王金城，陳 謙，張美林

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

我國(guó)的港口建設(shè)歷經(jīng)多年繁榮發(fā)展，傳統(tǒng)的各類(lèi)固定泊位碼頭的設(shè)計(jì)已十分成熟，優(yōu)良的港口岸線(xiàn)資源越來(lái)越少。同時(shí)，為響應(yīng)國(guó)家“一帶一路”倡議，越來(lái)越多國(guó)內(nèi)的港口工程建設(shè)者和設(shè)計(jì)者走出國(guó)門(mén)，參與全球碼頭建設(shè)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。離岸式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)作為國(guó)外油輪碼頭常用的一種近海離岸系泊的方案，開(kāi)始逐漸進(jìn)入中國(guó)建設(shè)者們的視野。

懸鏈浮筒式多點(diǎn)系泊(multi buoy moorings，MBM)是一種具有多組系泊腿的離岸系泊方式，其中系泊腿主要包含錨、錨鏈和系泊浮筒。懸鏈浮筒式多點(diǎn)系泊可以有效解決國(guó)內(nèi)岸線(xiàn)資源枯竭的問(wèn)題；同時(shí)，相比傳統(tǒng)固定泊位碼頭，它具有疏浚少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)自然條件適應(yīng)性好、對(duì)拖船要求低、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)。

然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于MBM的設(shè)計(jì)研究幾乎沒(méi)有，傳統(tǒng)固定碼頭的設(shè)計(jì)方法并不適用于MBM的設(shè)計(jì)。MBM泊位系泊的船舶運(yùn)動(dòng)與受力復(fù)雜，MBM泊位設(shè)計(jì)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)、外荷載作用等的計(jì)算更復(fù)雜。傳統(tǒng)碼頭設(shè)計(jì)的靜力分析難以滿(mǎn)足MBM系纜力計(jì)算的要求，船舶系纜力的動(dòng)態(tài)分析成為設(shè)計(jì)MBM的關(guān)鍵。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范

1.1 國(guó)內(nèi)規(guī)范

國(guó)內(nèi)并沒(méi)有針對(duì)離岸系泊定位的相關(guān)規(guī)范，相近的規(guī)范有《斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]和《浮式結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析》[2]。前者針對(duì)浮式碼頭結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單描述了平底躉船錨鏈及錨的計(jì)算，后者是套用美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API-RP-2SK[3]，側(cè)重于石油平臺(tái)或者浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油、卸油裝置的單點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)。

1.2 國(guó)外規(guī)范

國(guó)外的規(guī)范相對(duì)較多，如BS 6349-6[4]，對(duì)單點(diǎn)和雙點(diǎn)系泊的基本布置形式、系泊船舶的環(huán)境荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)介紹；石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)的《懸鏈浮筒式多點(diǎn)系泊的設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)指南》[5]從多浮筒系泊的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、作業(yè)、保養(yǎng)、維修等方面給出詳細(xì)的規(guī)定與指導(dǎo)；挪威船級(jí)社與德國(guó)勞氏船級(jí)社集團(tuán)的DNVGL-OS-E301[6]，偏重于海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)的系泊設(shè)計(jì)，屬于長(zhǎng)期系泊的類(lèi)型，因而系泊環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)很高，不完全適用于船舶的系泊；美國(guó)國(guó)防部的《系泊設(shè)計(jì)手冊(cè)》[7]將艦隊(duì)系泊系統(tǒng)分為單點(diǎn)系泊、兩點(diǎn)系泊、多點(diǎn)系泊、多船系泊共4類(lèi)，并給出具體的布置形式。此外，OCIMF的《系泊設(shè)備指南》[8]、美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API-RP-2SK等也有離岸系泊的相關(guān)內(nèi)容。

2 MBM平面布置

根據(jù)船舶自帶錨鏈?zhǔn)欠駞⑴c系泊，可以將MBM分為傳統(tǒng)浮筒系泊(CBM)與全浮筒系泊(ABM)兩類(lèi)。

CBM是一種船首利用船舶自帶船錨錨碇，船尾由多組系泊浮筒系泊的離岸系泊方式。由于依賴(lài)于船錨來(lái)錨碇船首，給船舶定位帶來(lái)很大的不確定性；相比于永久的系泊腿，船錨所能提供的系纜力有限，因此CBM更適用于自然條件較溫和的海域。

ABM是一種船首、船尾全部采用浮筒系泊的離岸系泊方式。ABM通常用于海底條件不利于船錨拋錨，或最不利環(huán)境條件下需要額外系泊約束力的情況。

OCIMF的《懸鏈浮筒式多點(diǎn)系泊的設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)指南》給出了油輪MBM泊位常用的3種平面布置形式，見(jiàn)圖1。

