劉擎波，譚忠華，沈文君*

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

0 引言

隨著港口建設(shè)逐漸向深海及國外發(fā)展以及優(yōu)質(zhì)岸線的逐漸減少，擬建區(qū)域波浪條件的復(fù)雜性日益增加。非洲西部、拉美西部海域受長周期波影響較為明顯。國內(nèi)外港口斷纜的事故時(shí)有發(fā)生，系泊的安全成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。中長周期波由于波長較長，波能較大，且波浪周期接近船舶橫搖周期，因此容易對(duì)系泊船舶的泊穩(wěn)造成較大影響[1]。近年來，諸多學(xué)者開始研究中長周期波作用對(duì)系泊船舶泊穩(wěn)性影響。

早在20 世紀(jì)80 年代，楊憲章[2]針對(duì)受涌浪和長周期波影響嚴(yán)重的毛里塔尼亞友誼港，對(duì)波浪和系泊船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，研究指出，系泊船舶對(duì)低頻長周期波浪響應(yīng)敏感，波列中的長周期波浪成分可引起船舶的劇烈運(yùn)動(dòng)，從而給碼頭系泊及裝卸作業(yè)造成危害；Hiraishi 等[3]基于日本北部Tomakomai 港集裝箱船橫搖側(cè)翻案例數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn)，由于中長周期波周期接近系泊船舶橫搖周期，故更易引起船舶橫搖共振，導(dǎo)致側(cè)翻事件頻發(fā)。史憲瑩等[4]采用物模試驗(yàn)研究LNG船在雙峰譜中長周期波浪下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，并探討了總能量相同，高低頻能量比例變化對(duì)系泊船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)系泊船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅度、系船纜張力極值取決于低頻波比例。沈雨生等[5]采用物理模型試驗(yàn)對(duì)一艘10 萬噸級(jí)散貨船進(jìn)行了不同周期下的系列試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，系泊船舶橫蕩運(yùn)動(dòng)量總體上隨著波浪周期的增大而增大，橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)量隨著波周期的增大先增大后減小。宋偉華等[6]采用OPTIMOOR 軟件系統(tǒng)分析了周期、波高和入射角度對(duì)船舶系泊穩(wěn)定的影響，研究結(jié)果表明，波高和入射角度對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的影響極為明顯，周期對(duì)船舶縱移運(yùn)動(dòng)影響最為明顯。沈文君等[7]采用數(shù)值方法對(duì)某駁船的運(yùn)動(dòng)特性開展了研究，分析了不同波浪作用角度、波浪周期，對(duì)系泊船舶與護(hù)舷、系泊纜繩組成的非線性耦合系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律。肖鑫等[8]采用Mike 21MA 軟件，分析了波高、周期以及波浪入射角度的系泊船舶運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。

綜上所述，波浪周期對(duì)浮式結(jié)構(gòu)物的作用非常明顯，對(duì)碼頭作業(yè)安全及運(yùn)營可靠性產(chǎn)生不利影響。本文基于擬在秘魯建設(shè)的一座20 萬噸級(jí)散貨裝船碼頭展開研究，對(duì)?？恐髁Υ偷鸟詈蟿?dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究成果可為設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，具有一定的工程應(yīng)用意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型

基于BV 船級(jí)社的Hydrostar 軟件和Ariane 軟件進(jìn)行分析。首先基于三維勢(shì)流理論，利用Hydorstar軟件在頻域內(nèi)得到了研究船舶的水動(dòng)力特性。然后通過頻時(shí)域轉(zhuǎn)換，在Ariane 軟件中建立船舶、系泊系統(tǒng)、護(hù)舷等組成的整體系統(tǒng)，通過求解該系統(tǒng)與外界環(huán)境載荷的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)方程，在每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)數(shù)值求解公式，迭代計(jì)算船舶的位置、船舶與護(hù)舷的距離、系船柱與船上導(dǎo)纜孔的距離等，進(jìn)而得到船舶六自由度的時(shí)間歷程響應(yīng)、纜繩拉力的時(shí)間歷程響應(yīng)以及護(hù)舷撞擊力的歷程響應(yīng)。

1.1 船舶模型

計(jì)算所用船舶主尺度參數(shù)如表1 所示，模型如圖1 所示。

圖1 水動(dòng)力網(wǎng)格模型Fig.1 Hydrodynamic mesh model

表1 船舶主尺度參數(shù)Table 1 Principal parameters of the barge

1.2 纜繩與護(hù)舷布置

擬建碼頭為樁基梁板結(jié)構(gòu)，排架間距7.5 m，系船柱與護(hù)舷的布設(shè)間距均為15 m。船舶的系泊布置如圖2 所示，采用16 根纜繩系泊，其中艏艉纜各4 根、艏艉橫纜各2 根、艏艉倒纜各2 根，建模時(shí)每根纜繩單獨(dú)模擬，其中圖2（b）為系泊數(shù)學(xué)模型圖，圖中黑色圓點(diǎn)代表系船柱和護(hù)舷結(jié)構(gòu)。計(jì)算纜繩材質(zhì)為聚丙烯，直徑為75 mm，最小破斷力為816 kN，安全工作荷載為408 kN。護(hù)舷采用SCN 1800H 型號(hào)，設(shè)計(jì)反力為2 172 kN，共有21 個(gè)護(hù)舷與船舶接觸。纜繩和護(hù)舷的性能模擬曲線見圖3。

