鄭 曉 (陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系， 陜西 渭南 714099)

基于OPTIMOOR的斜坡碼頭系留設(shè)施受力影響因素分析

為研究三峽庫(kù)區(qū)斜坡碼頭躉船在船舶靠泊作業(yè)時(shí)不同因素對(duì)躉船系留設(shè)施受力的影響，以保證碼頭安全作業(yè)，現(xiàn)基于OPTIMOOR軟件，以躉船和靠泊船整體為研究對(duì)象對(duì)各纜繩及錨鏈進(jìn)行受力分析。結(jié)合工程實(shí)例，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了船舶停靠躉船時(shí)該軟件計(jì)算的可靠性。最后針對(duì)該類情況，采用控制變量的方法分別對(duì)水流、風(fēng)、系泊纜繩角度、纜繩(錨鏈)缺失等因素進(jìn)行分析并總結(jié)規(guī)律，為三峽庫(kù)區(qū)斜坡碼頭躉船系留設(shè)施的安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

斜坡碼頭；系留設(shè)施；OPTIMOOR；影響因素；躉船

三峽水利樞紐的建成運(yùn)行使得長(zhǎng)江上游航道條件得到大幅度的改善和提高。由于庫(kù)區(qū)內(nèi)的斜坡碼頭受到變動(dòng)回水區(qū)域特殊水文環(huán)境的影響，同時(shí)由于船舶大型化的不斷發(fā)展，使得船舶在?？寇O船時(shí)系留設(shè)施存在較大安全隱患。何旭等[1]通過(guò)有限元分析軟件MIDAS對(duì)躉船碼頭系纜力主要影響因素進(jìn)行了分析計(jì)算，分析了影響躉船碼頭系纜力的因素；陳曉攀等[2]通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)已建碼頭的靠泊能力進(jìn)行評(píng)估，確保了港口的安全生產(chǎn)。舒斌等[3]結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算分析了超大型船舶在不同主機(jī)負(fù)荷下的系柱推力，優(yōu)化設(shè)計(jì)了纜樁布置，提出了合理建議。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于碼頭系纜力的研究相對(duì)較少，且以上有限元軟件在建模時(shí)均僅以躉船為研究對(duì)象。由于斜坡碼頭躉船在船舶靠泊作業(yè)時(shí)系纜力較不靠泊時(shí)大很多[4]，所以針對(duì)躉船和靠泊船整體受力的分析有待進(jìn)一步研究。筆者通過(guò)計(jì)算結(jié)果偏保守的OPTIMOOR軟件[5]，將躉船和靠泊船均考慮在內(nèi)，分別分析了水流、風(fēng)、纜繩角度、纜繩(錨鏈)缺失等因素對(duì)躉船系留設(shè)施受力的影響。

1 模型建立

在建模時(shí)使用OPTIMOOR提供的Ship2Ship處理模塊。首先在環(huán)境界面定義水流、水位、風(fēng)、波浪等基本參數(shù)，其次在船纜界面定義船舶、纜繩和錨鏈的尺寸、材質(zhì)等屬性[6]，再次在泊位界面定義泊位數(shù)據(jù)及地牛、錨抓點(diǎn)位置，最后在系泊界面確定纜繩與地牛、錨鏈與錨抓點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。躉船和靠泊船整體受力模型見(jiàn)圖1。

圖1 躉船與靠泊船整體受力模型

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

基于振動(dòng)頻率法[7-10]對(duì)重慶唐家沱油庫(kù)卸油碼頭展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。本碼頭躉船和靠泊船船型尺度見(jiàn)表1。躉船與靠泊船系留設(shè)施布置見(jiàn)圖2。躉船上設(shè)置了艏纜、艏橫纜、艉橫纜、艉纜、領(lǐng)水錨和艉開(kāi)錨。躉船系錨設(shè)施參數(shù)見(jiàn)表2。艏錨和艉錨均為霍爾錨，重量為2 500 kg，地牛均采用現(xiàn)澆C25毛石混凝土系船塊體。

表1 船型尺寸

表2 躉船系錨設(shè)施參數(shù)表

圖2 躉船與靠泊船舶系留設(shè)施布置圖

纜繩纜力測(cè)量步驟為首先由附著在纜繩上的DH202-002壓阻式加速度傳感器拾取纜繩在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)[11-13](見(jiàn)圖3)，然后通過(guò)DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)進(jìn)行頻譜分析并確定纜繩的部分自振頻率，最后將得到的某一階或幾階自振頻率以及纜繩的相關(guān)幾何、物理參數(shù)輸入編制的纜力計(jì)算程序得出纜力值[14]。

