駱寒冰 劉玉廷 謝 芃 白曉東

（1.天津大學(xué)船舶與海洋工程系 天津 300072； 2.天津大學(xué)港口與海洋工程天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072）

近年來，隨著我國深海大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋平臺(tái)組塊吊裝施工項(xiàng)目越來越多。東海海洋環(huán)境極為復(fù)雜，海浪通常都以風(fēng)浪和涌浪共存的混合波浪形式存在。風(fēng)浪由當(dāng)?shù)睾Ｓ蝻L(fēng)產(chǎn)生，主要特點(diǎn)是周期比較小；涌浪是由風(fēng)減小或轉(zhuǎn)向?qū)е禄蚴菑钠渌Ｓ騻鱽淼牟ɡ耍渲芷谳^大。復(fù)雜的涌浪環(huán)境嚴(yán)重影響了組塊的吊裝施工安全和效率，因此，開展東海復(fù)雜涌浪海況下起重船吊裝組塊耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究工作具有重大意義。

對(duì)于東海的復(fù)雜涌浪環(huán)境，國內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行一些研究，如輝固環(huán)球海洋科學(xué)與環(huán)境有限公司[1]對(duì)東海海域春曉油田、平湖油田及孔雀亭油田的氣象數(shù)據(jù)的規(guī)律性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)東海海域的波浪中同時(shí)存在短周期風(fēng)浪和長周期涌浪；朱紹華等[2]基于低頻分譜和高頻分譜疊加的思想，提出了一種混合海浪譜的表達(dá)式。

起重船吊裝作業(yè)涉及系泊系統(tǒng)、起重船、吊纜、上部組塊等，屬于復(fù)雜的耦合系統(tǒng)問題。國內(nèi)外對(duì)于系泊起重船在吊裝作業(yè)過程中耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究不多，而采用模型試驗(yàn)手段進(jìn)行的研究更是寥寥無幾。Li等[3]利用SIMO軟件對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)吊裝下放到水中的整個(gè)過程進(jìn)行了時(shí)域數(shù)值模擬。許鑫等[4]采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法研究了半潛式起重船空勾和最大起重時(shí)在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)性能。駱寒冰等[5]采用MOSES軟件對(duì)頂浪規(guī)則波下“藍(lán)鯨”號(hào)起重船-組塊的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。Zhu等[6]通過模型實(shí)驗(yàn)，研究了規(guī)則波及不規(guī)則波中“藍(lán)鯨”號(hào)起重船及吊裝組塊耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)機(jī)理。任會(huì)禮等[7]通過數(shù)值模擬研究了吊索速度及激勵(lì)頻率等對(duì)吊物動(dòng)力響應(yīng)的影響。黃宣軍等[8]研究了吊裝和未吊裝狀態(tài)下起重船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。Ha等[9]研究了起重船在吊裝FLNG上部組塊時(shí)，吊索的受力和起重船的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)比了主動(dòng)和被動(dòng)垂蕩運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的影響[10]。綜上所述，目前關(guān)于模擬涌浪環(huán)境下起重船吊裝組塊響應(yīng)的模型試驗(yàn)研究尚鮮有報(bào)道。

本文在研究東海復(fù)雜涌浪環(huán)境資料的基礎(chǔ)上，采用雙峰譜不規(guī)則波模擬涌浪，針對(duì)“藍(lán)鯨”號(hào)起重船對(duì)3 000 t組塊進(jìn)行首吊作業(yè)工況，在天津大學(xué)港口工程水池開展了模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)討論了不同吊高下單峰譜和雙峰譜不規(guī)則波模擬涌浪環(huán)境中起重船和上部組塊的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，分析了雙峰譜中涌浪成分對(duì)船舶及吊裝組塊的運(yùn)動(dòng)影響，以期為涌浪環(huán)境下大型起重船吊裝組塊施工作業(yè)提供參考。

