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      工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷 規(guī)范計(jì)算方法概述

      2018-10-29 11:09:48江新偉王南海
      中國水運(yùn) 2018年8期

      江新偉 王南海

      摘 要:綁扎固定設(shè)計(jì)載荷是工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸保證安全的重要因素,也直接影響到整個(gè)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸方案的經(jīng)濟(jì)性與否。本文結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社規(guī)范,對工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算方法和步驟作了介紹,研究并歸納總結(jié)出了一套通用可行的計(jì)算流程,為綁扎固定結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論數(shù)據(jù)支持。

      關(guān)鍵詞:綁扎固定;設(shè)計(jì)載荷;規(guī)范計(jì)算;遠(yuǎn)洋運(yùn)輸

      中圖分類號(hào):[U-9] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006—7973(2018)8-0071-03

      傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的海上運(yùn)輸,比如導(dǎo)管架、上部組塊等,綁扎固定設(shè)計(jì)載荷是基于專業(yè)的海洋工程設(shè)計(jì)軟件直接計(jì)算得到的。

      對于大型工程船等浮體貨物而言,通常采用半潛船干拖的方式進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。浮體貨物的特殊結(jié)構(gòu)形式,直接決定了不能直接計(jì)算得到綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的特點(diǎn)。

      本文旨在根據(jù)以往實(shí)際項(xiàng)目施工中的一些經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社的規(guī)范要求,就工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算方法和步驟作簡單介紹。

      1結(jié)構(gòu)物綁扎固定載荷的直接計(jì)算

      傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷,通常使用MOSES和SACS軟件直接計(jì)算得到,其載荷主要組成如下:慣性載荷、風(fēng)載荷。

      傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的底部支撐腿的面積較小,且支撐高度較高,海上運(yùn)輸過程中比較容易發(fā)生傾覆。因此,綁扎固定設(shè)計(jì)載荷計(jì)算時(shí),通常使用斜拉筋形式的固定結(jié)構(gòu),同時(shí)考慮了對底部支撐腿的彎矩載荷的影響。此情況下,可以使用SACS軟件直接計(jì)算結(jié)構(gòu)物綁扎固定設(shè)計(jì)載荷以及進(jìn)行詳細(xì)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?;静襟E如下:①首先使用MOSES軟件創(chuàng)建船舶模型,參考船舶裝載手冊調(diào)整船舶的重量分布;②按照設(shè)計(jì)方案,將結(jié)構(gòu)物的重量重心、受風(fēng)面積等信息加載到模型對應(yīng)位置,并調(diào)整壓載艙壓載水布置方案至船舶平衡狀態(tài);③計(jì)算船舶與貨物整體的穩(wěn)性和船舶的總縱強(qiáng)度,確保其滿足DNV規(guī)范的相關(guān)要求;④使用上述滿足規(guī)范要求的MOSES模型,加載波浪和風(fēng)環(huán)境載荷,計(jì)算結(jié)構(gòu)物重量重心處的運(yùn)動(dòng)相應(yīng),并提取各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)加速度;⑤使用SACS軟件建立整體結(jié)構(gòu)模型,將上述步驟計(jì)算得到的加速度加載到整體結(jié)構(gòu)模型中,直接計(jì)算綁扎固定設(shè)計(jì)載荷,并參考相關(guān)規(guī)范的要求,同時(shí)對綁扎固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

      2工程船綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念

      對于工程船等浮體貨物遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷,其基本組成部分與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物相同,即:慣性載荷、風(fēng)載荷。

      工程船的底部通常由枕木支撐,且支撐面積較大,枕木使用固定結(jié)構(gòu)固定在半潛船甲板上。海上運(yùn)輸過程中,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物相比較而言,其發(fā)生傾覆的可能性更小。但是工程船結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,創(chuàng)建整體結(jié)構(gòu)模型工作量大,且工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運(yùn)輸綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念不同[1]:

      (1)半潛船在波浪載荷的作用下會(huì)發(fā)生中拱或中垂,貨物與半潛船甲板之間存在一定的相對運(yùn)動(dòng)。綁扎固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要釋放此部分相對位移產(chǎn)生的載荷;同時(shí),還需滿足在發(fā)生最大相對位移時(shí),綁扎固定結(jié)構(gòu)仍可以起到限制貨物運(yùn)動(dòng)的作用;

      (2)綁扎固定結(jié)構(gòu)只允許承受單方向的正向壓力;

      (3)貨物在垂直方向不設(shè)計(jì)綁扎固定結(jié)構(gòu);

      (4)工程船的綁扎固定結(jié)構(gòu),通常設(shè)計(jì)在底部,其設(shè)計(jì)載荷只考慮工程船的水平運(yùn)動(dòng)載荷,而彎矩載荷不予考慮;