圖3 壓阻式加速度傳感器綁扎

圖4 DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與OPTIMOOR結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)靠泊船為滿載，通過(guò)直讀式流速儀測(cè)得水流為3 m/s順?biāo)鳎ㄟ^(guò)風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)得風(fēng)為8 m/s吹開(kāi)風(fēng)。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和OPTIMOOR結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果對(duì)比 單位：kN

由表3可知：(1) OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果中艉橫纜和艉纜的張力均為零，說(shuō)明纜繩處于松弛狀態(tài)。而實(shí)際纜繩即使在松弛的情況下自身重力也會(huì)產(chǎn)生一定的張力，故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中各纜繩受力均不為零。(2) OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果大致吻合，故可用OPTIMOOR軟件針對(duì)躉船和靠泊船整體進(jìn)行受力分析，后文以重慶唐家沱油庫(kù)卸油碼頭為例進(jìn)行系泊力影響因素分析。

3 影響因素分析

3.1 風(fēng)速大小的影響

當(dāng)船舶?？寇O船時(shí)，為研究風(fēng)速對(duì)系留設(shè)施受力的影響，按《港口工程荷載規(guī)范》[15](JST 114-1-2010)，對(duì)沒(méi)有特殊要求的港口，可按9級(jí)風(fēng)即20.8 m/s～24.4 m/s來(lái)考慮。以24 m/s為設(shè)計(jì)最大風(fēng)速，分6個(gè)等級(jí)來(lái)分析風(fēng)速對(duì)系留設(shè)施安全的影響。假定水流為5 m/s順?biāo)?，風(fēng)向?yàn)轫標(biāo)L(fēng)，利用OPTIMOOR得出不同風(fēng)速下纜繩及錨鏈的張力如表4所示。

表4 不同風(fēng)速下纜繩及錨鏈的張力

由表4得出：(1) 隨著風(fēng)速增大，艏纜、領(lǐng)水錨、艏開(kāi)錨及艉開(kāi)錨受力均增大，且領(lǐng)水錨所受張力變化幅度最大，變化幅度約為15%左右；(2) 當(dāng)水流流速為5 m/s，風(fēng)速不論增加多少，艉橫纜和艉纜均不受力。

3.2 風(fēng)向的影響

當(dāng)船舶停靠躉船時(shí)，為研究風(fēng)向?qū)ο盗粼O(shè)施受力的影響，將風(fēng)向以30°作為分級(jí)，共分12個(gè)方向來(lái)分析風(fēng)向?qū)ο盗粼O(shè)施安全的影響。假定水流為5 m/s順?biāo)?，風(fēng)速為24 m/s，利用OPTIMOOR得出不同風(fēng)向下纜繩及錨鏈張力如表5所示。

表5 不同風(fēng)向時(shí)纜繩及錨鏈的張力

由表5得出：(1) 當(dāng)風(fēng)向?yàn)?0°即為吹攏風(fēng)時(shí)，領(lǐng)水錨、艏開(kāi)錨和外開(kāi)錨系泊張力均接近最大值，該風(fēng)向?yàn)殄^鏈?zhǔn)芰Φ淖畈焕L(fēng)向；當(dāng)風(fēng)向?yàn)?80°即為順?biāo)L(fēng)時(shí)，艏纜張力達(dá)到最大，該風(fēng)向?yàn)轸祭|受力的最不利風(fēng)向；當(dāng)風(fēng)向?yàn)?70°即為吹開(kāi)風(fēng)時(shí)，艏橫纜張力達(dá)到最大，此風(fēng)向?yàn)轸紮M纜受力的最不利風(fēng)向。(2) 5 m/s順?biāo)髑绎L(fēng)速24 m/s時(shí)，由于水流流速對(duì)躉船和靠泊船產(chǎn)生的作用力遠(yuǎn)大于由風(fēng)產(chǎn)生的作用力，故無(wú)論風(fēng)向如何改變，艉橫纜和艉纜均不受力。(3) 當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，艏開(kāi)錨和艉開(kāi)錨系泊張力變幅較大，而艏纜和領(lǐng)水錨變幅較小。

3.3 流速大小的影響

當(dāng)船舶?？寇O船時(shí)，為研究流速對(duì)系留設(shè)施受力的影響，將流速以1 m/s為一個(gè)分級(jí)，共分6個(gè)等級(jí)分析流速對(duì)系留設(shè)施安全的影響。假定水流為順?biāo)髑覟?4 m/s順?biāo)L(fēng)時(shí)，用OPTIMOOR得出不同流速下纜繩及錨鏈張力如表6所示。

