姚汝林，周凱賢，陳伶翔，周喜寧

(1.上海交通大學，上海 200240；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引 言

隨著石油價格下跌，海洋鉆井需求不斷降低，海上鉆井平臺市場面臨產(chǎn)能過剩，未來全球?qū)⒂谐^100座浮式鉆井平臺報廢，海洋平臺拆解市場將成“藍?！?，而半潛式起重平臺(Semi-Submersible Crane Vessel，SSCV)在拆解作業(yè)中扮演了不可或缺的角色。

SSCV設(shè)計空船吃水較大，受出塢時的吃水限制，其大部分舾裝作業(yè)需在碼頭上完成，且作業(yè)周期較長，會經(jīng)歷至少一個臺風季，因此，為確保平臺及碼頭安全，需進行系泊方案可行性分析[1-2]。以某公司實際工程為例，以某SSCV、該公司廠區(qū)一號舾裝碼頭及原碼頭靠泊的某40萬t超大型礦砂船(Very Large Ore Carrier，VLOC)為研究對象，建立一個多浮體碼頭系泊計算分析模型，結(jié)合實際風、流載荷，使用規(guī)范經(jīng)驗公式和專業(yè)計算軟件，校核不同設(shè)計工況下的碼頭強度，為實際工程項目提供理論支撐，也為今后的研究及工程實際提供借鑒。

1 研究方法及工程假設(shè)

1.1 環(huán)境載荷計算

在設(shè)計環(huán)境和設(shè)計工況下，船舶及海洋平臺受到的環(huán)境載荷為風、流載荷[3]。

SSCV依照美國船級社(ABS)MODU規(guī)范[4]，采用模塊化方法，將水面以上不同形狀、不同高度的受風構(gòu)件按照相應的權(quán)重因子分權(quán)求和得到橫向風載荷和縱向風載荷。

SSCV依照《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)[5]，計算在設(shè)計流速下不同流向角情況下平臺兩個浮體受到的縱向流載荷合力和橫向流載荷合力。

VLOC依照《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)，將船舶水線面以上視為整體，按照不同的受風面積和高度選取風壓不均勻折減系數(shù)和風壓高度變化修正系數(shù)，得到作用在船舶上的計算風壓的橫向分力和縱向分力。

1.2 系泊力計算

采用SACS軟件建模計算不同工況下纜繩及帶纜樁的受力。

1.3 高程系統(tǒng)

使用吳淞高程系統(tǒng)，該系統(tǒng)與其他高程基準的換算如圖1所示。

圖1 高程基準換算

1.4 工程假定

出于工程實用簡化計算流程，研究對象均假設(shè)為剛體，不考慮在外力作用下物體的變形及由變形引起的受力變化。

研究對象受力及強度校核均考慮靜態(tài)條件，設(shè)計風速、風向及流速、流向均按照地理位置水文氣象實際情況及規(guī)范法規(guī)要求選取固定數(shù)值，不考慮風、流載荷隨時間的變化。這樣做在結(jié)果上是保守的，并且能有效簡化計算流程。

由于研究對象所處的水域靠近長江入?？?，受長江潮汐影響較大，水文條件復雜，且該水域無波浪譜可供參考，因此，在計算流體載荷時只考慮流的作用，并依據(jù)《海上移動平臺入級規(guī)范》選取相應的計算公式。

2 設(shè)計參數(shù)

2.1 環(huán)境條件

2.1.1 氣象水文

研究地區(qū)全年常風向為ENE向、統(tǒng)計頻率為9.2%，次常風向為ESE、頻率均為9.0%，最大風速為15.3 m/s。全年夏季主導風向為SE向，冬季主導風向為NNW向。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，1949年—1997年影響研究地區(qū)的臺風共計110次，平均每年2.24次，臺風影響時，風向大多從SE向轉(zhuǎn)為NE向，臺風最大風速為29.0 m/s。