      (5)綁扎固定結(jié)構(gòu)通常做成標(biāo)準(zhǔn)件的形式,根據(jù)工程船固定設(shè)計(jì)載荷計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)件單件的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行數(shù)量和類型組合。

      綜合以上設(shè)計(jì)理念,對于工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸而言,通常采用規(guī)范計(jì)算的方法迭加固定載荷的各個(gè)組成部分,從而求解得到最終的綁扎固定設(shè)計(jì)載荷。

      3工程船綁扎固定載荷的規(guī)范計(jì)算

      3.1風(fēng)載荷規(guī)范計(jì)算

      對于工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸而言,綁扎固定設(shè)計(jì)載荷中的風(fēng)載荷組成部分,通常采用規(guī)范計(jì)算的方法求解得到。

      美國船級(jí)社(ABS)規(guī)范規(guī)定,其風(fēng)速計(jì)算參考基準(zhǔn)面為距離海平面以上15.3m處,且需要同時(shí)考慮以下兩種風(fēng)速:

      (1)平均風(fēng)速:持續(xù)時(shí)間為1小時(shí);

      (2)陣風(fēng)風(fēng)速:持續(xù)時(shí)間為1分鐘。

      參考美國石油協(xié)會(huì)(API)規(guī)范中給出的風(fēng)速計(jì)算公式,可以進(jìn)行不同高度處、不同持續(xù)時(shí)間范圍的風(fēng)速轉(zhuǎn)化[4]。

      為了簡化風(fēng)載荷的計(jì)算過程,ABS規(guī)范中引入了形狀系數(shù)和高度系數(shù)的概念,以此來表述構(gòu)件形狀、構(gòu)件不同高度對風(fēng)載荷大小的影響。表1中列舉出了典型常用結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù);表2列舉出了不同高度處的高度系數(shù)取值范圍,其高度數(shù)值取構(gòu)件形心至海平面的垂直距離[2]。

      目前,ABS規(guī)范給出風(fēng)壓計(jì)算公式[2]~[3]:

      Fw=fVk2Ch Cs A/1000 (1)

      式中,

      f:風(fēng)壓系數(shù),取0.0623;

      Cs:構(gòu)件的形狀系數(shù),見表1;

      Ch:構(gòu)件的高度系數(shù),見表2;

      A:受風(fēng)構(gòu)件在迎風(fēng)向的投影面積;

      Vk:設(shè)計(jì)風(fēng)速。

      3.2風(fēng)傾載荷計(jì)算

      在持續(xù)風(fēng)載荷的作用下,工程船與半潛船整體會(huì)發(fā)生一個(gè)小角度的橫傾角。橫傾角計(jì)算時(shí),使用MOSES軟件進(jìn)行計(jì)算,并同時(shí)考慮上述兩種風(fēng)速。當(dāng)半潛船出現(xiàn)橫傾角時(shí),工程船重量在橫向會(huì)有一個(gè)與半潛船甲板平行的分量,即風(fēng)傾載荷:

      Fθ=W×sinθ (2)

      式中,

      W:工程船重量;

      θ:半潛船橫傾角度。

      3.3慣性載荷計(jì)算

      工程船慣性載荷的計(jì)算方法,與常規(guī)結(jié)構(gòu)物類似,即先由MOSES軟件計(jì)算由于船舶運(yùn)動(dòng)效應(yīng)在工程船重心處產(chǎn)生的6個(gè)自由度的最大加速度:橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和首搖;然后,使用2個(gè)平動(dòng)自由加速度(橫蕩和縱蕩)分別計(jì)算出由加速度產(chǎn)生的橫向和縱向慣性載荷,而垂蕩加速度則用來計(jì)算工程船與枕木之間的摩擦力,此部分內(nèi)容后續(xù)做詳細(xì)介紹。其中,3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)加速度(橫搖、縱搖和首搖)產(chǎn)生的慣性載荷,則用來校核枕木抗壓強(qiáng)度,這里不做過多的敘述。

      平動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力計(jì)算公式如下:

      Facc=W×aacc (3)

      式中,

      W:工程船重量;

      aacc:工程船平動(dòng)加速度。

      3.4枕木摩擦力計(jì)算

      枕木除了為工程船提供垂向支撐外,同時(shí)還可以提供一定的摩擦力,用以抵消引起貨物水平運(yùn)動(dòng)的部分載荷。工程船與枕木之間的摩擦力計(jì)算公式如下:

      Ffric=W×fcoe×(1-av ) (4)

      式中,

      W:工程船重量;

      fcoe:許用靜摩擦系數(shù);

      av:工程船重心處的垂蕩加速度。

      另外,工程船與枕木之間的靜摩擦系數(shù)大小,受到如下兩個(gè)因素的影響,計(jì)算摩擦力時(shí)需要進(jìn)行綜合考慮:

      (1)枕木的高度:當(dāng)枕木高度不超過600mm時(shí),在枕木長度方向和與枕木長度垂直的兩個(gè)方向,靜摩擦系數(shù)取相同的數(shù)值,均不折減;當(dāng)枕木高度不小于900mm時(shí),通常在與枕木長度垂直的方向設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐,在枕木兩個(gè)方向的靜摩擦系數(shù)取相同的數(shù)值,同樣不進(jìn)行折減;當(dāng)600mm<枕木高度<900mm,且枕木寬度不小于300mm時(shí),與枕木長度垂直的方向,靜摩擦系數(shù)需要進(jìn)行折減,折減之后的靜摩擦系數(shù),按照如下公式計(jì)算[1]:

      (2)工程船在船側(cè)方向的最大自由懸臂長度:如果工程船橫向尺寸較半潛船船寬尺寸大且重量較重,超過一定數(shù)值時(shí),其與枕木之間的最大靜摩擦系數(shù)會(huì)相應(yīng)漸漸。最大許用靜摩擦系數(shù)與自由懸臂、工程船重量的關(guān)系定義如下表所示[1]。

      3.5工程船固定設(shè)計(jì)極限載荷計(jì)算

      使用上述計(jì)算得到的貨物風(fēng)載荷、風(fēng)傾載荷、慣性載荷,以及摩擦力計(jì)算結(jié)果,參考DNV規(guī)范中的載荷迭加公式,進(jìn)行求解貨物運(yùn)動(dòng)極限荷載,其計(jì)算公式如下[1]:

      (1)橫向(船寬方向):

      式中,F(xiàn)dyn=Feθ-Fmθ+Few-Fmw

      Fmθ:平均風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)傾載荷;

      Feθ:陣風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)傾載荷;

      Fmw:平均風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)載荷;

      Few:陣風(fēng)產(chǎn)生的橫向風(fēng)載荷;

      Facc: 橫蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

      (2)縱向(船長方向):

      式中,

      Fmw:平均風(fēng)產(chǎn)生的縱向風(fēng)載荷;

      Few:陣風(fēng)產(chǎn)生的縱向風(fēng)載荷;

      Facc:縱蕩加速度產(chǎn)生的慣性載荷。

      考慮枕木摩擦力的影響,工程船綁扎固定設(shè)計(jì)極限載荷按照如下公式計(jì)算:

      工程船綁扎固定設(shè)計(jì),需考慮最小設(shè)計(jì)載荷。參考DNV規(guī)范,綁扎固定設(shè)計(jì)載荷最小值詳細(xì)規(guī)定見下表:

      其中,W為工程船重量

      (1)[NA]1≥(15-W/4000)%;

      (2)[NA]2≥(7.5-W/4000)%;

      (3)[NA]3≥(3.5-W/20000)%。

      綜上所述:取上述計(jì)算得到的極限載荷Fe-force 與按照規(guī)范要求計(jì)算得到的最小設(shè)計(jì)載荷兩者中的較大值,并以此作為最終的工程船綁扎固定設(shè)計(jì)所需的計(jì)算載荷。

      4結(jié)論

      本文通過對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)物海上運(yùn)輸與工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算流程,并結(jié)合DNV和ABS船級(jí)社規(guī)范,對工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算方法和步驟做了介紹。

      此規(guī)范計(jì)算流程涉及的計(jì)算載荷較多,包括風(fēng)載荷、風(fēng)傾載荷、慣性載荷和摩擦力,各部分載荷計(jì)算之間是彼此聯(lián)系、逐級(jí)計(jì)算的;此計(jì)算流程參考的規(guī)范也較多,既用到API、ABS等常用海洋工程規(guī)范,也涉及到浮體貨物海上運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)的DNV規(guī)范。另外,此規(guī)范計(jì)算過程也涉及到水動(dòng)力理論的應(yīng)用,需要使用到浮體專業(yè)計(jì)算軟件MOSES的輔助來求解運(yùn)動(dòng)加速度。

      此工程船遠(yuǎn)洋運(yùn)輸綁扎固定設(shè)計(jì)載荷規(guī)范計(jì)算流程,經(jīng)過了以往實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證,并為綁扎固定結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論數(shù)據(jù)支持,其計(jì)算方法和步驟是可行且有效的。

      參考文獻(xiàn):

      [1] Det Norske Veritas, 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.

      [2] American Bureau of Shipping, Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S], 2017.

      [3] 潘斌,苑金民.作用在海洋移動(dòng)式平臺(tái)上的風(fēng)載荷[J].海洋工程,1997,15(2):32-37.

      [4] API-RP-2A-WSD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design, 21st Edition, 2007.

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