圖2 系泊布置方案圖（4∶2∶2）Fig.2 Mooring arrangement plan（4∶2∶2）

圖3 護(hù)舷和纜繩特性曲線Fig.3 Characteristics curve of fender and mooring lines

1.3 計(jì)算工況

工程區(qū)域波高玫瑰圖如圖4 所示，從圖中可以看出該區(qū)域的主要浪向?yàn)閃 向，占全部波向的76.77%；其次為WNW 向，占全部波向的22.4%。有效波高主要集中在0.2～0.6 m 的范圍內(nèi)，占90.34%，0.6～0.8 m 范圍內(nèi)占7.49%，大于0.8 m有效波高占2.09%。譜峰周期主要介于11～17 s 之間，占全部的92.89%，其中13～15 s 占46.12%。可見工程海域波浪表現(xiàn)為中長周期涌浪。

圖4 有效波高玫瑰圖（2017-07-01—2018-07-01）Fig.4 Rose diagram of significant wave height（from 01/07/2017 to 01/07/2018）

碼頭軸線方位為108°～288°，波浪入射方向與船舶縱軸線（艏方向）為±20°～±30°范圍內(nèi)。按照不利情況考慮，具體計(jì)算條件如下：

1） 計(jì)算波向：與船舶縱軸線（艏方向）夾角呈30°；

2） 根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和本工程的波浪作用角度，11 s 以下的波浪周期對(duì)本工程的影響較小，因此本文重點(diǎn)關(guān)注的波浪要素取值如下：

譜峰周期Tp：13 s、15 s、17 s、19 s；

有效波高Hs：0.4 m、1.0 m；

系泊模擬時(shí)，采用的波譜為J 譜，譜峰因子取3.3。

1.4 極限標(biāo)準(zhǔn)

1） 運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)

參考PIANC 標(biāo)準(zhǔn)《Criteriaformovementofmoored ships in harbours-practical guide》[10]，專業(yè)化散貨泊位在進(jìn)行裝船作業(yè)時(shí)，船舶的運(yùn)動(dòng)量應(yīng)滿足：①縱蕩＜5.0 m；②橫蕩＜2.5 m；③艏搖＜3°；對(duì)垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)量無具體要求，六自由度運(yùn)動(dòng)示意如圖5 所示。

圖5 船體運(yùn)動(dòng)的六自由度示意圖Fig.5 Schematic diagram of six degrees of freedom for ship motion

2） 系纜力標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)纜繩最大允許拉力，鋼纜不應(yīng)超過纜繩破斷力的55%，其他纜繩不應(yīng)超過纜繩破斷力的50%[11]。本次研究所用纜繩的最小破斷力為816 kN，因此，當(dāng)纜繩拉力大于408 kN 時(shí)，認(rèn)為超出安全作業(yè)范圍。

3） 撞擊力標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于護(hù)舷的撞擊力和撞擊能量，當(dāng)試驗(yàn)所得到的撞擊力和撞擊能量超過護(hù)舷的設(shè)計(jì)撞擊力和撞擊能量時(shí)，則認(rèn)為護(hù)舷型號(hào)不滿足要求。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果初步分析

根據(jù)上述的計(jì)算組次，開展船舶系泊碼頭時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，纜繩預(yù)張力取10%的最小破斷力，即81.6 kN。用Hydrostar 水動(dòng)力計(jì)算軟件計(jì)算平均慢漂力和水動(dòng)力系數(shù)、一階波浪載荷傳遞系數(shù)，并在時(shí)域分析軟件Ariane 中考慮不同風(fēng)浪流聯(lián)合作用下大量組次的運(yùn)動(dòng)時(shí)域分析，得到纜繩的受力時(shí)歷曲線，最后按照3 h 回歸周期得到船舶六自由度運(yùn)動(dòng)量和纜繩受力最大統(tǒng)計(jì)值。本文以船舶壓載狀態(tài)為例，給出了部分組次對(duì)應(yīng)的六自由度運(yùn)動(dòng)量、系纜力的時(shí)歷曲線，如圖6、圖7 所示。

圖6 船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線（壓載Tp=13 s，Hs=1.0 m）Fig.6 Time history of ship motion（Ballast Tp=13 s，Hs=1.0 m）