圖1 OCIMF的MBM泊位平面布置形式

BS6349-6推薦采用3、5、6和8浮筒的布置形式，見(jiàn)圖2。

對(duì)比OCIMF與BS6349-6，二者推薦的平面布局都是基于船舶的纜繩、船錨的布置來(lái)進(jìn)行基本布局，在各系泊腿與船錨的角度、系泊腿到船舶距離等設(shè)計(jì)上也大致相同。OCIMF推薦纜繩最大角度為10°～15°，船到浮筒的最大距離不超過(guò)150 m。一個(gè)顯著的區(qū)別在于，OCIMF推薦減少系泊腿的數(shù)量，并增大單個(gè)系泊腿的承載力，這主要是由于在滿(mǎn)足船舶系纜力以及船舶作業(yè)位移要求的情況下，浮筒數(shù)量越少，系纜力的分布越合理，也更便于控制船舶的系泊狀態(tài)。

圖2 BS 6349-6的MBM泊位浮筒布置

3 設(shè)計(jì)荷載

對(duì)于作用在固定式系船、靠船結(jié)構(gòu)上的船舶荷載，國(guó)內(nèi)規(guī)范僅考慮由風(fēng)和水流產(chǎn)生的系纜力，只有在大型碼頭中，才要求考慮波浪引起的船舶撞擊力，而且并未給出計(jì)算方法。在MBM泊位的系纜設(shè)計(jì)中，波浪是船舶6個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的重要環(huán)境荷載，對(duì)船舶位移有顯著的影響，波浪對(duì)船舶作用是必須要考慮的一個(gè)因素。

風(fēng)、水流荷載的計(jì)算，國(guó)標(biāo)、OCIMF、BS6349-6以及API-2SK-2005均有各自成熟的計(jì)算體系。OPTIMOOR軟件采用的是OCIMF基于試驗(yàn)推導(dǎo)的風(fēng)、水流荷載的計(jì)算公式，靜態(tài)計(jì)算模式下，假定設(shè)計(jì)風(fēng)為恒風(fēng)，其速度、方向都是恒定的，基于系泊系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速改變所需的響應(yīng)時(shí)間，取30 s的平均風(fēng)速作為設(shè)計(jì)風(fēng)速；動(dòng)態(tài)分析模式下，選擇頻域分析法的風(fēng)譜計(jì)算船舶風(fēng)荷載。

波浪對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的作用由兩部分構(gòu)成：一階的波浪振蕩力與二階的波浪漂移力。一階波浪力頻率與波浪自身頻率一致，大小與波幅成正比。對(duì)于作用在小型船舶、細(xì)長(zhǎng)形的結(jié)構(gòu)物上時(shí)，結(jié)構(gòu)物對(duì)于波浪影響較小，一階波浪力可以使用莫里森公式計(jì)算；對(duì)于作用在大型船舶上的波浪，波浪撞擊到結(jié)構(gòu)物上反射較大，可以按照駐波來(lái)考慮一階波浪力。一階波浪力引起的船舶6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，工程設(shè)計(jì)中，可以簡(jiǎn)化使用響應(yīng)振幅算子(response amplitude operators，RAOs)來(lái)計(jì)算，RAOs是一組船舶運(yùn)動(dòng)振幅與波浪振幅的比值，其數(shù)據(jù)是利用水動(dòng)力模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶6個(gè)方向自由度、波浪周期、波浪方向、船型、船舶吃水、水深，工程計(jì)算時(shí)選取相對(duì)應(yīng)的比例值。二階波浪漂移力，相比于一階波浪力要小很多，同時(shí)二階波浪漂移力頻率小于波浪自身頻率，變化比較緩慢，工程設(shè)計(jì)中，可以簡(jiǎn)單考慮為恒定力，稱(chēng)為平均漂移力。

4 系纜分析方法

4.1 準(zhǔn)靜力分析

對(duì)于施工圖設(shè)計(jì)階段的MBM泊位分析，OCIMF規(guī)范不推薦采用準(zhǔn)靜力計(jì)算方法。

準(zhǔn)靜力分析假定錨泊裝置對(duì)波浪的一階運(yùn)動(dòng)沒(méi)有約束，計(jì)算出的船舶的一階波浪運(yùn)動(dòng)，疊加在風(fēng)、流、平均漂移力平衡方程，計(jì)算出船舶的運(yùn)動(dòng)與受力。

4.2 動(dòng)態(tài)分析

4.2.1頻域分析法

頻域分析求解船舶運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，按船舶的平均運(yùn)動(dòng)、低頻運(yùn)動(dòng)以及波頻運(yùn)動(dòng)3類(lèi)分別求解，并相互不耦合。平均運(yùn)動(dòng)通過(guò)求解環(huán)境力與系泊反力的靜態(tài)方程求得；低頻運(yùn)動(dòng)以及波頻運(yùn)動(dòng)通過(guò)頻域的方法產(chǎn)生均方差運(yùn)動(dòng)求得。統(tǒng)計(jì)的峰值，例如有效值和最大值，根據(jù)特定的峰值分布來(lái)估計(jì)。最后，將低頻運(yùn)動(dòng)以及波頻運(yùn)動(dòng)組合來(lái)模擬特定的一次風(fēng)、浪過(guò)程。