研究地區(qū)屬于中等強度潮汐河口，潮汐性質(zhì)為非正規(guī)半日混合潮型，日不等現(xiàn)象比較明顯。河段潮位在天文大潮與臺風遭遇時形成風暴潮，出現(xiàn)特高潮。根據(jù)徐六涇水文站1982年—2001年統(tǒng)計資料，河段潮位特征值如表1所示(吳淞標高)。

表1 潮位特征值

區(qū)域岸段近岸側(cè)水域情況：漲潮分層最大流速為2.57 m/s，漲潮垂線平均最大流速為2.12 m/s；落潮分層最大流速為1.64 m/s，落潮垂線平均最大流速為1.41 m/s。

2.1.2 設(shè)計環(huán)境條件

依據(jù)統(tǒng)計資料，最大風速應不小于29.0 m/s，取蒲氏風級7～11級為設(shè)計風速，如表2所示。依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)，設(shè)計流速采用港口工程結(jié)構(gòu)所處范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大平均流速。依據(jù)統(tǒng)計資料，設(shè)計流速取2.57 m/s。

表2 設(shè)計風速

2.2 碼頭概況

2.2.1 主尺度

碼頭采用棧橋式離岸布置，碼頭主體寬為26.0 m，原設(shè)計長度為518.0 m，實際施工碼頭長度為525.3 m，碼頭面高程為+7.00 m(吳淞高程系統(tǒng))，碼頭前沿設(shè)計水深為-9.40 m，碼頭后沿設(shè)計水深為-7.90 m，后疏浚至-12.00 m。碼頭平面圖如圖2所示。碼頭立面圖如圖3所示。

圖2 碼頭平面圖

單位：m圖3 碼頭立面圖

2.2.2 結(jié)構(gòu)及高程設(shè)計

碼頭主體結(jié)構(gòu)為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，分為6段，其中長為76.6 m的共2段，91.2 m的共4段，排架間距為7.3 m，每個排架兩端有1.8 m懸臂結(jié)構(gòu)。樁基形式為800PHC(B型)管樁。每個排架8根預制打入樁，前沿為一對7∶1叉樁，后沿為一對4∶1叉樁，其余為4根直樁。碼頭下橫梁底標高為+3.80 m、前沿下橫梁底標高為+2.80 m、高為1.30 m，上橫梁寬為0.60 m，碼頭預制縱梁高為1.30 m、寬為0.40 m。碼頭斷面圖如圖4所示。

單位：m圖4 碼頭斷面圖

2.2.3 設(shè)計載荷

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》，作用在固定式系船、靠船結(jié)構(gòu)上的船舶載荷應包括：(1)由風和流產(chǎn)生的系纜力；(2)由風和流產(chǎn)生的擠靠力；(3)船舶靠岸時產(chǎn)生的撞擊力等；(4)系泊船舶在波浪作用下產(chǎn)生的撞擊力等。

碼頭前沿采用(1×2)SC1150橡膠護舷，設(shè)計吸能為297 kJ×2，撞擊力為626 kN×2/組。

碼頭前沿設(shè)置2 000 kN系船柱。

依照規(guī)范計算得到主要構(gòu)件設(shè)計載荷如表3所示。

表3 設(shè)計載荷

2.3 系泊物介紹

2.3.1 主尺度

SSCV主尺度如表4所示。

表4 SSCV主尺度

40萬t VLOC主尺度如表5所示。

表5 VLOC主尺度

2.3.2 碼頭泊位長度分析

依據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS 165—2013)[6]，碼頭系泊船舶需要的泊位長度為設(shè)計船長加兩端富余長度，富余長度應滿足船舶系纜、靠泊、離泊和裝卸設(shè)備檢修的要求，計算式為

Lb=L1+2d1

(1)

式中：Lb為泊位長度，m；L1為設(shè)計船長，m；d1為富余長度，m。

依據(jù)該規(guī)范要求，若平臺長度在151～200 m，則富余長度取20.00 m，因此SSCV需要的泊位長度Lb=137.75 m+2×20.00 m=177.75 m。40萬t VLOC富余長度取40.00 m，需要泊位長度Lb=360.00 m+2×40.00 m=440.00 m。

