江新偉 王南海

摘 要：綁扎固定設(shè)計載荷是工程船遠洋運輸保證安全的重要因素，也直接影響到整個遠洋運輸方案的經(jīng)濟性與否。本文結(jié)合DNV和ABS船級社規(guī)范，對工程船遠洋運輸綁扎固定設(shè)計載荷的規(guī)范計算方法和步驟作了介紹，研究并歸納總結(jié)出了一套通用可行的計算流程，為綁扎固定結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計提供了理論數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：綁扎固定；設(shè)計載荷；規(guī)范計算；遠洋運輸

中圖分類號：[U-9] 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）8-0071-03

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的海上運輸，比如導管架、上部組塊等，綁扎固定設(shè)計載荷是基于專業(yè)的海洋工程設(shè)計軟件直接計算得到的。

對于大型工程船等浮體貨物而言，通常采用半潛船干拖的方式進行遠洋運輸。浮體貨物的特殊結(jié)構(gòu)形式，直接決定了不能直接計算得到綁扎固定設(shè)計載荷的特點。

本文旨在根據(jù)以往實際項目施工中的一些經(jīng)驗，并結(jié)合DNV和ABS船級社的規(guī)范要求，就工程船遠洋運輸綁扎固定設(shè)計載荷的規(guī)范計算方法和步驟作簡單介紹。

1結(jié)構(gòu)物綁扎固定載荷的直接計算

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運輸綁扎固定設(shè)計載荷，通常使用MOSES和SACS軟件直接計算得到，其載荷主要組成如下：慣性載荷、風載荷。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的底部支撐腿的面積較小，且支撐高度較高，海上運輸過程中比較容易發(fā)生傾覆。因此，綁扎固定設(shè)計載荷計算時，通常使用斜拉筋形式的固定結(jié)構(gòu)，同時考慮了對底部支撐腿的彎矩載荷的影響。此情況下，可以使用SACS軟件直接計算結(jié)構(gòu)物綁扎固定設(shè)計載荷以及進行詳細支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。基本步驟如下：①首先使用MOSES軟件創(chuàng)建船舶模型，參考船舶裝載手冊調(diào)整船舶的重量分布；②按照設(shè)計方案，將結(jié)構(gòu)物的重量重心、受風面積等信息加載到模型對應(yīng)位置，并調(diào)整壓載艙壓載水布置方案至船舶平衡狀態(tài)；③計算船舶與貨物整體的穩(wěn)性和船舶的總縱強度，確保其滿足DNV規(guī)范的相關(guān)要求；④使用上述滿足規(guī)范要求的MOSES模型，加載波浪和風環(huán)境載荷，計算結(jié)構(gòu)物重量重心處的運動相應(yīng)，并提取各個方向的運動加速度；⑤使用SACS軟件建立整體結(jié)構(gòu)模型，將上述步驟計算得到的加速度加載到整體結(jié)構(gòu)模型中，直接計算綁扎固定設(shè)計載荷，并參考相關(guān)規(guī)范的要求，同時對綁扎固定結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。

2工程船綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念

對于工程船等浮體貨物遠洋運輸綁扎固定設(shè)計載荷，其基本組成部分與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物相同，即：慣性載荷、風載荷。

工程船的底部通常由枕木支撐，且支撐面積較大，枕木使用固定結(jié)構(gòu)固定在半潛船甲板上。海上運輸過程中，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物相比較而言，其發(fā)生傾覆的可能性更小。但是工程船結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，創(chuàng)建整體結(jié)構(gòu)模型工作量大，且工程船遠洋運輸綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運輸綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念不同[1]：

（1）半潛船在波浪載荷的作用下會發(fā)生中拱或中垂，貨物與半潛船甲板之間存在一定的相對運動。綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要釋放此部分相對位移產(chǎn)生的載荷；同時，還需滿足在發(fā)生最大相對位移時，綁扎固定結(jié)構(gòu)仍可以起到限制貨物運動的作用；

