大型集装箱船码头系泊及抗台风计算分析

2014-10-30张鼎，黄维，俞赟

船舶与海洋工程 2014年2期

张鼎，黄维，俞赟

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

随着船舶的大型化发展以及大型深水开敞式码头相继建成，船舶的系泊问题得到了越来越多的重视。大型船舶在恶劣的环境条件下一旦发生系泊缆断裂，将会发生船舶撞毁码头并造成自损的事故，后果将非常严重[1]。因此针对船舶系泊问题进行研究有着重要的现实意义，目前已取得了一定的研究成果[2,3]：施加合理的预张力，可均衡缆绳张力；系泊时，在系泊码头条件许可的情况下，要尽量避免部分缆绳过短，增加缆绳长度可降低缆绳张力。

1 码头系泊计算模型

1.1 码头系缆模式

码头缆绳系泊是船舶系泊的基本方式，其效果的好坏取决于系泊模式和缆绳配置。目前，关于大型集装箱船码头系泊布置的参考规范少见报道，本文的系泊布置主要参照OCIMF[4]（石油公司国际海事论坛）液货船规范相关要求，包括如下原则性建议：

1) 系泊缆的布置尽量关于船的舯剖面对称，且倒缆和横缆的数量一般是偶数，如果使用的横缆数不是偶数，多余的缆索一般用在艉部；

2) 横缆尽量垂直于船的中纵剖面，且尽量接近船首或船尾；

3) 倒缆尽量与船的中纵剖面平行；

4) 尽量减小系泊缆的垂向角度。

1.2 坐标系统

坐标系统包括局部坐标系和整体坐标系，如图1所示。局部坐标系x轴正向朝向船首，y轴正向朝向右舷，z轴正向向下；整体坐标系X轴正向朝北，Y轴正向朝东，Z轴正向向下，且坐标原点一般取在水线面中点。风、浪、流力方向沿坐标轴方向为正，力矩方向沿顺时针为正。

1.3 环境载荷

风载荷和流载荷的研究较为成熟，根据物体的形状阻力系数和各船级社及相关规范要求可以估算出风载荷和流载荷，或者采用风洞和水池试验测出风力和流力系数。本文风力系数和流力系数参照OCIMF选取，且根据文献[5]计算环境载荷。

1.4 设计衡准

根据BV规范[6]，准动力分析中在完整状态(即无缆绳破断)下各缆绳受力的最小安全系数许可值为 1.75，其中最小安全系数为破断载荷/缆绳最大张力。

图1 参考坐标系

2 码头系泊受力计算

2.1 船舶主尺度

本文分析对象为某10000TEU 集装箱船，其主尺度如表1所示。

表1 船舶主尺度

2.2 系泊布置

根据该船舾装数计算结果，并按照规范要求，缆绳数量为 11根。由于规范中规定的系泊索数量是最低要求，参照目前已运行同类船型的系泊索配置及1.1节的缆绳布置基本原则，该船的系泊布置如图2、3所示，船首和船尾各8根缆绳。且在码头靠泊对应位置，沿吃水方向双层布置鼓形护舷，设计变形量为52%，最大反力值为560kN。经ARIANE7.0.2软件[7]计算效果图如图4所示。

图2 船尾系泊布置

图3 船首系泊布置

2.3 环境条件

根据OCIMF有关资料，对无限航区系泊力的计算是基于以下状态，即来自任何风向下60kn的风速以及同时包括以下任意一个条件：1) 0°或180°流向下3kn的流速；2) 10°或170°流向下2kn的流速；3) 流载荷最大的流向下0.75kn的流速。

根据船东提供的靠泊码头环境条件统计数据，码头区域波高较小，可以忽略其对船体运动的影响，计算采用的环境条件只考虑风和流的组合；可能遭遇的最大风速为40kn，将其作为码头系泊的正常海况。根据OCIMF建议，可将60kn风速定为台风海况。限于篇幅，本文只计算危险的环境条件组合：离岸风（东向作用）、API风谱、流向180°。具体风、流环境条件组合如表2所示，计算采用的码头水位为20m。