經(jīng)計算，碼頭長518.0 m能夠滿足SSCV和40萬t VLOC(空載)靠泊的要求?？坎词纠鐖D5所示。

圖5 靠泊示例

2.3.3 設(shè)計破斷力

SSCV浮筒甲板上系泊系統(tǒng)布置如圖6～圖9所示。

SSCV靠泊碼頭時帶纜布置如圖10所示。

系泊纜繩、帶纜樁、導纜孔設(shè)計破斷力如表6所示。

表6 設(shè)計破斷力

3 方案計算校核

3.1 作用在SSCV上的風載荷計算

依據(jù)MODU要求，作用在船舶上的橫向和縱向分力計算式為

(2)

式中：FW為風載荷，kN；A為受風面積，m2；VW為風速，m/s；ξ為高度因子；CS為形狀因子。

將整船體按形狀和高度分為不同區(qū)域，對應不同的計算因子，等效受風面積、橫向風載荷、縱向風載荷計算分別如表7～表9所示。

單位：mm圖6 內(nèi)側(cè)主浮筒艉部系泊布置圖

單位：mm圖7 內(nèi)側(cè)主浮筒中部系泊布置圖

單位：mm圖8 內(nèi)側(cè)主浮筒艏部系泊布置圖

單位：mm圖9 外側(cè)浮筒中部系泊布置圖

單位：t圖10 靠泊纜繩布置圖

表7 等效受風面積計算表

表8 橫向風載荷計算表 t

表9 縱向風載荷計算表 t

3.2 作用在SSCV上的流載荷計算

依據(jù)規(guī)范，對于開敞式海港透空式系船、靠船結(jié)構(gòu)，水流作用在船舶上的載荷按照水流與船舶的角度分為兩種計算方法，按照計算結(jié)果取其大值。

(1) 依據(jù)規(guī)范，當水流與船舶流向角θ小于15°或大于165°時，水流對船首和船尾產(chǎn)生的橫向載荷計算式為

(3)

(4)

式中：Fx,sc、Fx,mc分別為水流對船首和船尾的橫向分力，kN；Cx,sc、Cx,mc分別為水流對船首和船尾的橫向分力因數(shù)；ρ為水的密度，t/m3；V為水流速度，m/s；B′為水線下橫向投影面積，m2。

依據(jù)港口工程規(guī)范，主浮箱和副浮箱的船首和船尾橫向分力因數(shù)可按照表10插值得到。

表10 水流力橫向分力因數(shù)

主浮筒：Cx,sc=0.06;Cx,mc=0。

副浮筒：Cx,sc=0.06;Cx,mc=0。

計算得到船首和船尾的橫向水流力分別為Fx,sc=6.01 t、Fx,mc=0 t，合力FT1=6.01 t。

依據(jù)規(guī)范，當水流與船舶流向角小于15°或大于165°時，水流對船舶作用產(chǎn)生的縱向水流力計算式為

(5)

式中：Fy,c為水流對船舶作用產(chǎn)生的水流力縱向分力，kN；Cy,c為水流力縱向分力因數(shù)；S為水線下表面積，m2。

水流力縱向分力因數(shù)計算式為

(6)

式中：Re為水流對船舶作用的雷諾數(shù)；b為無量綱因數(shù)。

水流對船舶作用的雷諾數(shù)計算式為

(7)

式中：L2為船舶吃水線長度，m；v為水的運動黏性系數(shù)，m2/s。

水的運動黏性系數(shù)可按表11選用。無量綱因數(shù)b按表12選用。

表11 水的運動黏性系數(shù)

表12 無量綱因數(shù)

船舶水線以下表面積計算式為

S=1.7L3D+CbL3B

(8)

式中：L3為船長，m；D為船舶平均吃水，m；Cb為船舶方形系數(shù)；B為船寬，m。

主浮筒：b=0.012;Cy,c=0.018 4；S=4 663.70 m2。

副浮筒：b=0.012;Cy,c=0.018 4；S=3 477.96 m2。

縱向水流力合力FL1=50.41 t。

(2) 當水流與船舶縱軸平行或15°≤θ≤165°時，橫向和縱向水流力計算式為

(9)