1 模型試驗(yàn)布置及參數(shù)選取

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

“藍(lán)鯨”號(hào)起重船隸屬海洋石油工程股份有限公司，最大起吊能力為尾吊7 500 t，全回轉(zhuǎn)4 000 t，最常見的起吊方式為首吊。起重船的系泊系統(tǒng)包括8根鋼纜，船舶首尾左右舷各布置2根（圖1）。

圖1 “藍(lán)鯨”號(hào)起重船系泊布置Fig.1 Mooring line arrangement of“Lanjing”crane vessel

起重船吊裝組塊試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄏ挡聪到y(tǒng)-“藍(lán)鯨”號(hào)起重船-吊纜-吊物（上部組塊）組成的整個(gè)耦合系統(tǒng)。模型試驗(yàn)所用試驗(yàn)水池尺寸為55 m×40 m×1.8 m（長×寬×深）。模型縮尺比1∶60，試驗(yàn)水深1.33 m，模擬施工作業(yè)海域水深80 m。船舶模型采用玻璃鋼材加工制作，上部組塊采用PVC板焊接制作。模型吊機(jī)系統(tǒng)可通過改變吊桿角度和吊纜長度調(diào)整吊物的高度。為了覆蓋整個(gè)吊裝作業(yè)過程中組塊的最高和最低高度，試驗(yàn)選取了2個(gè)吊高（組塊重心高度）：48 m和25 m，實(shí)船及模型主要參數(shù)見表1。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測試采用加拿大NDI Optotrak Certus三維動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，精度為0.3 mm。系泊拉力采用威思特公司的VS16微小型拉力傳感器，量程為2 kg，精度為2 g。模型試驗(yàn)測試了船舶和組塊的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)、波浪波高、錨纜系泊力等參數(shù)，采樣頻率為50 Hz。模型水池試驗(yàn)布置情況如圖2所示。

表1 “藍(lán)鯨”號(hào)起重船吊裝組塊主要參數(shù)Table1 Main parameters of the“Lanjing”crane vessel lifting topside

圖2 模型水池試驗(yàn)布置情況Fig.2 Pool test arrangement of the model

1.2 耦合系統(tǒng)靜水特性

對(duì)模型系泊系統(tǒng)進(jìn)行了總體剛度曲線測試，得到的縱向位移剛度曲線結(jié)果如圖3所示，所有數(shù)值都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為實(shí)船尺度。

圖3 “藍(lán)鯨”號(hào)起重船系泊系統(tǒng)剛度曲線Fig.3 Stiffness curve of the“Lanjing”crane vessel mooring system

通過靜水自由衰減試驗(yàn)得到船舶各方向運(yùn)動(dòng)的固有周期參數(shù)（表2）。此外，為了研究上部組塊的運(yùn)動(dòng)特性，還進(jìn)行了上部組塊的自由衰減運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，得到其縱蕩運(yùn)動(dòng)的固有周期：吊高48 m時(shí)為17.4 s，吊高25 m時(shí)為19.8 s。

表2 “藍(lán)鯨”號(hào)起重船固有周期Table2 Natural periods of the“Lanjing”crane vessel

1.3 東海涌浪環(huán)境參數(shù)

基于輝固環(huán)球海洋科學(xué)與環(huán)境有限公司[1]提供的東海相關(guān)海域涌浪數(shù)據(jù)資料，選擇模型試驗(yàn)的涌浪參數(shù)。該波浪數(shù)據(jù)采用SWAN模型，通過數(shù)值模擬得到，包括全年各月的波高和周期等統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中，SWAN模型是由荷蘭代爾夫特大學(xué)土木工程系開發(fā)、維護(hù)的。徐福敏等[11]利用SWAN模型模擬分析了東海長江口海域臺(tái)風(fēng)浪分布情況，并與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了采用SWAN模型模擬中國東海波浪的可行性。模擬結(jié)果顯示一年中5月份的波高統(tǒng)計(jì)結(jié)果最小，這與實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)相吻合，因此選擇5月份的波浪統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖4所示。圖中表格中間數(shù)字代表某個(gè)波高和周期組合波浪出現(xiàn)的概率百分?jǐn)?shù)?？v坐標(biāo)中“Total”表示某個(gè)周期下所有波高波浪出現(xiàn)的概率，橫坐標(biāo)中“Total”表示某波高下所有周期波浪出現(xiàn)的概率，“Exceed”表示不小于該波高的所有周期波浪出現(xiàn)的概率?？梢钥闯觯?月份波高不大，超過1.5 m波高的概率為10.68%，不過有超過12 s長周期波浪出現(xiàn)。

