钢桥运输船海峡驻位技术分析

王永田，祝丽萍

钢桥运输船海峡驻位技术分析

王永田，祝丽萍

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海200125）

根据挪威钢桥箱梁段现场安装对运输船的驻位要求和桥址处地理环境及水文环境特点，提出在桥址处海峡两岸设立系缆桩作为固定物，同时在运输船主甲板上安装大型锚铰机的方法改良系泊系统，实现运输船的快速移位与驻位，成本低、可靠性高；该方案通过数值仿真的方法验证其可行性，应用ADAMS软件建立包括船、桥、岸、环境及系泊系统在内的多体三维模型，考虑风和浪的作用，对运输船驻位进行动态运动分析，计算获得系泊系统的受力情况，确认系缆设备能力足够。

系泊系统；船舶；驻位；动态运动分析

1 概述

Hardangerbrua大桥位于挪威于尔维克，跨越哈登角峡湾（Hardangerfjord）。该桥全长1 380 m，主跨1 310 m，桥面宽20 m，设置双向两车道、自行车道和人行道。桥址处净空高度约55 m，水深约600 m，峡湾面宽1 310 m。钢桥箱梁总重约7 800 t，由上海振华重工制造。为便于运输和安装，钢桥被分割为长度40~60 m不等的23个箱梁段，通过吊装堆叠于6万吨级的运输船后从中国制造基地运输至挪威桥址处进行安装。

钢桥箱梁段安装时，运输船需先驻位于指定位置后通过起重机吊起箱梁段并对接安装，安装过程按图1所示编号1至编号23依次执行。安装下一分段前要求运输船移位并重新驻位，也就是说运输船在整个钢桥箱梁段安装过程中需不断前后左右四个方向平移移位。

2 驻位方案分析

目前浮体驻位方法有以下两种：1）锚泊定位

锚泊定位分为临时锚泊和定位锚泊。

临时锚泊定位主要在无风暴的浅水区域进行，通过抛锚限制船舶的活动范围，要求抛出锚链的长度需保证船舶在受外力作用下进行漂移时锚泊线下端总能相切与水底，使锚抓力充分发挥。锚泊定位系统通常为作业水深150 m以下的工程船舶的首选[1]，锚泊定位的优点是经济性高、技术门栏低，缺点是受水深限制、移动费时。

图1 船舶海峡驻位图Fig.1Vessel position plan in channel

对于挪威钢桥项目，施工桥址处为深水区，并且由于施工要求运输船多次移动船位，锚泊定位的方式并不适用于该项目。

2）动力定位

动力定位是指浮式结构借助于自身动力定位系统克服风、海浪、海流等外部环境的干扰，保持船舶位置和方向。船舶动力定位系统是包含测量系统、控制系统和推力器系统的闭环控制系统。测量系统将测得的船舶位置、艏向以及外部干扰力信息等反馈至控制系统，控制系统分析反馈信息，计算出使船舶回复到目标位置所需要的推力，进而发出一些列的推力指令，形成一个时变的推力系统[2-3]。

动力定位主要应用于深海，精度高，灵活性好，机动性强，适用于多种海况，缺点是技术门栏高，价格昂贵，营运成本高，较锚泊定位风险高，很多海洋工程船都需要配备动力定位系统，而普通运输船一般不具备动力定位功能。

对于挪威钢桥项目，选用带动力定位的船舶可满足在桥址处安装时的定位精度和快速移位的要求，但根据本项目实际情况，运输船需从上海装载箱梁段后运输至挪威并配合现场安装，运输船使用周期长，而租用带动力定位运输船费用高昂，经济性差。

最终，通过反复研究桥址位置、峡湾环境和项目施工特点，提出操作灵活、安全性高、成本低的改良系泊定位方式和移位方案：在哈登角峡湾的两岸设置4个1 500 kN系柱力的系缆桩作为固定物代替海底抛锚，同时在运输船主甲板上安装4个100 t大型锚铰机解决船上锚绞机能力不够的问题。操作过程，通过锚绞机提供牵引力实现运输在钢箱梁段安装过程中的驻位，该方案同时也能快速响应运输船频繁移位的要求，岸上系缆桩和船上锚绞机布置图见图2。

