波浪作用下1 600 t起重船作业能力试验研究

2018-11-07黄宣军林超明孙运佳莫忠璇

中国港湾建设 2018年10期

黄宣军，林超明，孙运佳，莫忠璇

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.福州新洋海事咨询服务有限公司，福建福州 350001；3.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

0 引言

为了保证起重船海上作业的安全，船舶在风、浪、流等各种外荷载条件下必须具有良好的稳性，特别是外海的波浪荷载对起重船的运动响应带来较大影响，目前国内外学者大多分析了起吊因素对吊物摆动的影响，而对起重船外荷载的运动响应影响研究却较少，大多采用三维势流理论或多体动力学分析理论等方法对船体运动响应进行数值模拟计算，Matosa等[1]提出了一种白噪近似方法计算2阶低频载荷来分析浮体的运动，T.E.Shellin等[2]建立了9自由度动力学分析模型，将波浪力、黏性拖曳力、锚泊力等简化，分析起重船对波浪的运动响应。任会礼等[3]建立了起重船吊物系统的非线性动力学模型，分析吊绳长度、升降作业对吊重的动力响应的影响。本文以1 600 t起重船为对象，采用物理模型试验研究方法，对起重船在不同风浪、涌浪作用下的运动响应进行研究，分析起重船的外海作业能力。

1 物理模型试验研究

1）船型参数及锚泊方式

研究采用1 600 t起重船总长98 m、型宽37 m、型深7.2 m，船上共设置移船定位液压锚绞车8台，布置在艏艉两侧。施工作业时的锚缆长度约250～300 m，锚泊方式为艏艉外八字缆，锚缆采用的是直径42 mm的钢缆，破断力约为100 t[4]，各锚缆绳的初始预张力为10 t，锚绞车的核定拉力为40 t，支持最大拉力100 t。见图1所示。

图1 起重船锚泊方式图Fig.1 Anchoring system of crane ship

船舶自带移船定位液压锚绞车8台，船艏4台，船艉4台，定位锚规格为重量5 175 kg的AC-14大抓力锚，每个锚配备长700 m、直径39 mm的钢丝绳，各锚泊缆绳的初始预张力为10 t；四点锚固用的锚链为链径90 mm的三级无档锚链，锚链拉力试验负荷为255 t，破断试验负荷为510 t，每节长度27.5 m、重量4.45 t。

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》等[5-7]有关规定进行设计，模型比尺为1∶50。模型基本参数见表1。

2）试验条件

起重船试验条件分为未吊装状态和吊装状态两种，未吊装状态下，起吊臂与水平面夹角为60°，吊钩上无吊物；吊装状态下，起吊臂与水平面夹角为60°，吊钩上的吊装物为重量约650 t的钢圆筒。试验首先对相同波浪作用下两种状态的动态响应进行测试与分析，然后对未吊装状态下的作业能力进行测试与分析。

表1 起重船基本尺寸（比尺1∶50）Table1 Thebasicdimensionsofcraneship(testscaleis1∶50)

试验波浪条件分为两种，一种是风浪作用下的不规则波试验，波高H13%=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m，波浪周期为5～10 s；另一种是涌浪长周期波作用下的规则波试验，波高H=0.3～1.5 m波浪周期为8～30 s。

2 试验结果

2.1 吊装和未吊装状态下动态响应测试

图2～图5分别给出了风浪作用和涌浪长周期波作用下，起重船吊装和未吊装状态下的动态响应横移量和横摇角。

在H13%=0.8 m、1.0 m，的风浪作用下，起重船在吊装状态下的横移量和横摇角比未吊装状态下略小一些，其中横移量减小幅度约10%～20%；而横摇角减小幅度约5%～18%。在H=0.8 m、1.0 m，的涌浪长周期波作用下，起重船在吊装状态下的横移量和横摇角比未吊装状态下也要小，其中横移量减小幅度约10%～50%；而横摇角减小幅度约30%～50%。上述试验结果表明，相同波浪作用下起重船在吊装状态下的横移量和横摇角都有所减小，在实际施工过程中，可通过未吊装状态下的船舶动态响应来初步确定船舶进行吊装作业的可能性。

图2 风浪作用下起重船吊装和未吊装状态下的运动量（横移量）Fig.2 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of waves(swaying)

图3 风浪作用下起重船吊装和未吊装状态下的运动量（横摇角）Fig.3 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of waves(rolling)

图4 涌浪作用下起重船吊装和未吊装状态下的运动量（横移量）Fig.4 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of swell(swaying)

图5 涌浪作用下起重船吊装和未吊装状态下的运动量（横摇角）Fig.5 Movement of crane ship hoisting or non-hoisting state under the action of swell(rolling)

2.2 未吊装状态下起重船作业能力分析

1）风浪作用下

由于是90°横浪作用，船舶的横移量和横摇角较大，纵移量和纵摇角较小。在H13%=0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m，=5 s、6 s、7 s、8 s、10 s的风浪作用下，随着波浪周期的增加，船舶的横移量、横摇角及锚缆力逐渐增大。波高相同时，波浪周期=10 s时的横摇角最大，详见图6所示。

若控制起重船作业时的横移量不超过1.0 m，横摇角不超过2°，则相应的波浪条件为：H13%≤1.5 m、或H13%≤1.2 m、

2）涌浪长周期波作用下

在 H=0.3 m、0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.5 m，10 s、12 s、18 s、25 s、30 s的涌浪长周期波作用下，随着波浪周期的增加，船舶的横移量、横摇角逐渐增大；波浪周期相同时，船舶横移量随波高的增大趋势近似为线性关系，详见图7。在18 s和25 s时的横移量比前者略有增加，而=和12 s时的横移量相差不大，在=30 s时的横移量明显增大很多。图8为船舶横摇角随波周期变化的趋势图，从图中可以看出，在=10 s和12 s时的横摇角相比其他周期要明显大的多，其主要原因是起重船未吊装状态下的横摇周期10.16 s，与波浪周期比较接近，造成船舶的横摇角较大。