何蔚華

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

港口工程中系船設(shè)施上受到的船舶荷載為由風(fēng)和水流產(chǎn)生的船舶系纜力，而一般情況下作用于船舶上的風(fēng)荷載在船舶系纜力中起主導(dǎo)作用。風(fēng)對(duì)船舶的作用主要受風(fēng)速、風(fēng)向和船舶受風(fēng)面積的影響。

我國(guó)現(xiàn)行的JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[1]給出了作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力公式，其中的多個(gè)參數(shù)需要通過(guò)其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)分析等方式確定。由于相關(guān)條文未對(duì)各參數(shù)的選取方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，工程設(shè)計(jì)時(shí)容易出現(xiàn)參數(shù)取值錯(cuò)誤的情況?，F(xiàn)有的研究，如文獻(xiàn)[2]對(duì)船舶水面以上高度的理論計(jì)算進(jìn)行研究。本文對(duì)規(guī)范給出的公式參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述和分析，使得各個(gè)參數(shù)在理論計(jì)算公式中的意義更清晰明了，同時(shí)對(duì)容易出現(xiàn)取值錯(cuò)誤的參數(shù)做出提醒，并提出相關(guān)估算方法以及取值標(biāo)準(zhǔn)，可為相關(guān)設(shè)計(jì)提供建議和借鑒，也希望為規(guī)范中船舶荷載計(jì)算相關(guān)參數(shù)的修訂提供參考。

1 理論計(jì)算公式

我國(guó)的《港口工程荷載規(guī)范》1998版中給出的風(fēng)壓力計(jì)算公式與國(guó)際上其他規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)基本一致，由于在壓載情況下的計(jì)算結(jié)果偏小，在現(xiàn)行的JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》引入了風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的附錄E，作用于船舶上的風(fēng)荷載可按垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力計(jì)算，公式為：

(1)

(2)

式中：Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力的橫、縱向分力(kN)；Axw、Ayw分別為船體水面以上橫、縱向受風(fēng)面積(m2)；vx、vy分別為設(shè)計(jì)風(fēng)速的橫、縱向分量(m/s)；ζ1為風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)；ζ2為風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)。

2 參數(shù)分析

2.1 計(jì)算常數(shù)

根據(jù)伯努利公式可以得到基本風(fēng)壓計(jì)算式：

(3)

式中：W0為基本風(fēng)壓(kPa)；ρ為空氣質(zhì)點(diǎn)密度(kg/m3)；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速(m/s)。

已知760 mm汞柱氣壓、常溫15 ℃干燥的情況下ρ=1.226 3×10-3kg/m3，代入式(3)得：

(4)

由于港口工程計(jì)算中，船舶在水面以上均具有一定高度，故規(guī)范賦予了船舶受風(fēng)面積離水面的基礎(chǔ)高度5 m，此時(shí)風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.17，高于5 m再用ζ2做進(jìn)一步修正，與式(4)相乘得計(jì)算風(fēng)壓W：

W=73.125×10-5v2

(5)

式(5)的常數(shù)項(xiàng)與式(1)基本相同，可認(rèn)為式(1)的計(jì)算常數(shù)源于以上推導(dǎo)。另外根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]船舶所受風(fēng)荷載大小，與風(fēng)荷載體形系數(shù)相關(guān)。通過(guò)式(5)與(1)的比較可知，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中計(jì)算船舶風(fēng)荷載的橫向分力時(shí)，風(fēng)荷載體形系數(shù)取1.0。

根據(jù)PortDesigner’sHandbook[4]關(guān)于船舶所受風(fēng)荷載計(jì)算的通用標(biāo)準(zhǔn)公式，其對(duì)風(fēng)荷載系數(shù)推薦值：垂直于船舶縱向時(shí)為1.3；平行于船舶縱向時(shí)，對(duì)船首取0.9，對(duì)船尾取0.8。由此可知，在設(shè)計(jì)風(fēng)速相同的情況下，船舶縱、橫向單位受風(fēng)面積所受計(jì)算風(fēng)荷載的比值為0.615～0.692。式(2)與(1)中的常數(shù)之比為0.666是合理的。

2.2 船體水面以上受風(fēng)面積

船體水面以上受風(fēng)面積推薦根據(jù)設(shè)計(jì)船型及其裝載度按《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]附錄A確定。港口工程中，需要注意泊位等級(jí)是按停泊船舶的噸級(jí)確定的，而查詢船體水面以上受風(fēng)面積時(shí)查詢的是特定載質(zhì)量的船舶。另外，各類船舶中，基本上壓載狀態(tài)下受風(fēng)面積大于滿載狀態(tài)，但集裝箱船卻相反，滿載狀態(tài)下的集裝箱船，甲板上方層疊的集裝箱將大幅增加集裝箱船的受風(fēng)面積。2021-03-23集裝箱船“長(zhǎng)賜號(hào)”在蘇伊士運(yùn)河擱淺，其原因之一就是強(qiáng)風(fēng)，正是集裝箱船滿載的受風(fēng)面積很大，增加了其在此類事故中擱淺的概率。