表6 不同流速時(shí)纜繩及錨鏈的張力

由表6得出：(1) 隨著流速的增大，艏纜、領(lǐng)水錨、艏開(kāi)錨和艉開(kāi)錨張力均大幅增加。(2) 無(wú)論流速如何，艉橫纜和艉纜均不受力；艏橫纜在流速較小時(shí)不受力，當(dāng)流速大于4 m/s時(shí)，艏橫纜開(kāi)始受力且隨流速增大而不斷增大。(3) 與表4對(duì)比可知，流速對(duì)系泊力大小的影響遠(yuǎn)大于風(fēng)速的影響。

3.4 水流方向的影響

三峽變動(dòng)回水區(qū)河道水流條件復(fù)雜多變，水流實(shí)際入射方向可能與船舶縱軸線存在一定夾角。當(dāng)船舶?？寇O船時(shí)，為分析流向?qū)ο盗粼O(shè)施受力的影響，現(xiàn)考慮當(dāng)流向角在-15°～15°變化時(shí)，以每5°為一個(gè)級(jí)差分析流向?qū)ο盗粼O(shè)施安全的影響。水流流向角示意圖如圖5所示。

圖5 水流流向角示意圖

假定風(fēng)為24 m/s順?biāo)L(fēng)且水流流速為3 m/s時(shí)，用OPTIMOOR得出不同流向下各纜繩及錨鏈的張力如表7所示。

表7 不同流向下各纜繩及錨鏈的張力

由表7得出：(1) 當(dāng)水流流向角為-15°時(shí)，此時(shí)艏纜、艏橫纜、艉橫纜及艉纜均不受力，主要靠錨鏈來(lái)提供系泊力。因?yàn)榇藭r(shí)流向與艏開(kāi)錨方向接近，故此時(shí)艏開(kāi)錨受力最大。(2) 水流流向?yàn)?15°時(shí)為艏開(kāi)錨受力的最不利工況，水流流向角為15°為艏纜受力的最不利工況。

3.5 纜繩角度因素的影響

當(dāng)船舶?？寇O船時(shí)，為分析纜繩角度對(duì)系留設(shè)施受力的影響，現(xiàn)將艏纜和艉纜與碼頭前沿線的夾角以10°為一個(gè)級(jí)差，考慮夾角在30°～80°之間變化時(shí)纜繩角度對(duì)系泊張力的影響。假定水流為3 m/s順?biāo)?，風(fēng)為24 m/s吹開(kāi)風(fēng)，用OPTIMOOR得出不同纜繩角度下各纜繩及錨鏈的張力如表8所示。

表8 不同纜繩角度時(shí)纜繩及錨鏈的張力

由表8得出：(1) 當(dāng)艏纜角度增大時(shí)，艏橫纜張力依次減小并趨于穩(wěn)定，而艏開(kāi)錨張力不斷增大；其余纜繩或錨鏈?zhǔn)芰话l(fā)生明顯變化，為使纜繩和錨鏈張力均勻分布，故選擇艏纜角度為50°～60°。(2) 當(dāng)艉纜角度改變時(shí)，各纜繩及錨鏈?zhǔn)芰话l(fā)生明顯變化，故在選擇艉纜角度時(shí)，可根據(jù)碼頭岸坡實(shí)際情況盡量選擇角度較大的方向系泊，從而有效減少艉纜的長(zhǎng)度。

3.6 纜繩(錨鏈)缺失的影響

現(xiàn)階段尚沒(méi)有一套完整的斜坡碼頭躉船系留規(guī)范。躉船在實(shí)際系泊時(shí)系泊方案往往根據(jù)泊位處水流條件加個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)選定。這就導(dǎo)致躉船在系泊時(shí)往往缺失某根纜繩(錨鏈)。假定水流為3 m/s順?biāo)?，風(fēng)為24 m/s順?biāo)L(fēng)時(shí)，用OPTIMOOR得出不同纜繩(錨鏈)缺失下各系泊線張力如表9所示。

表9 不同纜繩(錨鏈)缺失下各系泊線張力

由表9得出：(1) 當(dāng)缺失領(lǐng)水錨時(shí)，艏纜及艏開(kāi)錨張力達(dá)到最大值；當(dāng)缺失艏開(kāi)錨時(shí)，領(lǐng)水錨張力達(dá)到最大值。(2) 在缺失艉開(kāi)錨時(shí)，艏纜及領(lǐng)水錨張力趨于均勻，但計(jì)算得到躉船橫向位移6 m,縱向位移1.2 m。超出躉船容許位移，故躉船必須設(shè)置艉開(kāi)錨，以保證碼頭能夠正常作業(yè)。