單峰譜不規(guī)則波采用JONSWAP譜[12]，如式（1）所示：

圖4 東海某施工點(diǎn)5月份波浪波高周期分布Fig.4 Distribution of wave height and period in the East China Sea in May

式（1）中：S（ω）為波浪的能量，m2·s；β=0.391 95×（1.094-0.019 15lnγ）／[0.230+0.0336γ-0.185×（1.9+γ）-1]；γ為譜峰因子，取3.3；ωp為譜峰頻率，rad／s；ω為波浪圓頻率，rad／s；H為1／3的有義波高，m；σ為峰形參數(shù)，當(dāng)ω≤ωp時(shí)，σ=0.07；ω＞ωp時(shí)，σ=0.09。

雙峰譜不規(guī)則波采用2個(gè)JONSWAP譜疊加的形式進(jìn)行模擬，即

式（3）、（4）中：ωp1、ωp2分別為2個(gè)波浪成分的譜峰頻率，rad／s；H1、H2分別為2個(gè)波浪成分的有義波高，m。

根據(jù)上述5月份數(shù)據(jù)，結(jié)合東海工程施工經(jīng)驗(yàn)，分別選取單峰譜不規(guī)則波和雙峰譜不規(guī)則波來模擬東海涌浪海洋環(huán)境。單峰譜不規(guī)則波譜峰周期選取8、11 s，有義波高為1.5 m。雙峰不規(guī)則波譜在單峰波周期基礎(chǔ)上再增加16 s譜峰周期的長峰波作為涌，合成有義波高為1.5 m。模型水池試驗(yàn)波浪工況見表3。

表3 模型試驗(yàn)波浪工況Table3 Wave conditions in the model tests

2 單譜峰波浪與雙譜峰涌浪下耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻譜特性分析

2.1 單峰譜波浪下耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻譜特性分析

選擇試驗(yàn)波浪工況1，頂浪、吊高48 m，對(duì)單峰譜波浪中系泊系統(tǒng)-起重船-吊纜-上部組塊組成的耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，得到了起重船縱蕩、升沉、縱搖和組塊的縱蕩、升沉運(yùn)動(dòng)譜分析結(jié)果（圖5），及各自由度運(yùn)動(dòng)的譜峰頻率（表4）。

分析圖5，可以看出：

1）起重船縱蕩運(yùn)動(dòng)的主要能量集中在頻率0～0.1 rad／s，這表明縱蕩運(yùn)動(dòng)主要是由系泊起重船二階慢漂力引起的低頻運(yùn)動(dòng)，高頻運(yùn)動(dòng)成分很少；

圖5 單峰波浪下“藍(lán)鯨”號(hào)起重船和上部組塊運(yùn)動(dòng)譜分析結(jié)果Fig.5 Motion responses spectrum analysis of“Lanjing”crane vessel and topside in single peak wave

表4 單峰譜波浪作用下“藍(lán)鯨”號(hào)起重船和上部組塊運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜譜峰頻率Table4 Peak frequency of“Lanjing”crane vessel and topside response spectrum in single peak waves

2）上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)的主要能量集中在頻率0～0.1 rad／s，與起重船縱蕩運(yùn)動(dòng)相同，但還包含很小部分頻率在0.3～0.4 rad／s的成分，上部組塊的縱蕩固有頻率在該區(qū)間內(nèi)，此外還有很小部分處于0.5～0.8 rad／s的波浪頻率范圍，表明上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)主要是由低頻運(yùn)動(dòng)以及小部分固有頻率和波浪頻率的高頻運(yùn)動(dòng)組成的；

