馬一歌，李艷艷，郭鵬增

1.北京市海淀區(qū)精華學(xué)校，北京 100096

2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266000

華能江蘇大豐海上風(fēng)電升壓站導(dǎo)管架采用4腿導(dǎo)管架型式，上設(shè)靠船構(gòu)件、登船平臺、J 型電纜護(hù)管等附屬構(gòu)件。導(dǎo)管架為30.18m×22.68 m×17.1m（高）的空間桁架結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量約920 t。本工程擬采用滑移方式將導(dǎo)管架裝船，運(yùn)輸駁船選用15 000 t 級甲板貨船，船長125 m，型寬25 m，型深7.5 m，干舷高度2.5 m。

駁船碼頭系泊時雖然通過纜繩與碼頭連接固定，但其仍可以隨著潮汐、貨物的裝載卸載等做升沉運(yùn)動，同時由于風(fēng)、水流、波浪等外在環(huán)境因素作用而產(chǎn)生振蕩，包括6個自由度的運(yùn)動（縱移、橫移、升沉、橫搖、縱搖、回轉(zhuǎn)）[1]。由外海傳來的波浪或附近船舶航行興起的波浪會使船舶產(chǎn)生較大幅度的運(yùn)動，嚴(yán)重時會影響裝卸作業(yè)，延長駁船靠岸時間，增加成本，甚至?xí)l(fā)生斷纜等嚴(yán)重事故。此外船舶運(yùn)動中對碼頭的碰撞將影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和碼頭穩(wěn)定性。由于本項(xiàng)目選擇的船舶船型大，自身錨機(jī)能力不足，需要增加卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)加強(qiáng)駁船系泊強(qiáng)度，故需要進(jìn)行針對性的系泊設(shè)計(jì)及船舶系泊狀態(tài)計(jì)算分析，且導(dǎo)管架到達(dá)甲板預(yù)定位置后駁船受風(fēng)、浪、流影響最大，故本文針對導(dǎo)管架滑移到位后駁船系泊進(jìn)行分析，以確保導(dǎo)管架滑移裝船作業(yè)期間船舶系泊穩(wěn)定可靠，保證作業(yè)安全。

1 環(huán)境荷載分析

項(xiàng)目所在海域施工時段情況的環(huán)境條件見表1。

表1 施工環(huán)境風(fēng)浪流參數(shù)

1.1 風(fēng)力分析

根據(jù)中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》[2]第二章第二節(jié)，風(fēng)壓按下式計(jì)算：

式中：P 為風(fēng)壓，kPa；V 為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

根據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》，作用在構(gòu)件上的風(fēng)載荷由下式計(jì)算：

式中：F 為風(fēng)荷載，kN；S 為平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)。

本項(xiàng)目中導(dǎo)管架安置于駁船上時，沿兩個水平方向的投影面積如圖1 所示，其中X 軸方向?yàn)轳g船長度方向，Y 軸方向?yàn)轳g船寬度方向。

圖1 導(dǎo)管架安置于駁船上時的投影面積示意

根據(jù)所給參數(shù)，可得風(fēng)荷載體型系數(shù)（見表2）。

表2 X及Y方向風(fēng)載荷體型系數(shù)

由X、Y 方向的風(fēng)荷載可求得在風(fēng)向下船體受到的合力。根據(jù)API RP 2SK[3]，隨機(jī)方向下的風(fēng)載荷可用下式進(jìn)行求解：

式中：φ 為風(fēng)載荷方向；Fφ為在該風(fēng)載荷方向下的力；Fx為X 方向下的力；Fy為Y 方向下的力。

在求得任意方向下的風(fēng)力后，并沿X 及Y 方向分解，如下式所示：

式中：Fφx、Fφy為該風(fēng)載荷在X、Y 方向的分力。

通過上式計(jì)算，可得在0°～90°風(fēng)向時X 及Y 方向的風(fēng)載荷體型系數(shù)（見表3）。

表3 0°～90°風(fēng)向時船體及導(dǎo)管架風(fēng)載荷體型系數(shù)

1.2 海流力計(jì)算

根據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》第二章第四節(jié)，當(dāng)只考慮海流作用時，作用在平臺水下部分構(gòu)件的海流載荷可按下式計(jì)算：

