加纳某渔港码头渔船风荷载计算方法探讨

2020-03-19周子乐

港工技术 2020年1期

王伟，周子乐

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

加纳某渔港码头升级改造项目，渔码头设计船型为4种主机功率为60～600 HP的渔船，因业主方提供的船型资料有限，且现行的水运工程行业规范中对船型尺度的参考数据，特别是船舶受风荷载的面积资料，均是适用于集装箱船、货船等大型船舶，缺乏对渔船等小型舰船的统计。本文在研究和对比了国际上几种常用的规范、手册中的建议方法，总结了适用于本项目船型的设计参数，较为合理地计算了作用在渔船上的风荷载。

1 项目背景及设计船型

本项目为加纳某渔港升级改造项目，水上工程内容包括新建渔码头、防波堤、护岸及修船滑道等，以及旧防波堤的升级改造；陆上工程则是港区内管理区、辅建区和生活区的建构筑物。其中渔码头为重力式方块结构，岸线总长度477 m，包括15个60 HP渔船泊位、4个 100 HP渔船泊位和 1个600 HP渔船泊位。

本项目业主方提供的设计代表船型共4种，资料见表1。

表1 业主方提供的设计代表船型尺度

由表 1可知本项目业主方提供的船型资料较少，不能直接用于码头系靠泊设计。首先参考《渔港总体设计规范》附录C提供的渔船船型尺度表，选择最为接近的船型信息将本项目设计船型尺度进一步补充完整，见表2。

表2 设计渔船船型尺度（《渔港码头总体规范》补充）

《渔港总体设计规范》附录C提供船型资料较为有限，仅包含17艘渔船的实际资料[1]，鉴于渔船种类、形式和尺度的多样性，参考附录C补充的信息有可能与真实情况不完全符合，且《渔港总体设计规范》中并未直接提供渔船受风面积的统计资料。

渔船风荷载计算的尤为重要的就是相对准确地确定设计船舶的受风面积。参考目前常见的国内、国际规范、手册，受风面积的确定方法主要方法可分为两大类，后文将分别论述。

2 渔船受风面积计算

2.1 规范、手册设计参考值

目前国内、国际主流规范、手册中有渔船受风面积统计资料的为数不多，本文选择了最具代表性的国际航运协会（PIANC）出版的《港口航道设计指南》、澳大利亚游艇码头规范和美国海军系泊设计手册DM 26-6作为参考。

1）PIANC出版《港口航道设计指南》

国际航运协会（PIANC）出版的《港口航道设计指南》附录C.1典型船舶尺度表中列出了一系列渔船（载重量范围15～7 500 t）的主要尺度，同时给出了船舶侧面的受风面积，分满载和压载两种情况[2]，见表3。

表3 《港口航道设计指南》渔船受风面积

《港口航道设计指南》中提供的典型设计船型尺度，和业主提供的船型资料相比，在船长相同的情况下，型宽和吃水都有较大差异；同时较小型船舶的受风面积在指南中并未提供。

2）澳大利亚游艇码头标准AS 3962-2001

澳大利亚游艇码头设计标准 AS 3962-2001根据船型资料统计，给出了小型游艇的受风面积参考值[3]，本项目设计船型参考AS 3962规范4.8.3.2节船舶的受风面积见表4。

表4 澳大利亚游艇码头标准AS 3962-2001渔船受风面积

美国海军系泊设计手册 DM 26-6将搜集到的船舶按用途、尺度不同赋予不同代号，分别列出每种船舶的纵向和横向受风面积，而受风面积也是根据资料采用求积仪计算，同时考虑10 %的增大，作为栏杆、桅杆和其他附属物增加的受风面积[4]。但该手册计列的船舶类型以军用舰船、辅助船艇为主，较少涉及民用船舶，如果仅仅因为渔船和军用舰艇的上部结构布置形式有类似之处，参考 DM 26-6的船舶受风面积，也会和实际有较大差别，因此在这里不再赘述。

综上所述，仅澳大利亚AS 3962规范能对所有设计船型给出受风面积参考值，但这本规范涵盖的主要对象是游艇，游艇的上部结构布置和渔船还是存在一定差异（关于此问题下文会作比较）；PIANC规范中则没有列出船舶横向的受风面积。因此还有必要了解通过其他船型尺度参数来估算受风面积的方法。

2.2 根据船长、平均型深等参数估算受风面积

早期的一些规范、手册对中小型船舶受风面积进行估算时，使用了平均型深（average profile height）的概念，定义船的平均型深为受风面积和船长的比值，并给出参考曲线（见图 1），其中船舶的长度范围从20 ft到100 ft。

1986年出版的《Power and Motor Yacht（汽艇和摩托艇）》杂志刊登了 10种常见的小型船舶的纵向剪影（见图 2），其中包括游艇、快艇及拖轮等。Russell H.使用求积仪对这些船舶剪影的面积进行了计算，并除以相应的船舶长度，得到船舶平均型深。在计算投影面积时还考虑了两种情况：

1）投影面积只包括船身、甲板和船舱边缘的外轮廓；

2）除了上述提到的面积，还包括了甲板上栏杆和船舱悬挑包围的面积，因为通常栏杆区域是用帆布包覆、封闭起来的，增大了外轮廓面积。

图1 船舶型深和船长的关系[5]

