海洋工程结构物风载荷计算方法比较

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(武汉理工大学 交通学院,武汉 430063)

对于海洋结构物而言风载荷是主要环境载荷。由于海洋工程结构物具有种类多、上层建筑结构复杂、高度不同等特点，对获得准确的风载荷带来了很大困难。风洞试验是目前获得风载荷最为可靠的方法，但风洞试验试验成本高、试验周期长，设计时对每一个海洋工程结构物进行风洞试验是不切合实际的。国内外学者提出了多种风载荷计算方法[1-5]。为提高海洋工程结构物所受风载荷的计算精度，保证其作业安全，本文对目前海洋工程结构物风载荷常用的计算方法进行了比较，并通过与实验结果的比较选出适合计算海洋工程结构物所受风载荷计算方法。

1 风载荷计算方法比较

目前计算海洋工程结构物风载荷常用的方法主要包括：Blendermann方法、Isherwood方法、Haddara方法、模块法(Building block method)、OCIMF方法。特别是OCIMF方法提供了超大型船舶风载荷的计算方法并给出了不同球鼻艏和不同载况下的风载荷系数[6]。

对上述各个方法选用参数的比较见表1。

表1中 Isherwood方法所需参数最多，模块法的参数多少与模块划分多少有关，另外Blendermann方法中参数的取值是根据船型确定的。

表1 各个方法选用参数的比较

注：AL-船舶水线以上的侧投影面积；AF-船舶水线以上的正投影面积；Ass-船舶上层建筑的侧投影面积；Loa-船舶总长；B-船宽；c-船舶水线以上部分侧投影面积的周长(除去桅杆和通风筒等细长物体以及水线长度)；d-船舶水线以上部分侧投影面积形心到船艏的距离；m-船舶侧投影面积中桅杆或中线面支柱的数目；Cd1、Cdq、δ、a0～a6、b0～b6、ξi、ζi、Csi、Chi取值见对应的参考文献。

2 实例计算及比较分析

以一艘大型油船为例，分别采用上述风载荷计算法对风载荷进行计算。油船总长351.4 m，船宽55.4 m，设计吃水23.5 m，横向、纵向受风面积分别为1 131.79和3 401.47 m2。

为方便风载荷的计算，建立坐标系，见图1。

图1 风载荷计算坐标系示意

采用上述几种方法计算该大型油船风载荷系数，与实验结果的比较见图2。

由图2a)可见，随着风向角的增大，x方向上的风载荷系数变化趋势为先由大逐渐减小，在90°附件时为零，后由小逐渐增大。当风向角较小时，几种方法的计算结果与实验结果吻合较好，与实验结果相比，在30°～70°之间Isherwood方法和模块法的计算结果相对偏大；OCIMF方法的计算结果相对偏小；Haddara方法的计算结果当风向角在90°以内时相对偏小，在90°以外时相对偏大；在150°～180°之间，Isherwood方法、OCIMF方法和模块法计算结果偏大;Haddara方法与Blendermann方法与实验结果相吻合。根据图2容易看出，在风向角的整个变化范围内，Blendermann方法的计算结果均与实验结果吻合较好。

图2 几种方法计算大型油船所受风载荷 系数与实验结果的比较

图2b)表明,随着风向角的增大，y方向上的风载荷系数变化趋势为先由小逐渐增大，在90°附近时达到最大，后由大逐渐减小。模块法计算结果偏大，Haddara方法计算结果偏小并在100°附近取得最大值，在0～10°之间出现负值，与其它方法以及实验数据相差很大；Isherwood方法、OCIMF方法和Blendermann方法在0～90°之间计算结果与试验数据比较吻合，Isherwood方法在90°～180°之间计算结果与Haddara几乎一致，与实验结果相比偏小；而OCIMF方法在90°～180°之间计算结果比实验结果大很多，特别是在130°以后相差更大；Blendermann方法计算结果在90°～180°之间与实验结果最为吻合。

3 结论

1) Blendermann方法计算风载荷系数比较准确，其计算风载荷系数的参数与船型有关，这些参数是来自大量实验，根据船舶种类的不同选择不同的计算风载荷系数参数是切合实际情况的。

2) 其它方法计算结果与实验结果相差相对比较大，原因在于方法本身，例如，Isherwood公式回归时所选样本船只有11艘，适用范围有限，另外参数过多使得计算结果误差较大。

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