图2 系缆桩和锚铰机布置图Fig.2Bollards and winches arrangement

3 分析和计算

在23个钢桥箱梁段安装过程中，由岸上系缆桩、系泊缆绳及船上锚绞机组成的系泊系统需抵抗作用于运输船的环境力实现驻位，因此，需对系泊系统的受力情况进行缜密分析，计算出系泊力，系泊力的求取是关键。通常是确定刚度曲线，即浮体水平位移和系泊线缆张力之间的关系曲线，然后代入系泊浮体的运动方程求解[4]。

本项目采用ADAMS软件进行计算，ADAMS软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统运输学方程，对虚拟机械系统进行运动学和动力学分析[5-6]。作用于运输船的流阻力和风力则应用CFD方法计算，即计算流体动力学，其主要用途是对流态进行数值仿真模拟计算。

3.1 三维模型建立

运输船“振华25”主尺度如下：

总长233.6 m，垂线间长224 m，型宽44 m，型深13.5 m，设计吃水8.5 m。

船坐标系统表示如下：

X轴沿船长方向，艏为正；Y轴沿船宽方向，左舷为正；Z轴沿高度向，向上为正。

以ADAMS软件为平台，根据资料建立船舶与货物的几何三维模型，船舶与货物的重量、重心位置需与实际情况一致，模型见图3。

图3 船舶与货物三维模型Fig.33D model of the vessel and cargo

为仿真运输船驻位的运动过程，继续建立包含船、桥、岸、环境和系泊系统在内的多体三维模型，见图4，模型中水流密度、缆绳的弹性模量与阻尼系数等均需实际相符。

3.2 作用于运输船的环境力评估

运输船在峡湾中主要承受流和风的共同作用，水流阻力和风力采用CFD方法进行计算。

图4 多体三维模型Fig.4Multi-body 3D model

对于水流产生的阻力计算，运输船水线以上结构不影响计算结果，但对于风力计算影响甚大，因此，CFD计算模型需包含运输船主船体、上层建筑及甲板货。

1）水流参数选取：根据现场水文勘测资料，计算流速确定为2 kn，由于桥址处为海峡，水流方向单一，流向取0°和180°进行计算，图5为水流流向为180°时动态压力云图。

图5 流向180°动态压力云图Fig.5Contours of dynamic pressure of 180°current

2）风参数选取：综合考虑现场统计资料和项目施工时允许最大风速，计算风速取15 m/s，以30°间隔选取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°共7个方向进行计算，图6为风向为120°时的动态压力云图。

图6 风向120°动态压力云图Fig.6Contours of dynamic pressure of 120°wind

风作用力和水流阻力计算结果分别见表1和表2。

表1 水流阻力计算结果Table 1Current force result

表2 风作用力计算结果Table 2Wind force result

3.3 运动分析

将3.2节计算得出的水流阻力及风载荷在ADAMS软件中加载于运输船，运输船限制横摇、纵摇和垂荡3个自由度的运动，允许横荡、纵荡和艏摇运动。

对于系泊缆绳，根据实际使用缆绳特性赋予属性，保证其弹性模量和阻尼系数与实际一致。

模型中各个锚绞机通过拉力的形式来模拟，该力为与锚绞机位置相关的函数。当运输船需抵抗环境力以保持船位时，该力可以合适的模拟锚绞机作用于缆绳的牵引动作。锚铰机参数见表3。

表3 锚铰机参数Table 3Winch parameters

计算分析采用时域的方法。在分析的前5 s，仅重力作用在船体上，此时缆绳找到在环境力作用前的初始状态，5 s后，环境载荷开始作用在船体上，各缆绳重新分配。整个计算过程需运行足够时间以研究其动态行为，并保证系统最终达到相对稳性状态。

