賈 君，周喜寧，李子凡

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；2.招商局重工郵輪有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

隨著近年來國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，海洋平臺(tái)的體積越建越大，特別是半潛式平臺(tái)安裝的設(shè)備越來越多，對(duì)碼頭系泊的要求越來越高。在碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)時(shí)，系泊力計(jì)算主要考慮風(fēng)、浪和流等3種環(huán)境載荷。由于碼頭在選址設(shè)計(jì)時(shí)考慮不能有過大的流和浪影響系泊，因此在系泊力計(jì)算時(shí)，浪和流占比較小，風(fēng)載荷在碼頭系泊力計(jì)算時(shí)是主要載荷。風(fēng)載荷可通過風(fēng)洞試驗(yàn)精確得到，但成本較大，且部分船型無法進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，工程應(yīng)用局限性較大。采用數(shù)值計(jì)算通過有限元分析可得到精度較高的結(jié)果，但需要配套專業(yè)軟件和經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師支持，計(jì)算時(shí)間長，不適用于碼頭防臺(tái)風(fēng)[1-2]。

本文以1座半潛式鉆井平臺(tái)和1座半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)為研究對(duì)象，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算風(fēng)載荷并將結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到不同經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)的設(shè)計(jì)裕量，以便在工程應(yīng)用中更精確地使用經(jīng)驗(yàn)公式，確保平臺(tái)在碼頭系泊時(shí)得到精確的環(huán)境載荷，從而得到合理的系泊布置方式。

1 理論公式

1.1 API計(jì)算公式

在對(duì)半潛式平臺(tái)進(jìn)行海上系泊分析時(shí)，對(duì)于輸入條件風(fēng)載荷，一般選用API RP 2SK[3]中的公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

Fw=Cw∑(CsChA)V2

(1)

式中：Fw為API計(jì)算公式中平臺(tái)受到的風(fēng)載荷，N；Cw為風(fēng)力系數(shù)，規(guī)定為0.615 N·s2/m4；Cs為形狀因數(shù)；Ch為高度因數(shù)；A為垂向投影面積，m2；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

在采用式(1)計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，對(duì)結(jié)果影響最大的是受風(fēng)面積統(tǒng)計(jì)。式(1)規(guī)定：在統(tǒng)計(jì)受風(fēng)面積時(shí)，各構(gòu)件之間的相互影響不予考慮，且獨(dú)立的大型設(shè)備，如起重機(jī)、鉆臺(tái)等需要單獨(dú)統(tǒng)計(jì)面積；對(duì)于桁架式吊臂，為簡便計(jì)算，投影面積以桁架外輪廓的60%進(jìn)行計(jì)算；在統(tǒng)計(jì)半潛式平臺(tái)立柱面積時(shí)，一般不考慮立柱之間的遮蔽效應(yīng)，每個(gè)立柱的投影面積都需要考慮。

1.2 《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算公式

針對(duì)碼頭船舶系泊和靠船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，國內(nèi)制定《港口工程荷載規(guī)范》[4]，該規(guī)范對(duì)于常規(guī)瘦長型船舶的橫向風(fēng)載荷和縱向風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Fx,w和Fy,w分別為作用在船舶上橫向和縱向風(fēng)載荷，kN；Ax,w和Ay,w分別為船體水面以上橫向和縱向受風(fēng)面積，m2；Vx和Vy分別為設(shè)計(jì)風(fēng)速的橫向和縱向分量，m/s；ζ1為風(fēng)壓不均勻折減因數(shù)；ζ2為風(fēng)壓高度修正因數(shù)。

對(duì)于半潛式平臺(tái)，在采用式(2)和式(3)進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算時(shí)，各構(gòu)件的ζ2應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，且修正的高度為該構(gòu)件投影面積的形心距水線面的高度。

1.3 NORSOK規(guī)范計(jì)算公式

挪威技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為可將對(duì)于陣風(fēng)不敏感的建筑物當(dāng)做一個(gè)靜載來計(jì)算，作用在建筑物上的風(fēng)載荷公式[5]為

(4)

式中：F為NORSOK規(guī)范計(jì)算公式中平臺(tái)受到的風(fēng)載荷，N；ρ為空氣密度，取1.23 kg/m3；UH為距水面以上H高度處的風(fēng)速，m/s，計(jì)算式為

(5)

C=0.057 3×(1+0.15U0)0.5

(6)

式中：U0為水面以上10 m處風(fēng)的參考速度。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)作為一項(xiàng)基本試驗(yàn)，其結(jié)果可判斷理論計(jì)算的準(zhǔn)確度[6]。為驗(yàn)證理論公式計(jì)算結(jié)果的冗余度和各構(gòu)件對(duì)風(fēng)載荷的影響程度，以2座半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 半潛式鉆井平臺(tái)及半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)主尺度