（2）綁扎固定結(jié)構(gòu)只允許承受單方向的正向壓力；

（3）貨物在垂直方向不設(shè)計綁扎固定結(jié)構(gòu)；

（4）工程船的綁扎固定結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計在底部，其設(shè)計載荷只考慮工程船的水平運動載荷，而彎矩載荷不予考慮；

（5）綁扎固定結(jié)構(gòu)通常做成標準件的形式，根據(jù)工程船固定設(shè)計載荷計算結(jié)果與標準件單件的設(shè)計承載力進行數(shù)量和類型組合。

綜合以上設(shè)計理念，對于工程船遠洋運輸而言，通常采用規(guī)范計算的方法迭加固定載荷的各個組成部分，從而求解得到最終的綁扎固定設(shè)計載荷。

3工程船綁扎固定載荷的規(guī)范計算

3.1風載荷規(guī)范計算

對于工程船遠洋運輸而言，綁扎固定設(shè)計載荷中的風載荷組成部分，通常采用規(guī)范計算的方法求解得到。

美國船級社（ABS）規(guī)范規(guī)定，其風速計算參考基準面為距離海平面以上15.3m處，且需要同時考慮以下兩種風速：

（1）平均風速：持續(xù)時間為1小時；

（2）陣風風速：持續(xù)時間為1分鐘。

參考美國石油協(xié)會（API）規(guī)范中給出的風速計算公式，可以進行不同高度處、不同持續(xù)時間范圍的風速轉(zhuǎn)化[4]。

為了簡化風載荷的計算過程，ABS規(guī)范中引入了形狀系數(shù)和高度系數(shù)的概念，以此來表述構(gòu)件形狀、構(gòu)件不同高度對風載荷大小的影響。表1中列舉出了典型常用結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)；表2列舉出了不同高度處的高度系數(shù)取值范圍，其高度數(shù)值取構(gòu)件形心至海平面的垂直距離[2]。

目前，ABS規(guī)范給出風壓計算公式[2]～[3]：

Fw=fVk2Ch Cs A/1000 （1）

式中，

f：風壓系數(shù)，取0.0623；

Cs：構(gòu)件的形狀系數(shù)，見表1；

Ch：構(gòu)件的高度系數(shù)，見表2；

A：受風構(gòu)件在迎風向的投影面積；

Vk：設(shè)計風速。

3.2風傾載荷計算

在持續(xù)風載荷的作用下，工程船與半潛船整體會發(fā)生一個小角度的橫傾角。橫傾角計算時，使用MOSES軟件進行計算，并同時考慮上述兩種風速。當半潛船出現(xiàn)橫傾角時，工程船重量在橫向會有一個與半潛船甲板平行的分量，即風傾載荷：

Fθ=W×sinθ （2）

式中，

W：工程船重量；

θ：半潛船橫傾角度。

3.3慣性載荷計算

工程船慣性載荷的計算方法，與常規(guī)結(jié)構(gòu)物類似，即先由MOSES軟件計算由于船舶運動效應(yīng)在工程船重心處產(chǎn)生的6個自由度的最大加速度：橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖；然后，使用2個平動自由加速度（橫蕩和縱蕩）分別計算出由加速度產(chǎn)生的橫向和縱向慣性載荷，而垂蕩加速度則用來計算工程船與枕木之間的摩擦力，此部分內(nèi)容后續(xù)做詳細介紹。其中，3個轉(zhuǎn)動加速度（橫搖、縱搖和首搖）產(chǎn)生的慣性載荷，則用來校核枕木抗壓強度，這里不做過多的敘述。

