近岛礁中型浮式结构物张紧式系泊性能分析

尚勇志

（上海雄程海洋工程股份有限公司，上海201306）

0 引 言

随着我国社会和经济的不断发展，特别是沿海城市规模的迅速扩张，拓展海上空间逐渐成为现实需求。同时，随着我国南海开发力度的逐渐增大，对长期服役的近岛礁中型浮式结构物的研究日益增多。目前业界对近岛礁中型浮式结构物还没有严格的定义，大家普遍认同的是指那些能以沿海岛屿为依托，带有永久性或半永久性，具有综合性、多种用途的功能型船舶和海洋工程结构物。岛礁中型浮式结构物的应用领域主要包括：在特定区域建造生产生活基地，开发海洋资源；弥补沿海城市的不足，作为浮动码头；对区域政治、军事格局产生战略性影响。近岛礁中型浮式结构物具有适应频发的台风等复杂环境的特点，是进行南海岛屿建设用到的重要装备。

近年来，国内外学者在近海岛礁海洋结构物系泊系统定位可行性方面开展了大量研究工作，系泊系统的使用需综合考虑成本和安全要求。近岛礁超大型浮式结构物研究主要集中在4个方面，即：水弹性；复杂地理环境对系泊系统的影响；非均匀入射波的影响；各种类型的系泊系统。FU等基于WU提出的水弹性理论建立了考虑系泊系统和水弹性的耦合效应的数值方法，并通过试验对其有效性进行了验证。WU等和NI等对模块的柔性模型与刚性模型之间的系泊张力进行了数值比较，发现超大型浮体的弹性变形对系泊张力的影响在恶劣的海洋环境条件下可能是显著的。

中型浮式结构物的主尺度一般接近于传统的海洋工程支持船，因此可忽略其水弹性变形引起的系泊张力变化，这对于浮体定位系统设计而言更为有利，仍可借鉴近岛礁大型结构物系泊耦合分析方面的研究成果。中型浮式结构物一般布置在水深极浅的海域，位置靠近岛礁，因而附近海底呈斜坡状，波浪多从远处向岛礁方向传播，针对这一特殊情形，选用非对称张紧式系泊系统。这种锚链布置方式能提供相对较大的艏摇恢复力矩，在实际海况中，即使受到一定的环境力矩，平台也不会产生很大的艏摇角，且其较大的预张力对纵摇、横荡等水平面运动具有较好的约束能力，因此对岛礁中型浮式结构物作业具有较强的环境适应性。通过开展浮体-系泊耦合时域模拟，分析平台的六自由度运动、系泊缆张力和锚抓力等定位性能，探究近岛礁中型浮式结构物的系泊性能，为系泊系统设计及其安全性能评估提供参考。

1 系泊链集中质量模型

集中质量法是常用的锚链数值模型之一，能有效考虑锚链的非线性。在质量集中法中，锚链被划分为多个分段，每个分段的质量及其所受外力都被集中到分段两端的节点上，这样锚链分段就可视为一个无质量的弹簧。

在采用集中质量法分析锚链时，每个节点的受力都应满足控制方程

浮体系泊系统是一个复杂的高度耦合的动态系统，其由浮体平台或船舶与系泊缆索锚链的相互作用，通过导缆孔传递浮体运动和系泊缆张力，反复迭代计算得到浮体的六自由度运动和锚链张力。浮体系泊系统耦合计算是指基于势流理论，采用挪威船级社的强度分析软件SESAM进行水动力计算，将所得结果导入Orcaflex中进行时域耦合模拟分析。

2 中型浮式结构物时域耦合结果分析

2.1 浮体系泊系统参数

近岛礁中型浮式结构物的主要参数见表1，采用张紧式锚链布置方式（见图1）。12根系泊缆沿x轴分布，均为高分子聚乙烯缆，长度为155 m，刚度为1.38×10kN，水中质量为3.079 kg／m，预张力为50 t。海底呈斜坡状，倾斜角度为2°，平台中心处水深为50 m，y轴正方向为深水一侧，风浪环境力指向y轴负方向。

图1 近岛礁中型浮式结构物张紧式系泊系统示意图

表1 近岛礁中型浮式结构物的主要参数

2.2 风浪环境条件

近岛礁中型浮式结构物在工作海况下的平均风速为10 m／s。波浪的参数：有义波高为1 m；谱峰周期为4.32 s；频谱为Jonswap谱；谱峰升高因子为3.3。

2.3 六自由度运动时历分析

中型浮式结构物六自由度运动谱分析结果见图2和图3。从图2和图3中可看出：平台的纵荡、横荡和艏摇运动呈现显著的低频特性；平台的垂荡、横摇和纵摇运动呈现明显的波频特性。平台的系泊系统设计应关注平台的频域运动响应特性，使其运动的固有频率避开波浪主要频率范围，抑制平台运动响应幅值。

图2 中型浮式结构物纵荡、横荡和垂荡谱分析结果

图3 中型浮式结构物横摇、纵摇和艏摇谱分析结果

中型浮式结构物六自由度运动统计结果见表2。平台在270°风浪环境下能较好地进行定位，由于平台采用的是张紧式系泊系统，因此其垂荡运动较小，最大垂荡位移约为0.6 m。平台最大横荡位移为6.60 m，最大横摇角度为3.55°，其标准差分别为2.19 m和0.92°。由此可知，在给定的环境条件下，该平台采用的系泊系统的定位性能较好，反映了该系泊系统定位作业的可行性。

表2 中型浮式结构物六自由度运动统计结果

2.4 锚链导缆孔处张力时历分析

中型浮式结构物锚链导缆孔处张力统计结果见表3。各锚链导缆孔处张力的平均值均在68 t（1t≈9.8 kN）左右，最大张力不超过170 t，其标准差相对较小，系泊系统张力值在浮体运动过程中变化较小。这反映了张紧式系泊系统张力在平台运动过程中具有较为稳定的特性。同时，这也是平台的六自由度运动性能较好的主要原因，体现出其在中型浮式结构物系泊定位方面具有较好的适应性。

表3 中型浮式结构物锚链导缆孔处张力统计结果单位：t（1t≈9.8 kN）

2.5 锚链锚点处张力统计结果分析

中型浮式结构物锚链锚点处张力统计结果见表4。锚链各锚点处的抓力与其导缆孔处张力的统计结果基本相同。这反映了张紧式系泊系统的特性，锚链的张力值在载荷传递过程中变化较小。需特别指出的是，在设计张紧式系泊系统时，需选用合适的锚桩，以提供足够的锚抓力。

表4 锚链锚点处张力统计结果 单位：t

3 结 语

根据近岛礁中型浮式结构物作业区域的地质、地形特点和环境条件，采用张紧式系泊形式，基于集中质量法对浮体系泊系统进行耦合分析计算，探究该系统的系泊性能。研究发现，在给定的环境条件下，中型浮式结构物采用的张紧式系泊系统的张力在平台运动过程中呈现出了较为稳定的特性，体现出其在中型浮式结构物系泊定位方面具有较好的适应性。采用张紧式系泊系统，锚抓力与导缆孔张力较为接近，导致系泊系统的锚点张力较大，在实际设计系泊系统时需选用合适的锚桩，以提供足够的锚抓力。