對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)，采用1∶175的縮尺比進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，主甲板上各構(gòu)件采用3D打印機(jī)打印，全方位、全細(xì)節(jié)地模擬整個(gè)平臺(tái)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 半潛式鉆井平臺(tái)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

對(duì)于半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)，采用1∶200縮尺比進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。對(duì)主甲板上的部分構(gòu)件如風(fēng)帽、透氣管、欄桿、起重機(jī)平臺(tái)斜梯等小型構(gòu)件進(jìn)行簡化處理。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

平臺(tái)在碼頭系泊時(shí)，一般處于完工狀態(tài)或碼頭舾裝狀態(tài)，此時(shí)平臺(tái)處于遷移吃水或更小吃水工況[7]。在對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)僅考慮遷移工況。對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，進(jìn)行無因次化處理，可得到不同方向和單位風(fēng)速下的風(fēng)載荷和風(fēng)載荷對(duì)應(yīng)軸所產(chǎn)生的力矩。無因次化公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：X、Y、Z為3個(gè)不同方向上的風(fēng)載荷，N；K、M、N為3個(gè)不同方向?qū)?yīng)軸的力矩，NM；Lpp為平臺(tái)垂線間長，m。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

在進(jìn)行受風(fēng)面積統(tǒng)計(jì)時(shí)，結(jié)合各構(gòu)件對(duì)平臺(tái)風(fēng)載荷的貢獻(xiàn)，對(duì)部分大型設(shè)備面積進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，簡化部分對(duì)整體載荷影響不大的構(gòu)件，如帶纜樁、鋼絲繩、欄桿、透氣管、平臺(tái)主船體外圍管路等，以提高計(jì)算效率。同時(shí)為驗(yàn)證簡化模型對(duì)于平臺(tái)風(fēng)載荷計(jì)算的適用性，都采用各自的規(guī)范對(duì)簡化完畢后模型的所有構(gòu)件進(jìn)行受風(fēng)面積統(tǒng)計(jì)。在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，半潛式鉆井平臺(tái)采用3D打印技術(shù)，對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行全方位、全細(xì)節(jié)的模擬，對(duì)于半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)則進(jìn)行簡化模型處理，具體如表2所示。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算，比較計(jì)算結(jié)果，判斷經(jīng)驗(yàn)公式的冗余度和簡化模型的適用性。

表2 不同平臺(tái)數(shù)據(jù)分析方法

3.2 側(cè)向風(fēng)載荷分析

平臺(tái)側(cè)向風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果可用來確定平臺(tái)在碼頭系泊時(shí)所需橫纜的數(shù)量和纜繩的強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)之初，對(duì)碼頭區(qū)域附近氣象臺(tái)連續(xù)20 a的氣象觀測資料進(jìn)行分析，挑選環(huán)境條件較為溫和的區(qū)域進(jìn)行碼頭設(shè)計(jì)[8]。結(jié)合碼頭區(qū)域歷年環(huán)境條件，在碼頭防臺(tái)風(fēng)時(shí)，一般只考慮蒲氏風(fēng)級(jí)為8級(jí)～12級(jí)的風(fēng)載荷，當(dāng)蒲氏風(fēng)級(jí)超過12級(jí)時(shí)，一般采用特殊方式避臺(tái)風(fēng)，如坐底方式，將平臺(tái)拖航至風(fēng)圈以外區(qū)域等。在進(jìn)行風(fēng)載荷結(jié)果比較時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行不同風(fēng)速下的理論計(jì)算，同時(shí)采用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)無因次公式換算出8級(jí)～12級(jí)風(fēng)速下的側(cè)向風(fēng)載荷，繪制曲線如圖3和圖4所示。

圖3 半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)側(cè)向風(fēng)載荷

圖4 半潛式鉆井平臺(tái)側(cè)向風(fēng)載荷

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

(1)在采用APR RP 2SK和NORSOK公式計(jì)算側(cè)向風(fēng)載荷時(shí)，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果接近，誤差在10%以內(nèi)。在采用《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，計(jì)算結(jié)果較為保守，約為風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的1.5倍，主要原因是在港口工程中風(fēng)載荷計(jì)算的研究對(duì)象為瘦長型的常規(guī)船型，對(duì)于長度和寬度相差不大的半潛式平臺(tái)，公式的敏感度較差。

(2)在采用理論公式簡化模型以后，采用API和NORSOK經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果與全細(xì)節(jié)模型模擬風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果也非常接近，說明采用API和NORSOK經(jīng)驗(yàn)公式忽略主要構(gòu)件之間遮蔽效應(yīng)的影響等效于忽略次要構(gòu)件如帶纜樁、欄桿、桅桿等帶來的影響。

