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.