基于OPTIMOOR的斜坡码头系留设施受力影响因素分析

2017-01-11陕西铁路工程职业技术学院铁道工程系陕西渭南714099

水利与建筑工程学报 2016年6期

郑晓 (陕西铁路工程职业技术学院铁道工程系，陕西渭南 714099)

为研究三峡库区斜坡码头趸船在船舶靠泊作业时不同因素对趸船系留设施受力的影响，以保证码头安全作业，现基于OPTIMOOR软件，以趸船和靠泊船整体为研究对象对各缆绳及锚链进行受力分析。结合工程实例，以现场实测结果与OPTIMOOR计算结果对比，验证了船舶停靠趸船时该软件计算的可靠性。最后针对该类情况，采用控制变量的方法分别对水流、风、系泊缆绳角度、缆绳(锚链)缺失等因素进行分析并总结规律，为三峡库区斜坡码头趸船系留设施的安全设计提供依据。

斜坡码头；系留设施；OPTIMOOR；影响因素；趸船

三峡水利枢纽的建成运行使得长江上游航道条件得到大幅度的改善和提高。由于库区内的斜坡码头受到变动回水区域特殊水文环境的影响，同时由于船舶大型化的不断发展，使得船舶在停靠趸船时系留设施存在较大安全隐患。何旭等[1]通过有限元分析软件MIDAS对趸船码头系缆力主要影响因素进行了分析计算，分析了影响趸船码头系缆力的因素；陈晓攀等[2]通过有限元软件ANSYS对已建码头的靠泊能力进行评估，确保了港口的安全生产。舒斌等[3]结合工程实例，计算分析了超大型船舶在不同主机负荷下的系柱推力，优化设计了缆桩布置，提出了合理建议。目前国内外对于码头系缆力的研究相对较少，且以上有限元软件在建模时均仅以趸船为研究对象。由于斜坡码头趸船在船舶靠泊作业时系缆力较不靠泊时大很多[4]，所以针对趸船和靠泊船整体受力的分析有待进一步研究。笔者通过计算结果偏保守的OPTIMOOR软件[5]，将趸船和靠泊船均考虑在内，分别分析了水流、风、缆绳角度、缆绳(锚链)缺失等因素对趸船系留设施受力的影响。

1 模型建立

在建模时使用OPTIMOOR提供的Ship2Ship处理模块。首先在环境界面定义水流、水位、风、波浪等基本参数，其次在船缆界面定义船舶、缆绳和锚链的尺寸、材质等属性[6]，再次在泊位界面定义泊位数据及地牛、锚抓点位置，最后在系泊界面确定缆绳与地牛、锚链与锚抓点的对应关系。趸船和靠泊船整体受力模型见图1。

图1 趸船与靠泊船整体受力模型

2 现场实测验证

2.1 现场实测

基于振动频率法[7-10]对重庆唐家沱油库卸油码头展开现场实测。本码头趸船和靠泊船船型尺度见表1。趸船与靠泊船系留设施布置见图2。趸船上设置了艏缆、艏横缆、艉横缆、艉缆、领水锚和艉开锚。趸船系锚设施参数见表2。艏锚和艉锚均为霍尔锚，重量为2 500 kg，地牛均采用现浇C25毛石混凝土系船块体。

表1 船型尺寸

表2 趸船系锚设施参数表

图2 趸船与靠泊船舶系留设施布置图

缆绳缆力测量步骤为首先由附着在缆绳上的DH202-002压阻式加速度传感器拾取缆绳在环境振动激励下的振动信号[11-13](见图3)，然后通过DH5902动态信号测试系统(见图4)进行频谱分析并确定缆绳的部分自振频率，最后将得到的某一阶或几阶自振频率以及缆绳的相关几何、物理参数输入编制的缆力计算程序得出缆力值[14]。