3）起重船的升沉、縱搖以及上部組塊升沉運(yùn)動(dòng)的能量譜分布形式相似，主要能量分布在頻率0.5～0.8 rad／s，這3個(gè)運(yùn)動(dòng)主要是由波浪引起的高頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

2.2 雙峰譜涌浪下耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻譜特性分析

選擇試驗(yàn)波浪工況3，頂浪、吊高48 m，對(duì)雙峰譜涌浪中系泊系統(tǒng)-起重船-吊纜-上部組塊耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。圖6為雙峰譜涌浪的時(shí)域曲線及其譜分析結(jié)果，其中右邊大峰部分為譜峰周期8 s的風(fēng)浪，左邊小峰部分為譜峰周期16 s長周期的涌，涌所占的能量小于風(fēng)浪的能量。圖7為船舶和組塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)域曲線及其譜分析結(jié)果。表5給出了各自由度運(yùn)動(dòng)的譜峰頻率。

分析圖6、7，可以看出：

圖6 雙峰譜不規(guī)則波時(shí)域曲線及其譜分析結(jié)果Fig.6 Time-displacement and spectrum analysis of double peak spectrum waves

圖7 雙峰譜涌浪下“藍(lán)鯨”號(hào)起重船和上部組塊運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線及其譜分析結(jié)果Fig.7 Motion responses time-displacement and spectrum analysis of“Lanjing”crane vessel and topside in double peak waves

表5 雙峰譜涌浪工況下耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜譜峰頻率Table5 Peak frequency of the coupling system response spectrum in double peak waves

1）起重船縱蕩運(yùn)動(dòng)的能量主要集中在0～0.1 rad／s及0.3～0.4 rad／s這2個(gè)頻率區(qū)間，低頻部分是由系泊起重船的二階慢漂運(yùn)動(dòng)引起的，高頻部分主要是由雙峰譜中長周期涌導(dǎo)致船舶運(yùn)動(dòng)引起的，低頻、高頻兩部分能量相當(dāng)。而圖5中單峰譜波浪下船舶縱蕩運(yùn)動(dòng)，主要是低頻成分的，高頻成分很少。相對(duì)比，雙峰譜情況下，高頻部分能量增加明顯；

2）上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)的主要能量集中在頻率0.3～0.4 rad／s，譜能量的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于其他運(yùn)動(dòng)以及單峰譜中的船舶及上部組塊運(yùn)動(dòng)的，與圖5中單峰譜波浪下上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)相對(duì)比，0～0.1 rad／s的低頻部分所占的比例少多了。分析其原因，主要是雙峰譜中長周期涌的譜峰周期16 s接近上部組塊自振周期17.4 s，上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)增大，導(dǎo)致高頻譜能量增加；

3）起重船的升沉、縱搖以及上部組塊升沉運(yùn)動(dòng)的能量譜形式分布相似，主要能量分布在0.3～0.4 rad／s頻率區(qū)間，是由長周期涌所引起的運(yùn)動(dòng)。有小部分能量分布在0.7～0.8 rad／s頻率區(qū)間，是由短周期風(fēng)浪所引起的運(yùn)動(dòng)。可見，盡管在雙峰譜涌浪中長周期涌的能量成分相對(duì)于短周期風(fēng)浪的能量來說很小，但是起重船的升沉、縱搖以及上部組塊升沉運(yùn)動(dòng)主要是由長周期涌浪成分引起，而不是短周期風(fēng)浪所引起。

3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)上述單峰波浪和雙峰譜涌浪下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，組塊有2個(gè)吊高，共有8個(gè)試驗(yàn)工況?？紤]到浪向?yàn)轫斃耍?中給出了縱向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的有義值（峰峰值），包括起重船的縱蕩、升沉、縱搖和上部組塊的縱蕩、升沉運(yùn)動(dòng)。