3.3 艏艉向風(fēng)載荷分析

與常規(guī)船舶相比，半潛式平臺(tái)主甲板露天設(shè)備較多，且上船體橫向和縱向長度相差較小，艏艉向面積與側(cè)向面積相似，通過計(jì)算艏艉向風(fēng)載荷可確定碼頭防臺(tái)風(fēng)系泊時(shí)倒纜數(shù)量和強(qiáng)度。依據(jù)規(guī)范公式和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到不同風(fēng)速下平臺(tái)艏艉向風(fēng)載荷，如圖5和6所示。

圖5 半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)艏艉向風(fēng)載荷

圖6 半潛式鉆井平臺(tái)艏艉向風(fēng)載荷

通過對(duì)比得到：

(1)采用NORSOK規(guī)范進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，誤差在10%以內(nèi)。對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)，API RP 2SK的風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果最為接近。對(duì)于風(fēng)電安裝平臺(tái)，其計(jì)算結(jié)果較風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大18%左右，此誤差也在可接受范圍內(nèi)。對(duì)于采用《港口工程荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算的風(fēng)載荷，結(jié)果誤差在20%以內(nèi)，主要原因是在計(jì)算艏艉向風(fēng)載荷時(shí)，艏艉向風(fēng)載荷計(jì)算因數(shù)(49.0)較側(cè)向風(fēng)載荷計(jì)算因數(shù)(73.6)小，從而導(dǎo)致在相同投影面積、高度修正系數(shù)和形狀修正因數(shù)下，側(cè)向風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果較艏艉向計(jì)算結(jié)果大。

(2)比較簡化模型計(jì)算與全細(xì)節(jié)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，以及簡化模型與簡化風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，可得到對(duì)于影響平臺(tái)風(fēng)載荷的次要結(jié)構(gòu)，如欄桿、平臺(tái)外附管路等，可忽略不計(jì)。

3.4 給定風(fēng)速下各方向風(fēng)載荷對(duì)比

在計(jì)算碼頭風(fēng)載荷時(shí)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到橫向和縱向風(fēng)載荷，對(duì)其采用式(13)進(jìn)行分解，可得到不同角度下的風(fēng)載荷為

(13)

式中：Fφ為任何方向的風(fēng)載荷，t；φ為風(fēng)與船中平行線的夾角，(°)；Fx和Fy分別為縱向和橫向風(fēng)載荷，t。

以蒲氏10級(jí)風(fēng)速為研究對(duì)象，對(duì)各規(guī)范下橫向和縱向風(fēng)載荷進(jìn)行分解，將結(jié)果與對(duì)應(yīng)10級(jí)風(fēng)速的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7和圖8所示。

圖7 半潛式鉆井平臺(tái)各方向風(fēng)載荷

圖8 半潛式風(fēng)電安裝平臺(tái)各方向風(fēng)載荷

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算結(jié)果較為保守，特別是在風(fēng)向?yàn)?0°～150°時(shí)，其結(jié)果為風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的1.5倍左右，主要原因是在此區(qū)間內(nèi)橫向風(fēng)載荷對(duì)平臺(tái)總的風(fēng)載荷提供了較大的貢獻(xiàn)。

采用API RP 2SK規(guī)范和NORSOK規(guī)范獲得的計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在各方向上都較為接近，因此在防臺(tái)風(fēng)纜繩選取時(shí)，可直接應(yīng)用API RP 2SK規(guī)范和NORSOK規(guī)范。

4 結(jié) 論

對(duì)半潛式平臺(tái)的風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算，研究規(guī)范公式與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1)半潛式平臺(tái)上各大型構(gòu)件之間無遮蔽效應(yīng)對(duì)風(fēng)載荷計(jì)算影響大于次要構(gòu)件(帶纜樁、鋼絲繩、欄桿、透氣管、平臺(tái)主船體外圍管路等)，在進(jìn)行風(fēng)載荷受風(fēng)面積統(tǒng)計(jì)時(shí)，可忽略這部分次要構(gòu)件。

(2)采用API RP 2SK和NORSOK公式計(jì)算側(cè)向風(fēng)載荷，在不同風(fēng)速或相同風(fēng)速不同角度下，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，誤差在10%左右，由于在防臺(tái)風(fēng)時(shí)主要考慮的是平臺(tái)的側(cè)向載荷，因此可采用上述公式直接計(jì)算防臺(tái)風(fēng)時(shí)平臺(tái)的側(cè)向力。

(3)在碼頭系泊防臺(tái)風(fēng)時(shí)，采用《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，計(jì)算結(jié)果較為保守，其側(cè)向力的結(jié)果約為風(fēng)洞試驗(yàn)的1.5倍，主要原因是港工風(fēng)載荷研究對(duì)象一般為瘦長型的常規(guī)船型，對(duì)于寬度和長度差不多的半潛式平臺(tái)不適用。