平動加速度產(chǎn)生的慣性力計算公式如下：

Facc=W×aacc （3）

式中，

W：工程船重量；

aacc：工程船平動加速度。

3.4枕木摩擦力計算

枕木除了為工程船提供垂向支撐外，同時還可以提供一定的摩擦力，用以抵消引起貨物水平運動的部分載荷。工程船與枕木之間的摩擦力計算公式如下：

Ffric=W×fcoe×（1-av ） （4）

式中，

W：工程船重量；

fcoe：許用靜摩擦系數(shù)；

av：工程船重心處的垂蕩加速度。

另外，工程船與枕木之間的靜摩擦系數(shù)大小，受到如下兩個因素的影響，計算摩擦力時需要進行綜合考慮：

（1）枕木的高度：當枕木高度不超過600mm時，在枕木長度方向和與枕木長度垂直的兩個方向，靜摩擦系數(shù)取相同的數(shù)值，均不折減；當枕木高度不小于900mm時，通常在與枕木長度垂直的方向設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐，在枕木兩個方向的靜摩擦系數(shù)取相同的數(shù)值，同樣不進行折減；當600mm<枕木高度<900mm，且枕木寬度不小于300mm時，與枕木長度垂直的方向，靜摩擦系數(shù)需要進行折減，折減之后的靜摩擦系數(shù)，按照如下公式計算[1]：

（2）工程船在船側(cè)方向的最大自由懸臂長度：如果工程船橫向尺寸較半潛船船寬尺寸大且重量較重，超過一定數(shù)值時，其與枕木之間的最大靜摩擦系數(shù)會相應(yīng)漸漸。最大許用靜摩擦系數(shù)與自由懸臂、工程船重量的關(guān)系定義如下表所示[1]。

3.5工程船固定設(shè)計極限載荷計算

使用上述計算得到的貨物風載荷、風傾載荷、慣性載荷，以及摩擦力計算結(jié)果，參考DNV規(guī)范中的載荷迭加公式，進行求解貨物運動極限荷載，其計算公式如下[1]：

（1）橫向（船寬方向）：

式中，F(xiàn)dyn=Feθ-Fmθ+Few-Fmw

Fmθ：平均風產(chǎn)生的橫向風傾載荷；

Feθ：陣風產(chǎn)生的橫向風傾載荷；

Fmw：平均風產(chǎn)生的橫向風載荷；

Few：陣風產(chǎn)生的橫向風載荷；

Facc： 橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

（2）縱向（船長方向）：

式中，

Fmw：平均風產(chǎn)生的縱向風載荷；

Few：陣風產(chǎn)生的縱向風載荷；

Facc：縱蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

考慮枕木摩擦力的影響，工程船綁扎固定設(shè)計極限載荷按照如下公式計算：

工程船綁扎固定設(shè)計，需考慮最小設(shè)計載荷。參考DNV規(guī)范，綁扎固定設(shè)計載荷最小值詳細規(guī)定見下表：

其中，W為工程船重量

（1）[NA]1≥（15-W/4000）%；

（2）[NA]2≥（7.5-W/4000）%；

（3）[NA]3≥（3.5-W/20000）%。

綜上所述：取上述計算得到的極限載荷Fe-force 與按照規(guī)范要求計算得到的最小設(shè)計載荷兩者中的較大值，并以此作為最終的工程船綁扎固定設(shè)計所需的計算載荷。

4結(jié)論

本文通過對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運輸與工程船遠洋運輸綁扎固定設(shè)計載荷的計算流程，并結(jié)合DNV和ABS船級社規(guī)范，對工程船遠洋運輸綁扎固定設(shè)計載荷的規(guī)范計算方法和步驟做了介紹。

此規(guī)范計算流程涉及的計算載荷較多，包括風載荷、風傾載荷、慣性載荷和摩擦力，各部分載荷計算之間是彼此聯(lián)系、逐級計算的；此計算流程參考的規(guī)范也較多，既用到API、ABS等常用海洋工程規(guī)范，也涉及到浮體貨物海上運輸方案設(shè)計的DNV規(guī)范。另外，此規(guī)范計算過程也涉及到水動力理論的應(yīng)用，需要使用到浮體專業(yè)計算軟件MOSES的輔助來求解運動加速度。

此工程船遠洋運輸綁扎固定設(shè)計載荷規(guī)范計算流程，經(jīng)過了以往實際項目經(jīng)驗的驗證，并為綁扎固定結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計提供了理論數(shù)據(jù)支持，其計算方法和步驟是可行且有效的。

參考文獻：

[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.

[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.

[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移動式平臺上的風載荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.

[4] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design， 21st Edition， 2007.