(10)

因水流方向隨機不確定，計算每隔15°時的流載荷，選取最大的流載荷。

主浮筒：a1=1.15；a2=1.15；b1=0.05；b2=0.10；Fx,c=109.79 t；Fy,c=41.95 t。

副浮筒：a1=1.15；a2=1.15；b1=0.05；b2=0.10；Fx,c=76.01 t；Fy,c=29.04 t。

水流力合力：橫向水流力合力FT2=185.80 t；縱向水流力合力FL2=70.99 t。

(3) 因此，在任意流向角下，當水流速度為2.57 m/s時，作用在船舶上的橫向水流力合力FT=max(FT1,FT2)=185.80 t,縱向水流力合力FL=max(FL1,FL2)=70.99 t。

不同水流速度下的水流力如表13所示。

表13 不同水流速度下水流力

3.3 作用在船舶上的合力

在吃水為9 m時，不同流速和不同風速下，平臺受到的合力如表14所示。

表14 不同流速和不同風速下平臺所受合力

3.4 系泊力分析

使用SACS模擬計算每根纜繩的受力情況，計算結(jié)果如表15～表17所示。

表15 纜繩受力工況1 t

表16 纜繩受力工況2 t

表17 纜繩受力工況3 t

在流速為2.57 m/s時，不同風速下，碼頭岸側(cè)40萬t VLOC對碼頭作用如表18所示。

表18 VLOC對碼頭作用

3.5 碼頭安全校核

由于江側(cè)帶纜+岸側(cè)擠靠的工況載荷組合小于江側(cè)擠靠+岸側(cè)帶纜工況載荷組合，因此校核計算載荷及工況組合如下：

外加載荷：(1)各級風條件下江側(cè)SSCV產(chǎn)生的擠靠力；各級風條件下岸側(cè)40萬t VLOC產(chǎn)生的帶纜力。

工況組合：(1)自重+擠靠力；(2)自重+帶纜力；(3)自重+擠靠力+帶纜力。

校核計算采用易工水運工程結(jié)構(gòu)CAD集成軟件V3.0版，按照平面假定對受力排架進行校核計算。計算結(jié)果匯總?cè)绫?9 ～表 21所示。

表19 11級風條件下僅江側(cè)靠泊SSCV樁基校核

表20 10級風條件下僅江側(cè)靠泊SSCV樁基校核

表21 9級風條件下僅江側(cè)靠泊SSCV樁基校核

綜上所述，碼頭結(jié)構(gòu)在不大于10級風條件下，理論上可以滿足碼頭兩側(cè)靠泊防臺，但樁基抗拔能力已經(jīng)臨近極限值。

4 結(jié) 語

以某SSCV和靠泊碼頭為主要研究對象，綜合考慮同時靠泊的40萬t VLOC影響，通過規(guī)范計算和數(shù)值模擬得到一套能夠抵抗蒲氏10級臺風的多浮體系泊系統(tǒng)，經(jīng)過理論分析和工程實際檢驗，該系泊系統(tǒng)能夠保證在臺風季SSCV和40萬t VLOC同時安全靠泊碼頭防臺的需求。

船舶載荷計算過程雖符合規(guī)范法規(guī)要求，但還存在以下不足：

(1) 未充分考慮波浪載荷作用，雖然在計算流載荷時選用的經(jīng)驗公式考慮了波浪和流的相互作用，但是準確度較實際情況低，在后續(xù)工程實踐中應考慮單獨計算波浪載荷作用。

(2) 在計算風載荷時按規(guī)范選取橫向和縱向兩種投影面積進行計算，實際最大投影面積可能出現(xiàn)在其他角度，在后續(xù)工程實踐中應考慮增加更多典型受風角度或采用專業(yè)軟件進行計算。

(3) 所有載荷及應力校核計算均考慮靜力狀態(tài)，未考慮動載荷頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率之間的響應，在后續(xù)研究中應補齊。