式中：F 為海流荷載，kN；ρw為海水密度，kg/m3；V 為設(shè)計(jì)海流流速，m/s；A 為構(gòu)件在與流速垂直平面上的投影面積，m2；CD為拖曳力系數(shù)，屬于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般應(yīng)與波浪運(yùn)動學(xué)理論相配合。在波動流中，CD不僅與雷諾數(shù)Re 和構(gòu)件表面相對粗糙度有關(guān)，還與庫爾根-卡培數(shù)KC有關(guān)，此處根據(jù)DNV-RP-C205[4]，CD取1.9。

2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對駁船靠泊碼頭，需要避開單點(diǎn)系泊，采用浮式海洋平臺中的成熟的多點(diǎn)系泊，減少系泊定位建造成本。采用8 纜布置設(shè)計(jì)，如圖2 所示，其中L-5、L-6、L-7、L-8 與L-1、L-2、L-3、L-4 系泊點(diǎn)和錨點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)于X 軸對稱，系泊纜參數(shù)見表4。

圖2 駁船系泊系統(tǒng)

表4 系泊纜參數(shù)

3 有限元模型

在ANSYS 模塊中建立駁船靠泊碼頭模型，采用面元積分法在AQWA-LINE 模塊中對船體進(jìn)行頻域分析，得到RAO、一階波浪力和二階波浪力等水動力基本參數(shù)，最終在AQWA-DRIFT 模塊中對駁船靠泊的系泊系統(tǒng)進(jìn)行時域分析，求解系泊纜動張力及平臺漂移量情況，同時對系泊纜強(qiáng)度的安全性進(jìn)行規(guī)范校核。駁船的靜水力參數(shù)：設(shè)計(jì)吃水5.0 m，型深7.5 m。

在ANSYS 中進(jìn)行建模，采用4 節(jié)點(diǎn)四邊形單元進(jìn)行有限元模型劃分，駁船網(wǎng)格密度1.0 m，碼頭網(wǎng)格密度3.0 m?；炷链a頭為C35 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，彈性模量3.15×1010Pa，泊松比0.3；船體為DH36 鋼結(jié)構(gòu)，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3。模擬時設(shè)置碼頭遠(yuǎn)離船體的三個側(cè)面位移為0，碼頭系纜柱與碼頭相對位置為0。坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系。

在ANSYS 模型中導(dǎo)入AQWA，基于三維勢流理論，應(yīng)用面元積分法，通過AQWA-LINE 模塊在頻域內(nèi)進(jìn)行駁船的RAO、附加質(zhì)量系數(shù)、附加阻尼系數(shù)、一階波浪力及二階波浪力的計(jì)算。船體在AQWA 軟件中的水動力模型如圖3 所示。

圖3 水動力計(jì)算模型

4 頻域水動力分析

在AQWA 軟件的水動力分析模塊AQWALINE 中對駁船進(jìn)行頻域水動力分析，并獲得其水動力參數(shù)。其在不同浪向下的六自由度幅值響應(yīng)算子RAO 如圖4 所示，由于版面限制此處只展示兩幅典型的RAO 圖。

圖4 在不同浪向下船體六自由度的幅值響應(yīng)算子

在不同浪向下，船體六自由度的一階波浪力如圖5 所示。

圖5 在不同浪向下船體一階波浪力

在不同浪向下，船體在水平面內(nèi)受到的二階波浪力如圖6 所示。

圖6 在不同浪向下船體在水平面內(nèi)受到的二階波浪力

通過頻域耦合分析可以看到：橫、縱、垂蕩及縱搖都是隨著頻率的增大，RAO 幅度減??；而橫、艏搖則是隨著頻率的增大，先增大后減小，峰值出現(xiàn)在0.45 附近；其中艏搖、橫蕩及橫搖時，RAO數(shù)值最大，造成的影響較大；垂蕩通過壓載和負(fù)載調(diào)節(jié)，而艏搖、橫搖、橫蕩通過系泊纜調(diào)節(jié)，對系泊纜張力影響最大。一、二階波浪力隨著頻率增大基本都是先增大后減小，峰值對應(yīng)的頻率各不相同，其中橫蕩及橫搖90°方向受力時波浪力最大，0°方向受力時波浪力最小。