4 結(jié) 論

(1) OPTIMOOR計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果大致吻合，可用OPTIMOOR軟件針對(duì)躉船和靠泊船整體進(jìn)行受力分析。

(2) 當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，外開(kāi)錨張力變化幅度最大；當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，艏開(kāi)錨和艉開(kāi)錨系泊張力變幅最大；隨著流速的增加，艏纜、領(lǐng)水錨、艏開(kāi)錨和艉開(kāi)錨張力均大幅增加；水流流向?yàn)?15°時(shí)為艏開(kāi)錨受力的最不利工況，水流流向角為15°為艏纜受力的最不利工況；水流對(duì)躉船和靠泊船系留設(shè)施安全的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)的影響。

(3) 當(dāng)纜繩角度改變時(shí)，各纜繩或錨鏈張力變幅不大；當(dāng)缺失艏纜或艏開(kāi)錨時(shí)，領(lǐng)水錨張力均大幅增加；當(dāng)缺失艉開(kāi)錨時(shí)，躉船及靠泊船位移過(guò)大，影響船舶正常作業(yè)，故必須設(shè)置艉開(kāi)錨。

[1] 何 旭,傅 華,劉明維.某躉船碼頭系纜力影響因素研究[J].水運(yùn)工程,2013(3)：117-120.

[2] 周世良,陳曉攀,古西召.三峽庫(kù)區(qū)斜坡式碼頭靠泊能力評(píng)估方法研究[J].水運(yùn)工程,2010(5)：103-107.

[3] 舒 斌,焦 磊.超大型船舶系泊試驗(yàn)時(shí)系纜力分析[J].中國(guó)水運(yùn),2012,12(12)：9-11.

[4] 何 旭.內(nèi)河躉船碼頭系纜力計(jì)算方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013：59-61.

[5] 湯建宏,韓巍巍.基于Optimoor的30萬(wàn)噸級(jí)油碼頭泊穩(wěn)系纜力計(jì)算[J].水運(yùn)工程，2015(6)：42-45.

[6] 左 衛(wèi),包志勇,張聞?dòng)?等.系留纜繩的應(yīng)用特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2013(6)：1-7.

[7] 肖會(huì)闖.索力振動(dòng)法測(cè)量的試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015：19-32.

[8] 孫永明,孫 航,任 遠(yuǎn).頻率法計(jì)算勻質(zhì)豎直拉索索力的實(shí)用公式[J].工程力學(xué)，2013,30(4)：211-218.

[9] 蔡海勇,付立彬.跨渠橋梁拉索張力測(cè)定技術(shù)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(6)：137-140.

[10] 朱鐵城.拉索參數(shù)識(shí)別的多頻率法研究與索力無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué),2013：9-14.

[11] 王 鍇,劉志國(guó),劉 剛,等.壓電式加速度傳感器的頻響檢測(cè)分析[J].測(cè)控技術(shù)，2014,33(9)：116-119.

[12] 曹麗曼.壓電式加速度傳感器振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015(7)：164-166.

[13] 陳至坤,逢 鵬,王福斌,等.基于壓電加速度傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014,22(12)：3923-3925.

[14] 肖 一,卓衛(wèi)東,范立礎(chǔ).考慮彎曲剛度的懸索自由振動(dòng)解析解[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013,11(1)：117-121.

[15] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.港口工程荷載規(guī)范:JST114-1-2010[S].北京:人民交通出版社,2010:26-29.

Analysis of Influencing Factors of Slope Pontoon Wharf Facilities
Mooring Force Based on OPTIMOOR

ZHENG Xiaoxun

(DepartmentofRailwayEngineering,ShaanxiRailwayInstitute,Weinan,Shaanxi714099,China)

In order to study the influence of different factors on the stress of the mooring facilities and to ensure the safe operation of the wharf when the ship berthing pontoon wharf in the Three Gorges Reservoir, now based on OPTIMOOR software this paper analyzed each rope and chain forces by the pontoon and ship overall. Combined with engineering examples, the reliability is verified by comparing the results of OPTIMOOR with the actual field measurement when the ship berthing pontoon wharf. Finally, the method of control variables were used to analyze the water, wind, angle of mooring lines and the cables (chains deletion) factors in such circumstances and summed up the law. This will provide the basis for safe design of pontoon wharf facilities in the Three Gorges Reservoir.

slope wharf; mooring facilities; OPTIMOOR; influencing factors; pontoon

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.040

2016-08-10

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(KY2015-33)

U656

A

1672—1144(2016)06—0208—05