4.2.2時(shí)域分析法

這種方法中，運(yùn)動(dòng)方程為聯(lián)合了平均運(yùn)動(dòng)、低頻運(yùn)動(dòng)以及波頻運(yùn)動(dòng)的一個(gè)通用方程，在時(shí)域內(nèi)求解。這類(lèi)方法目前尚未成熟且計(jì)算復(fù)雜，不利于工程設(shè)計(jì)的推廣，因而運(yùn)用不多。

5 OPTIMOOR系纜分析案例

5.1 工程概況

項(xiàng)目位于伊朗南部的格什姆島，在外海指定錨泊區(qū)域內(nèi)錨泊大型油船，然后通過(guò)輸油管道從船體將燃油引至后方陸域煉油廠(chǎng)。泊位平均水深為-21.3 m，系泊?？?萬(wàn)～12萬(wàn)DWT油船。設(shè)計(jì)船型及主尺度為：12萬(wàn)DWT油船，總長(zhǎng)277 m，型寬、型深分別為44.7、23.9 m，滿(mǎn)載、壓載吃水分別為16.2、7.2 m。

MBM泊位采用浮筒聯(lián)合船舶自帶錨鏈的系泊方式，共6組系纜腿與1組船舶自帶錨鏈錨碇，平面布置見(jiàn)圖3。5個(gè)系纜腿(1～5)布置在船尾，系纜腿6布置在船首右側(cè)，船首左側(cè)自帶1套錨泊裝置。

圖3 錨泊區(qū)域平面布置(單位：m)

5.2 OPTIMOOR系纜動(dòng)態(tài)分析

在進(jìn)行系泊安全分析時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體泊位的具體環(huán)境狀況，選擇可能的不利環(huán)境組合，分別驗(yàn)算各組合下的系泊腿、纜繩受力。本案例僅選擇1種組合演示OPTIMOOR的計(jì)算結(jié)果，采用波浪、涌浪、流均從船艏30°方向作用在12萬(wàn)DWT油船上。

本次分析，時(shí)長(zhǎng)選擇2 h，顯示步長(zhǎng)選擇30 s，計(jì)算步長(zhǎng)為3 s。風(fēng)選擇Harris風(fēng)譜，波浪選擇Pierson-Moskowitz波譜，涌浪選擇Longuet-Higgins譜。

動(dòng)態(tài)模式下，由Harris風(fēng)譜生成的陣風(fēng)風(fēng)速見(jiàn)圖4a)，模擬的系纜力與船舶位移見(jiàn)圖4b)、c)。系纜力與位移的最大值與允許值見(jiàn)表1。

圖4 動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

表1 OPTIMOOR動(dòng)態(tài)模擬的最大值與允許值

利用OPTIMOOR的動(dòng)態(tài)分析功能，可以得到MBM泊位的系纜力的時(shí)域變化曲線(xiàn)，通過(guò)數(shù)學(xué)分析，可以得到各纜繩、系纜腿的最大受力。一方面可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全，另一方面可以根據(jù)結(jié)果，合理調(diào)整平面布局。

6 結(jié)論

1)各國(guó)主流規(guī)范,BS 6349和OCIMF的指導(dǎo)書(shū)對(duì)浮筒系泊的基本布局與設(shè)計(jì)計(jì)算的規(guī)定較為全面，可作為國(guó)內(nèi)未來(lái)發(fā)展浮筒系泊的規(guī)范基礎(chǔ)；挪威船級(jí)社與德國(guó)勞氏船級(jí)社集團(tuán)的DNVGL-OS-E301側(cè)重于長(zhǎng)期的浮式系泊，不完全適用于船舶多浮筒系泊的情況；美國(guó)國(guó)防部的《系泊設(shè)計(jì)手冊(cè)》則側(cè)重于軍艦的系泊。

2)BS 6349與OCIMF規(guī)范推薦的平面布局，在纜繩、船錨的布局方面基本相似，較大的不同點(diǎn)在于OCIMF推薦減少系泊腿的數(shù)量，而增大單個(gè)系泊腿的承載力，這主要是由于在滿(mǎn)足船舶系纜力以及船舶作業(yè)位移要求的情況下，浮筒個(gè)數(shù)越少，系纜力的分布越合理。

3)MBM泊位設(shè)計(jì)中船舶波浪荷載有別于傳統(tǒng)固定式碼頭系泊船舶荷載，本文計(jì)算浮式船舶波浪荷載為：浮式結(jié)構(gòu)物所受波浪作用中的一階波浪振蕩力可由莫里森公式或駐波公式計(jì)算，一階波浪力引起的船舶位移在工程設(shè)計(jì)中可簡(jiǎn)化通過(guò)響應(yīng)振幅算子來(lái)求得；二階波浪漂移力在工程設(shè)計(jì)中可以簡(jiǎn)化為一恒定力，疊加到船舶所受風(fēng)、流力中計(jì)算。

4)MBM泊位系纜分析主要分為靜態(tài)分析、頻域分域與時(shí)域分析，工程設(shè)計(jì)中，頻域分析可以作為動(dòng)態(tài)分析MBM泊位的主要方法。

5)選擇OPTIMOOR作為系泊分析軟件，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)MBM進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，其計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了工程項(xiàng)目系纜腿結(jié)構(gòu)的安全性與平面布局的合理性。