图2 船舶类型描述和剪影（1986年）[5]

按上述两种测量方式分别计算的船舶型深及平均值见表5。

从计算数据可以看出，小型船舶的平均型深和船长的比值在 10 %～20 %这个范围之间。比值在20 %以上的船型，如Trawler（拖网渔船）、Sedan cruiser（游艇）和 Tug/lobster boat（捕虾船），都是甲板以上有较大驾驶舱或客舱的船型。这里也体现了上文提到的普通游艇和渔船上部结构的区别，一般游艇甲板以上的驾驶室和渔船相比明显偏小，只有比较豪华型的游艇，如Sedan cruiser甲板以上除了驾驶室，还有较大的客舱，才能达到和拖网渔船等近似的投影面积。

表5 10种船型的平均型深测量值[5]

作者将上述实际测量的船长与平均型深的关系和几种规范建议的曲线叠加在一起进行对比（见图3）可以发现，对于船长10 m（30 ft）以下的小型船舶，采用规范建议的曲线计算的受风面积与实际测量数据相比还略偏大；但对于船长20 m（60 ft）以上的船舶，实测的船舶受风面积比参考计算值大50 %以上。因此 Russell建议对于船长大于 20 m（60 ft）以上的船舶，参考上文提到的美国海军的系泊手册更合适。

图3 计算平均型深和规范建议曲线对比[5]

2）美国国防部UFC-4-152-07手册

美国国防部的小型船舶系泊设施设计手册（UFC-4-152-07）也有类似的建议，船舶的平均型深可取为船长的15 %[6]。

3）Bruce O.更新的船长-平均型深关系曲线（H-L曲线）

随着游艇、渔船、工作船等中小型船舶的船型尺度不断加大，原先的参考曲线（图 1）在船长较大的部分有了较大的改变。Bruce O.在自己的著作中建议使用根据自己的研究更新的H-L曲线[7]，根据此曲线计算的受风面积相比之前增加50 %～100 %。

图4 船舶型深和船长的关系[7]

根据 Tobiasson的研究成果，由船舶的长度计算平均型深，进而得到船舶纵向和横向受风面积，计算结果见表6。

表6 参考H-L曲线计算船舶受风面积

从计算结果可以看出，船舶纵向受风面积和PIANC规范及AS 3962的参考值比较接近，但横向受风面积相差较大。造成这种差异的原因是业主给出的船舶型宽和 PIANC规范的型宽参考值相比，明显偏小，故造成横向受风面积计算值也偏小。

4）从渔船结构设计方面考虑

影响船舶上的风荷载，特别是纵向风荷载，最主要因素是上层结构的形状和类型，从渔船结构设计的角度，由于渔船经常在风浪中作业，受风面积过大，会带来大幅度横倾，在稳性上也会带来不利的后果。贾复在渔船结构设计的专著中提出渔船的水线上侧投影面积与水线下面积之比一般约在1.2～1.8左右，其中大、中型拖网渔船约在 1.3～1.6左右，小型拖网渔船约在1.5～1.8左右[8]。船体水线下的面积按满载吃水与船长或船宽的乘积来估算，则渔船受风面积估算值见表7。

表7 参考《渔船设计》建议计算船舶受风面积

分析上述计算结果，400 HP和600 HP两种较大的船型计算受风面积比规范参考值和H-L关系曲线计算值相比略大，而60 HP和100 HP两种较小的船型计算值偏小；横向受风面积与H-L曲线计算结果比较接近，和规范参考值相差较大，原因同样是业主给出的船舶型宽明显偏小。鉴于这种方法公式简单，经验成分较大，计算结果仅用来与其他方法进行比较。

2.3 船舶受风面积总结

总结上述三种方法计算的船舶纵向、横向受风面积，船舶纵向受风面积采用了 PIANC规范和澳洲规范的计算数值，在100 HP和400 HP船型上采用了规范中较大等级船型的数值，计算结果偏保守。横向受风面积则主要考虑尊重业主提供的船型数据，采用了Bruce O.提出的H-L曲线法计算数值。设计中采用的船舶受风面积见表8。

表8 设计采用渔船受风面积

3 渔船风荷载计算

根据风荷载产生的原因及其作用机理，作用在船舶上的风荷载可表示为作用在船体表面的拖曳力的形式，其中最重要的参数为拖曳系数和设计风速。对于拖曳系数，不同规范中规定了不同的参考值，而设计风速的差异体现在采用风速的持续时间在不同规范中的定义不一致。

上节确定了船舶的受风面积，本节主要选取合适的公式计算作用在船舶上的风压力。张建侨等分别采用OCIMF规范、美国海军MIL-HDBK手册和《港口工程荷载规范》中的公式计算了风压力[9]，但这三本规范的范围都不包括渔船等小型船舶，故直接套用可能会造成偏差。本文在计算受风面积时主要采纳了PIANC规范、澳大利亚AS 3962规范以及Bruce O.的研究成果，故风压力计算也主要使用以上资料的推荐方法。

1）澳大利亚标准AS 3962-2001

澳大利亚标准规定作用在船舶上的风压可用下式计算：