由于问题的复杂性，该模型没有考虑锚铰机收紧缆绳时缆绳长度的减少，因此，缆绳的最终长度和的垂度比实际情况下稍大，然而缆绳受力和船舶位移几乎不受此影响，可忽略不计。

对比分析23个钢箱梁段安装时的运输船的驻位位置，确定图7所示三种状态为最不利的工况，对其分别进行计算：

1）船舶在桥梁箱梁13的位置，船舶位于大桥跨度的中心，船身居中；

2）船舶在桥梁箱梁11的位置，船舶位于大桥跨度的中心，船身在所有工况中最靠前；

3）船舶在桥梁箱梁22的位置，船舶位于大桥跨度的最右侧，船身在所有工况中最靠后。

对上述三种状态进行评估，分别计算没有环境载荷作用于运输船和3.2节计算获得的各个环境载荷作用于运输船多种工况。通过计算获得的结果包括：缆绳直线长度，缆绳实际长度，缆绳垂度，缆绳拉力和缆绳角度。

图7 船舶的3个最不利驻位位置Fig.7Three worst cases of vessel position

由于计算工况过多，本文仅列出运输船位于13号钢箱梁安装位置时的个别工况用于说明。计算时，先计算出船自平衡时各缆绳尺度参数，即无环境力，在锚铰机作用时的结果，然后再计算加载力的情况。

工况1：运输船不受任何环境力作用，见图8。计算结果见表4。

工况2：风向0°，流向0°。计算结果见表5。

图8 运输船位于大桥跨度中心（无环境力作用）Fig.8Ship longitudinally centered at the centre of the bridge span(no environmental force)

表4 无环境力作用时计算结果Table 4Calculation results without environmental force

表5 风向为0°时的计算结果Table 5Calculation results of 0°wind direction

工况3：风向为30°，流向为0°。计算结果见表6。

表6 风向为30°时的计算结果Table 6Calculation results of 30°wind direction

由于在施工期间，航道有其它船舶通航，根据计算，缆绳垂度最小为10.3 m，以缆绳中间为基准两侧各50 m设置浮标，船舶在两浮标间通行，这样即保证航道畅通，也不影响施工。

4 结语

本文提出通过建立岸上固定物、缆绳和船上大型锚绞机的系泊系统代替传统锚泊定位，实现在项目施工过程中运输船的驻位，并通过计算得出运输船在桥址处受到水流及风作用产生的环境力，进而计算出在各个不利位置系泊系统的缆绳长度、角度、垂度和受力情况。

计算结果表明在当地环境参数条件下，该系泊方式能够满足运输船驻位要求，并且满足下一个箱梁段安装前的快速移位要求。该方案安全可靠，经济节约，使该项目顺利完成，可供类似工程借鉴和参考。

[1]刘杨，桂满海，邹康.准动态分析法在工程船舶锚泊定位系统设计中的应用研究[J].船舶与海洋工程，2015，31（3）：7-12. LIU Yang,GUI Man-hai,ZOU Kang.Application research of quasi-dynamic method for engineering vessel mooring positioning system analysis[J].Naval Architecture and Ocean Engineering, 2015,31(3):7-12.

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[5]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2002. ZHENG Jian-rong.Introduction and improvement of virtual prototyping technology:ADAMS[M].Beijing:China Machine Press，2002.

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Analysis of steel bridge transport ship channel mooring technology

WANG Yong-tian，ZHU Li-ping
（Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China）

According to the requirements of the field installation of the Norway steel box girder on the site of the ship and the characteristic of the geographical environment,the hydrological environment of the bridge location,we put forward the method of setting bitts in both sides of channel as fixtures at the bridge site,at the same time installed large winch in the transportation ship main deck to improve the mooring system,then it can realize the fast displacement and position of the ship with low cost and high reliability.This feasibility of the scheme can be verified by numerical simulation,ADAMS software is used to build the multi-body 3D model including ship,bridge,shore,environment and the mooring system,considering the influence of wind and wave,and then the position of the ship is analyzed dynamically.The stress condition of mooring system is achieved by calculation,and then the capacity of mooring equipment can be confirmed.

mooring system;transport ship;mooring;dynamic analysis

U674.18

B

2095-7874（2017）08-0102-05

10.7640/zggwjs201708024

2016-12-05

2017-02-28

王永田（1976—），男，黑龙江拜泉人，硕士，高级工程师，主要从事海运设计工作。E-mail：wangyongtian@zpmc.net