起重船吊裝施工作業(yè)時(shí)，最關(guān)心的是上部組塊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況。從表6中可以看出：①隨著風(fēng)浪周期增大，即從8 s到11 s，不管是單峰譜還是雙峰譜波浪工況，上部組塊運(yùn)動(dòng)都呈現(xiàn)增大的趨勢；②隨著吊高（組塊重心距離水面高度）增高，即從25 m提升到48 m，縱蕩自振周期從19.8 s減小到17.4 s，上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)增大的趨勢。主要原因是吊高增高，上部組塊自振周期減小，波浪譜峰周期更接近自振周期，從而使上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)變大；③當(dāng)考慮涌影響，即采用雙峰譜涌浪時(shí)候，上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)明顯比單峰譜波浪時(shí)候的要大。例如，工況1、2中吊高為25、48 m時(shí)，上部組塊縱蕩僅為0.57、0.58 m；而考慮涌影響，工況5、6中吊高為25、48 m，上部組塊縱蕩增大到4.38、9.96 m，增幅分別為668%、1 617%；④根據(jù)Nobel Denton指導(dǎo)性手冊(cè)[13]所推薦的上部組塊吊裝安全施工的衡準(zhǔn)要求，即水平運(yùn)動(dòng)不超過±1.5 m，垂向運(yùn)動(dòng)不超過±0.75 m時(shí)可進(jìn)行作業(yè)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，工況1、2具備安全作業(yè)條件，而當(dāng)風(fēng)浪周期增大到11 s，或者存在長周期涌浪情況下，即使有義波高1.5 m不變，也不建議吊裝施工作業(yè)。

表6 單譜峰波浪和雙譜峰涌浪工況下耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table6 Statistical results of coupling system motions responses in single peak waves and double peak

4 結(jié)論及建議

針對(duì)東海涌浪環(huán)境下系泊系統(tǒng)-“藍(lán)鯨”號(hào)起重船-吊纜-上部組塊組成的耦合系統(tǒng)，開展了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型試驗(yàn)研究，分析了涌浪對(duì)起重船吊裝組塊作業(yè)的影響，揭示了耦合響應(yīng)機(jī)理，可以得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于起重船的縱蕩運(yùn)動(dòng)，單峰譜時(shí)二階波浪力引起的低頻運(yùn)動(dòng)為主要成分，雙峰譜時(shí)長周期涌高頻運(yùn)動(dòng)成分明顯增加，與低頻運(yùn)動(dòng)成分相當(dāng)；對(duì)于上部組塊的縱蕩運(yùn)動(dòng)，單峰譜時(shí)二階波浪力引起的低頻運(yùn)動(dòng)為主要成分，雙峰譜時(shí)長周期涌頻率的高頻運(yùn)動(dòng)為主要成分，而低頻運(yùn)動(dòng)成分很少；對(duì)于起重船的升沉、縱搖以及上部組塊的升沉運(yùn)動(dòng)，單峰譜時(shí)主要為波浪高頻率運(yùn)動(dòng)成分，雙峰譜時(shí)主要為長周期涌高頻率運(yùn)動(dòng)成分，而短周期波浪高頻率運(yùn)動(dòng)成分很少。

2）涌的長周期容易接近上部組塊的縱蕩自振周期，會(huì)引起上部組塊的縱蕩共振，導(dǎo)致上部組塊縱蕩運(yùn)動(dòng)劇烈，即使在雙峰譜波浪中的長周期涌浪能量占的比例很小，上部組塊運(yùn)動(dòng)也會(huì)顯著增大，不能滿足安全作業(yè)要求。因此，在現(xiàn)場吊裝大型組塊時(shí)建議實(shí)時(shí)監(jiān)測海浪狀況，注意波浪中長周期涌成分及其對(duì)上部組塊運(yùn)動(dòng)的影響。