5 時域全耦合分析

在全時域耦合模塊AWQA-DRIFT中建立浮體-系泊系統(tǒng)模型，輸入環(huán)境條件參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

碼頭靠泊時海況條件采用JONSWAP 波浪譜，JONSWAP 譜的推薦參數(shù)：ω=0.07（f ＜fp），ω=0.09 （f ＞fp），γ=3.3。其中：ω 為峰形參數(shù)；f為譜頻率；fp為譜峰頻率；γ 為譜峰提升因子，3.3為平均值。

系泊系統(tǒng)定位能力分析中，選擇工況見表5。

表5 計(jì)算海況參數(shù)

6 系泊纜張力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)ABS MODU 中第三部分第四章附錄1 中對系泊強(qiáng)度及錨進(jìn)行規(guī)范校核（見表6），在各個狀態(tài)下，系泊纜強(qiáng)度應(yīng)滿足相應(yīng)要求。

表6 系泊纜安全因子

在駁船達(dá)到平衡位置后，求解此時系泊纜索張力，對系泊纜的安全性進(jìn)行校核。根據(jù)ABS MODU 規(guī)范，系泊纜完整工況的安全系數(shù)取1.67，破損工況取1.25。

6.1 風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷為90°方向

在工況90°方向，分別對完整工況LC1 和破損工況LC3 進(jìn)行系泊系統(tǒng)安全分析，分析結(jié)果見表7、表8。由于90°方向時只有船舶一側(cè)系泊纜處于拉力增大狀態(tài)，另外一側(cè)處于松弛狀態(tài)，故只分析拉緊側(cè)的系泊纜張力情況。

表7 完整工況90°方向系泊纜最大張力

表8 破損工況90°方向系泊纜最大張力

由計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）完整工況-子工況2 下的L-6 系泊纜張力最大，最大值為633.8 kN，安全系數(shù)2.319，滿足規(guī)范要求。

（2）破損工況-子工況5 下的L-6 系泊纜張力最大，最大值為506 kN，安全系數(shù)2.312，滿足規(guī)范要求。

6.2 風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷為0°方向

在工況0°方向，對完整工況LC2 進(jìn)行系泊系統(tǒng)安全分析，分析結(jié)果見表9。在0°方向受力時，船體有向外側(cè)運(yùn)動趨勢，L-1、L-2、L-5、L-6 受到張緊力，故只分析以下四條系泊纜張力情況即可。

表9 完整工況0°方向系泊纜最大張力

由分析結(jié)果可以看出，在風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷0°方向時，完整工況-子工況9 下的L-5 系泊纜張力最大，最大值為167.6 kN，安全系數(shù)4.773，滿足規(guī)范要求。

項(xiàng)目通過三個有關(guān)規(guī)范及所提供的計(jì)算公式計(jì)算風(fēng)力系數(shù)、流力系數(shù)，針對波浪載荷的隨機(jī)性，本研究針對每種工況取10個子工況進(jìn)行數(shù)值模擬，每個工況模擬3 h 歷程，取10個子工況的平均值作為最終的模擬結(jié)果。

7 結(jié)論

通過對該系泊系統(tǒng)定位能力分析，在給定的3個工況30個子工況中，可以看出：

（1）根據(jù)頻域分析結(jié)果，可針對影響最大的因素艏搖、橫搖及橫蕩進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過擴(kuò)大L-1、L-2、L-5、L-6 系泊纜與駁船的角度，增大系泊纜橫向允許張力，并在船首增加系泊錨纜限制艏搖幅度，能有效減小艏搖、橫搖、橫蕩對系泊纜造成的張力。

（2）完整工況下，系泊纜的最大張力發(fā)生在90°浪向工況LC1-2 中，最大值為633.8 kN，安全系數(shù)為2.319，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）破損工況下，系泊纜的最大張力發(fā)生在工況LC3-5 中，最大值為506 kN，安全系數(shù)為2.312，滿足設(shè)計(jì)要求。

針對該駁船停靠碼頭平臺，在裝載工況下，系泊系統(tǒng)能夠滿足定位能力及張力設(shè)計(jì)要求，并依托分析結(jié)果形成優(yōu)化設(shè)計(jì)。