會(huì)有所不同,但文中所提供系泊纜繩及錨鏈破斷力的計(jì)算方法對(duì)于同類型的系泊計(jì)算具有借鑒性．

2.4 纜繩破斷順序分析

在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下,不同的風(fēng)浪流方向會(huì)導(dǎo)致系泊纜繩破斷的位置不同,且破斷具有一定的順序[13]，文中總結(jié)各工況的纜繩破斷情況,并分析其破斷規(guī)律．

圖9、10分別為普通系泊方案和預(yù)拋錨系泊方案下不同風(fēng)向的纜繩破斷順序示意．箭頭指向?yàn)槔|繩破斷順序,每個(gè)風(fēng)向標(biāo)注了依次破斷的4根纜繩．

圖9 普通系泊方案不同風(fēng)向纜繩破斷順序Fig.9 Ordinary mooring scheme cable breakage order in different wind

圖10 拋錨系泊方案不同風(fēng)向纜繩破斷順序Fig.10 Anchor mooring scheme cable breakage order in different wind

表5、6列出了8種工況下,分別按照纜繩破斷力大小及破斷纜繩的長度為依據(jù)的纜繩破斷順序,表中破斷力為前一根纜繩破斷后該根纜繩破斷前一刻所承受的最大拉力．

對(duì)表5、6的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出纜繩的破斷規(guī)律:① 在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)條件下,系泊纜繩的破斷順序具有一定的規(guī)律．系泊系統(tǒng)中一旦有纜繩發(fā)生破斷,剩余纜繩會(huì)承受更大拉力而不斷地發(fā)生破斷,最終導(dǎo)致系泊系統(tǒng)失效．② 纜繩破斷順序與纜繩長度密切相關(guān),在風(fēng)浪流的來襲方向,最先破斷的纜繩基本是長度最短的纜繩．表6中各工況最先破斷的纜繩長度不一致,是因?yàn)楦鞴r風(fēng)向不一致,因而受力的纜繩有所區(qū)別．

表5 破斷前纜繩受力Table 5 Cable force before broken kN

表6 破斷纜繩長度Table 6 Cable length before broken m

3 結(jié)論

(1) 對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下的自升式平臺(tái)碼頭系泊而言,風(fēng)力大于28.4 m/s時(shí),風(fēng)載荷為主要載荷,約占破斷載荷的90%,波浪載荷相對(duì)于風(fēng)載荷所占比例較小(小于10%),對(duì)碼頭系泊影響較?。?/p>

(2) 在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)持續(xù)作用下,在風(fēng)浪流襲來的主方向,最短纜繩最先發(fā)生破斷,其附近纜繩會(huì)發(fā)生后續(xù)破斷,后破斷纜繩會(huì)承受比先破斷纜繩更大的拉力,受力逐漸遞增,最終導(dǎo)致平臺(tái)系泊系統(tǒng)失效．

(3) 為提高系泊系統(tǒng)的安全性,海洋平臺(tái)在碼頭系泊而未插樁期間,需對(duì)科學(xué)制定系泊方案,并對(duì)系泊方案進(jìn)行纜繩破斷分析,以校核系泊方案的可靠性及極限承載力．根據(jù)本文計(jì)算分析結(jié)果,典型自升式平臺(tái)與碼頭連接纜繩長度在35～70 m為宜,最短不宜低于35 m,最大不宜超過80 m,且保持與碼頭邊緣夾角在30°或60°附近,錨鏈長度控制在50 m左右．

(4) 提出的纜繩破斷分析方法不僅適用于海洋平臺(tái),還可以對(duì)船舶、浮式風(fēng)機(jī)等海洋浮式結(jié)構(gòu)物在強(qiáng)風(fēng)載荷下的系泊系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估．