雜貨船受風(fēng)面積規(guī)律和普通船舶類似，但特別需要注意的是，一些運(yùn)輸重大件的件雜貨船尤其是用于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)拇祟惔?，船舶甲板上方的一個(gè)重大件其受風(fēng)面積就可能為2 000～3 000 m2，故遇到此類船舶時(shí)應(yīng)按實(shí)際資料取用船舶受風(fēng)面積。

2.3 設(shè)計(jì)風(fēng)速

對(duì)于沒(méi)有特殊要求的港口，可按9級(jí)風(fēng)考慮，9級(jí)及以上時(shí)船舶才開(kāi)始避風(fēng)，建議工程設(shè)計(jì)時(shí)按9級(jí)風(fēng)最大風(fēng)速24.4 m/s設(shè)計(jì)。

2.4 風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)

風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)可按JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》附錄E選用，需要注意規(guī)范中系數(shù)選取的依據(jù)是船舶水面以上最大輪廓尺寸。

2.5 風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)

在一定高度范圍內(nèi)，風(fēng)壓隨高度的增加而增大。港口工程設(shè)計(jì)中，船舶所處環(huán)境為海面，根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》，其地面粗糙度分類為A。風(fēng)速沿高度的變化，規(guī)范采用指數(shù)率表示，A類地區(qū)高度Z處(m)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZA表示為：

(6)

由2.1節(jié)可知，規(guī)范中理論計(jì)算公式的常數(shù)項(xiàng)已經(jīng)考慮5 m的水面高度，此時(shí)經(jīng)計(jì)算可得μZA=1.168，且規(guī)范規(guī)定船舶水面以上高度≤5 m時(shí)ζ2取1，故船舶水面以上高度>5 m時(shí)式(1)(2)的風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)應(yīng)為：

(7)

JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》附錄E中風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)即由式(7)計(jì)算得出。

港口工程設(shè)計(jì)中，部分工程存在以船舶干舷高度為船舶水面以上高度的情況，對(duì)比實(shí)際船舶可以發(fā)現(xiàn)，干舷高度不足以代表船舶水面以上高度。根據(jù)2.2節(jié)可知，對(duì)于集裝箱船和部分雜貨船，用船舶干舷高度為船舶水面以上高度計(jì)算風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)，取得的系數(shù)偏離式(7)較大，從而使風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，船舶水面以上高度建議由下式計(jì)算：

(8)

式中：h為船舶水面以上代表高度(m)；Lc為船舶柱間距(m)。

式(8)計(jì)算結(jié)果為簡(jiǎn)單的估算值，更準(zhǔn)確的計(jì)算方式可參考文獻(xiàn)[2]。式(8)得出的估算值與文獻(xiàn)[2]的橫向受風(fēng)計(jì)算高度結(jié)果基本一致，故其結(jié)果在工程設(shè)計(jì)中是可行的。

3 結(jié)論

1)在設(shè)計(jì)風(fēng)速相同的情況下，作用于船舶縱向單位受風(fēng)面積上的風(fēng)荷載為橫向的0.666，故式(1)(2)的風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)ζ1和風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)ζ2應(yīng)采用同一標(biāo)準(zhǔn)選用。規(guī)范中ζ1的選用依據(jù)是船舶水面以上最大輪廓尺寸，即按船舶橫向受風(fēng)考慮，但ζ2的選用標(biāo)準(zhǔn)不夠明確。由于總體來(lái)看，縱向荷載的計(jì)算公式(2)由式(1)折減得出，故本文認(rèn)為ζ2的選用也應(yīng)按船舶橫向受風(fēng)考慮。建議未來(lái)規(guī)范修訂時(shí)能明確ζ2的選用標(biāo)準(zhǔn)。

2)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意船舶所受風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)集裝箱船和部分雜貨船存在壓載狀態(tài)下受風(fēng)面積小于滿載狀態(tài)的情況；我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中統(tǒng)計(jì)的雜貨船受風(fēng)面積與重大件雜貨船尤其是遠(yuǎn)洋運(yùn)輸重大件雜貨船的實(shí)際情況不符，建議在未來(lái)規(guī)范修訂中增加對(duì)此類船舶相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

3)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)ζ2的選用存在較大差異，本文提出了船舶水面以上代表高度的簡(jiǎn)單估算公式，同時(shí)建議在未來(lái)規(guī)范修訂中增加相關(guān)計(jì)算公式。

4)風(fēng)速沿高度呈增大趨勢(shì)，規(guī)范中ζ2的選用使得船舶水面以上部分所受風(fēng)壓全按最高處修正，式(1)(2)的計(jì)算結(jié)果也因此可能偏大。建議未來(lái)規(guī)范修訂中風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)可考慮按船舶水面以上高度內(nèi)的加權(quán)平均值調(diào)整。