表2 环境条件

2.4 系泊缆

选取两种缆绳进行计算分析，材料1为尼龙12股编织绳，材料2为12股烯烃聚合物编织绳。为了对比分析弹性模量对缆绳受力的影响，假定两种材料的破断载荷、直径和单位重量等参数均相同，如表3所示。

图4 系泊系统计算效果

表3 材料属性

2.5 时域计算结果分析

基于BV系泊分析软件ARIANE7.0.2，通过时域计算方法模拟3h内系泊系统在正常海况和台风海况下的运动响应，得到该船各系泊缆的受力、系泊缆的主要状态参数包括预张力和刚度特性，在此基础上，首先分析预张力、缆绳材料刚度对缆绳受力的影响，同时通过缆绳数量变化，分析系泊布置对缆绳受力的影响，最后计算分析给定系泊布置在台风海况下的系泊状态。

2.5.1 预张力影响

预张力是指在无环境载荷的状态下，通过绞车绞紧提供给系泊缆的初始张力。本文预张力的取值分别为60kN、80kN、100kN、120kN、140kN、160kN和180kN。图5表示预张力大小与系泊系统中各缆绳受力的最大值与最小值的差值相对于最大值的变化率的关系，从图5可见预张力越大，相对变化率越小，即缆绳受力的最大值与最小值的差值相对较小，缆绳上受力趋于均衡。同时，由图6可知，随着预张力变大，缆绳最大受力逐渐变大，即最小安全系数逐渐变小。可见预张力并非越大越好，在系泊系统计算分析中设置一个合理大小的预张力是关键的一步。基于缆绳受力分配和最小安全系数的考虑，本文选取的预张力大小为120kN。

图5 预张力与缆绳受力相对变化率之间的关系

图6 预张力与缆绳最大受力之间的关系

2.5.2 缆绳材料刚度影响

系泊缆的刚度对码头系泊系统有着重要的影响，且系泊缆的刚度与材料的弹性模量密切相关，刚度越大，弹性模量值越大。本节计算分析了预张力为120kN、环境条件为正常海况下材料弹性模量对缆绳受力的影响。如图7所示，材料1每根缆绳的最大受力均比材料2的对应值要小，主要原因在于材料1的弹性模量比材料2要小，其刚度较小，弹性伸长量大，各根缆绳上受力更易均衡分配。可见缆绳刚度越大，其系泊张力越大。

2.5.3系泊布置影响

对于上层建筑在艉部的船舶，由于船尾受风面积较大，艉缆的受力比艏缆要大。为了分析增加缆绳数量是否改善艉缆的受力状态，根据目标船系泊绞车布置及码头系缆墩布置特点，在 2.2节所述系泊布置基础上（原有缆绳编号不变），计算分析以下两种方案：1) 增加3根倒缆，带在带缆桩上，即图8所示的17号和图9所示的18～19号缆绳，此方案系泊布置的缆绳为1～19号；2) 增加1根横缆，带在带缆桩上，即图8所示的20号缆绳，此方案系泊布置的缆绳为1～16号和20号。其中缆绳材料为材料1，预张力为120kN。

图7 每根缆绳的最大受力

图9 增加缆绳后船首系泊布置

表4为增加缆绳数量后每根艉缆受力情况对比，从表中可以看到3种布置方案下5号和6号缆绳（由船舷引出的横缆）的受力均较大，原因可归结为缆绳从船舷导缆孔引出点到码头系缆墩部分的长度较短，且垂向角度较大（约60°左右），缆绳弹性的减少增加了受力。故码头系泊布置要尽量避免缆绳垂向角度过大，否则由于缆绳过短，弹性减少过多导致缆绳受力过大。原布置受力最大的6号缆绳在方案一（19根缆）和方案二（17根缆）情况下最大受力的减小幅度大致相同，可见缆绳配置数量并非越多越好，在6号缆周围增加一根横缆在一定程度上可以改善缆绳的受力状态。