图3 压阻式加速度传感器绑扎

图4 DH5902动态信号测试系统

2.2 现场实测与OPTIMOOR结果对比

现场实测时靠泊船为满载，通过直读式流速仪测得水流为3 m/s顺水流，通过风速风向仪测得风为8 m/s吹开风。将现场实测结果和OPTIMOOR结果对比如表3所示。

表3 现场实测和OPTIMOOR计算结果对比单位：kN

由表3可知：(1) OPTIMOOR计算结果中艉横缆和艉缆的张力均为零，说明缆绳处于松弛状态。而实际缆绳即使在松弛的情况下自身重力也会产生一定的张力，故现场实测中各缆绳受力均不为零。(2) OPTIMOOR计算结果与现场实测结果大致吻合，故可用OPTIMOOR软件针对趸船和靠泊船整体进行受力分析，后文以重庆唐家沱油库卸油码头为例进行系泊力影响因素分析。

3 影响因素分析

3.1 风速大小的影响

当船舶停靠趸船时，为研究风速对系留设施受力的影响，按《港口工程荷载规范》[15](JST 114-1-2010)，对没有特殊要求的港口，可按9级风即20.8 m/s～24.4 m/s来考虑。以24 m/s为设计最大风速，分6个等级来分析风速对系留设施安全的影响。假定水流为5 m/s顺水流，风向为顺水风，利用OPTIMOOR得出不同风速下缆绳及锚链的张力如表4所示。

表4 不同风速下缆绳及锚链的张力

由表4得出：(1) 随着风速增大，艏缆、领水锚、艏开锚及艉开锚受力均增大，且领水锚所受张力变化幅度最大，变化幅度约为15%左右；(2) 当水流流速为5 m/s，风速不论增加多少，艉横缆和艉缆均不受力。

3.2 风向的影响

当船舶停靠趸船时，为研究风向对系留设施受力的影响，将风向以30°作为分级，共分12个方向来分析风向对系留设施安全的影响。假定水流为5 m/s顺水流，风速为24 m/s，利用OPTIMOOR得出不同风向下缆绳及锚链张力如表5所示。

表5 不同风向时缆绳及锚链的张力

由表5得出：(1) 当风向为90°即为吹拢风时，领水锚、艏开锚和外开锚系泊张力均接近最大值，该风向为锚链受力的最不利风向；当风向为180°即为顺水风时，艏缆张力达到最大，该风向为艏缆受力的最不利风向；当风向为270°即为吹开风时，艏横缆张力达到最大，此风向为艏横缆受力的最不利风向。(2) 5 m/s顺水流且风速24 m/s时，由于水流流速对趸船和靠泊船产生的作用力远大于由风产生的作用力，故无论风向如何改变，艉横缆和艉缆均不受力。(3) 当风向改变时，艏开锚和艉开锚系泊张力变幅较大，而艏缆和领水锚变幅较小。

3.3 流速大小的影响

当船舶停靠趸船时，为研究流速对系留设施受力的影响，将流速以1 m/s为一个分级，共分6个等级分析流速对系留设施安全的影响。假定水流为顺水流且为24 m/s顺水风时，用OPTIMOOR得出不同流速下缆绳及锚链张力如表6所示。

表6 不同流速时缆绳及锚链的张力

由表6得出：(1) 随着流速的增大，艏缆、领水锚、艏开锚和艉开锚张力均大幅增加。(2) 无论流速如何，艉横缆和艉缆均不受力；艏横缆在流速较小时不受力，当流速大于4 m/s时，艏横缆开始受力且随流速增大而不断增大。(3) 与表4对比可知，流速对系泊力大小的影响远大于风速的影响。

3.4 水流方向的影响

三峡变动回水区河道水流条件复杂多变，水流实际入射方向可能与船舶纵轴线存在一定夹角。当船舶停靠趸船时，为分析流向对系留设施受力的影响，现考虑当流向角在-15°～15°变化时，以每5°为一个级差分析流向对系留设施安全的影响。水流流向角示意图如图5所示。

图5 水流流向角示意图

假定风为24 m/s顺水风且水流流速为3 m/s时，用OPTIMOOR得出不同流向下各缆绳及锚链的张力如表7所示。

表7 不同流向下各缆绳及锚链的张力

由表7得出：(1) 当水流流向角为-15°时，此时艏缆、艏横缆、艉横缆及艉缆均不受力，主要靠锚链来提供系泊力。因为此时流向与艏开锚方向接近，故此时艏开锚受力最大。(2) 水流流向为-15°时为艏开锚受力的最不利工况，水流流向角为15°为艏缆受力的最不利工况。