圖7 纜繩拉力時(shí)歷曲線（壓載Tp=13 s，Hs=1.0 m）Fig.7 Time history of mooring line tension（Ballast Tp=13 s，Hs=1.0 m）

從圖7 中可以看出，船舶壓載狀態(tài)下，在Tp=13 s、Hs=1.0 m 波浪作用下，船舶的運(yùn)動(dòng)量均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，但某些纜繩拉力不滿足作業(yè)要求。其中，艏橫纜、艉橫纜受力最大，其次是艏纜和艉纜，纜繩拉力最大值455 kN，超出了纜繩的安全工作標(biāo)準(zhǔn)。圖8 給出了計(jì)算工況下，每個(gè)護(hù)舷的撞擊力。從圖8 中可以看出，由于受到斜浪作用，艏、艉接觸的護(hù)舷撞擊力最大，中間區(qū)域受力最小，護(hù)舷最大撞擊力為1 116 kN，滿足護(hù)舷設(shè)計(jì)要求。根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，15 萬噸級(jí)散貨船在平均周期Tm≤8 s（Tp≤9.68 s）的順浪作用下時(shí)，建議裝船作業(yè)的允許波高為H4%=2.0 m（Hs=1.58 m）。由此可見，波浪周期對(duì)允許作業(yè)波高的影響非常明顯，若需要進(jìn)一步分析允許的作業(yè)波高，則需降低波高繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，直至得出的纜繩拉力小于對(duì)應(yīng)的允許標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 護(hù)舷最大撞擊力分布統(tǒng)計(jì)值（壓載Tp=13 s，Hs=1.0 m）Fig.8 Statistical value of maximum fender force（Ballast Tp=13 s，Hs=1.0 m）

2.2 裝載狀態(tài)和波浪周期對(duì)響應(yīng)的影響規(guī)律

為了掌握不同波浪周期對(duì)系泊船舶的影響，選取Hs=0.4 m，Tp=13 s、15 s、17 s 和19 s 的工況進(jìn)行計(jì)算分析，掌握滿載和壓載狀態(tài)下，六自由度運(yùn)動(dòng)量以及系纜力隨周期的變化規(guī)律，如圖9和圖10 所示。

圖9 滿載狀態(tài)時(shí)的結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of results for laden condition

圖10 壓載狀態(tài)時(shí)的結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of results for ballast condition

從圖中可以看出：

1） 在滿載和壓載情況下，在30°波浪作用時(shí)，除橫搖運(yùn)動(dòng)外，其他5 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量基本都隨著周期的增大逐漸增大，譜峰周期17 s 時(shí)滿載的橫搖運(yùn)動(dòng)為1.71°，略大于15 s 和19 s 的數(shù)值；壓載的橫搖運(yùn)動(dòng)為0.93°，也略大于15 s 和19 s 的數(shù)值。

2） 在滿載和壓載情況下，纜繩拉力明顯隨著波浪周期的增大逐漸增大，且最大受力出現(xiàn)的位置均在艏橫纜和艉橫纜上。在相同周期波高作用下，滿載狀態(tài)下的纜繩受力略大于壓載狀態(tài)時(shí)的結(jié)果。

3 結(jié)語

為了掌握系泊船舶在中長周期波浪作用下的響應(yīng)特性，本文基于船舶的系泊布置方案建立了船舶-纜繩-護(hù)舷的三維時(shí)域分析模型，分析了該耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，討論了不同周期以及不同裝載狀態(tài)對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)量、纜繩拉力等參數(shù)的影響規(guī)律，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1） 在Tp=13 s、Hs=1.0 m 波浪作用下，船舶的運(yùn)動(dòng)量均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，在各組纜繩中，艏、艉橫纜受力最大，其次是艏纜和艉纜，纜繩拉力最大值455 kN，超出了纜繩的許用標(biāo)準(zhǔn)。

2） 工程主要受30°斜浪的作用，艏、艉接觸的護(hù)舷撞擊力最大，中間區(qū)域受力最小，護(hù)舷最大撞擊力為1 116 kN，滿足護(hù)舷設(shè)計(jì)要求。

3） 在滿載和壓載情況下，除橫搖運(yùn)動(dòng)外，其他5 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)量基本都隨著周期的增大逐漸增大，譜峰周期Tp=17 s 時(shí)滿載和壓載的橫搖運(yùn)動(dòng)分別為1.71°和0.93°，略大于15 s 和19 s 的數(shù)值。

4） 在滿載和壓載情況下，纜繩拉力明顯隨著波浪周期的增大逐漸增大，且最大受力出現(xiàn)的位置均在艏橫纜和艉橫纜上。

5） 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)情況對(duì)長周期波浪的作用十分敏感。建議密切關(guān)注工程區(qū)域的波浪周期，以保障系泊作業(yè)的安全進(jìn)行。