3.5 缆绳角度因素的影响

当船舶停靠趸船时，为分析缆绳角度对系留设施受力的影响，现将艏缆和艉缆与码头前沿线的夹角以10°为一个级差，考虑夹角在30°～80°之间变化时缆绳角度对系泊张力的影响。假定水流为3 m/s顺水流，风为24 m/s吹开风，用OPTIMOOR得出不同缆绳角度下各缆绳及锚链的张力如表8所示。

表8 不同缆绳角度时缆绳及锚链的张力

由表8得出：(1) 当艏缆角度增大时，艏横缆张力依次减小并趋于稳定，而艏开锚张力不断增大；其余缆绳或锚链受力均不发生明显变化，为使缆绳和锚链张力均匀分布，故选择艏缆角度为50°～60°。(2) 当艉缆角度改变时，各缆绳及锚链受力均不发生明显变化，故在选择艉缆角度时，可根据码头岸坡实际情况尽量选择角度较大的方向系泊，从而有效减少艉缆的长度。

3.6 缆绳(锚链)缺失的影响

现阶段尚没有一套完整的斜坡码头趸船系留规范。趸船在实际系泊时系泊方案往往根据泊位处水流条件加个人经验来选定。这就导致趸船在系泊时往往缺失某根缆绳(锚链)。假定水流为3 m/s顺水流，风为24 m/s顺水风时，用OPTIMOOR得出不同缆绳(锚链)缺失下各系泊线张力如表9所示。

表9 不同缆绳(锚链)缺失下各系泊线张力

由表9得出：(1) 当缺失领水锚时，艏缆及艏开锚张力达到最大值；当缺失艏开锚时，领水锚张力达到最大值。(2) 在缺失艉开锚时，艏缆及领水锚张力趋于均匀，但计算得到趸船横向位移6 m,纵向位移1.2 m。超出趸船容许位移，故趸船必须设置艉开锚，以保证码头能够正常作业。

4 结论

(1) OPTIMOOR计算结果与现场实测结果大致吻合，可用OPTIMOOR软件针对趸船和靠泊船整体进行受力分析。

(2) 当风速改变时，外开锚张力变化幅度最大；当风向改变时，艏开锚和艉开锚系泊张力变幅最大；随着流速的增加，艏缆、领水锚、艏开锚和艉开锚张力均大幅增加；水流流向为-15°时为艏开锚受力的最不利工况，水流流向角为15°为艏缆受力的最不利工况；水流对趸船和靠泊船系留设施安全的影响远远大于风的影响。

(3) 当缆绳角度改变时，各缆绳或锚链张力变幅不大；当缺失艏缆或艏开锚时，领水锚张力均大幅增加；当缺失艉开锚时，趸船及靠泊船位移过大，影响船舶正常作业，故必须设置艉开锚。

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Analysis of Influencing Factors of Slope Pontoon Wharf Facilities
Mooring Force Based on OPTIMOOR

ZHENG Xiaoxun

(DepartmentofRailwayEngineering,ShaanxiRailwayInstitute,Weinan,Shaanxi714099,China)

In order to study the influence of different factors on the stress of the mooring facilities and to ensure the safe operation of the wharf when the ship berthing pontoon wharf in the Three Gorges Reservoir, now based on OPTIMOOR software this paper analyzed each rope and chain forces by the pontoon and ship overall. Combined with engineering examples, the reliability is verified by comparing the results of OPTIMOOR with the actual field measurement when the ship berthing pontoon wharf. Finally, the method of control variables were used to analyze the water, wind, angle of mooring lines and the cables (chains deletion) factors in such circumstances and summed up the law. This will provide the basis for safe design of pontoon wharf facilities in the Three Gorges Reservoir.

slope wharf; mooring facilities; OPTIMOOR; influencing factors; pontoon

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.040

2016-08-10

陕西铁路工程职业技术学院科学研究基金项目(KY2015-33)