泊位长度与系缆方式对系泊船舶的影响

朱 奇,王 震,王梦琪

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

随着船舶大型化的发展以及近岸深水岸线的减少，港口建设也向深水化、离岸化发展，并多采用开敞式设计。外海开敞式码头无防波堤掩护，风、浪、流等动力要素极其复杂，对码头设计提出了更高的要求，首先便是泊位长度的确定。我国早期的开敞式码头设计规范中规定的码头长度较长，与英国规范、OCIMF指南中的规定值有一定差别。码头泊位长度的改变实质上改变了缆绳的长度与系泊角度，从而进一步影响运动量和系缆力的大小。合理的泊位长度和系缆方式可以约束船舶的运动并均衡各个系泊缆绳间的拉力，增加缆绳的安全富余，避免达到缆绳的控制强度而造成缆绳失效，对系泊船舶的安全起到重要的作用[1-2]。

对于系泊船舶的运动及系缆布置优化问题，目前学者主要采用物模试验或数值分析两种方法对实际问题进行模拟[3]。吴澎[4]通过物理模型实验和数学模型计算相结合的方法，提出了开敞式蝶形码头泊位长度和墩位平面布置确定的原则和方法；时恩哲、林在彬、耿宝磊等[5-7]通过物理模型试验对系泊船舶系缆力、运动量以及撞击力和撞击能量展开研究，对合理的泊位长度以及系缆角度进行探讨；沈文君、刘爽等[8-10]依托工程实例通过数值模拟分析计算，提出LNG码头较为适宜的泊位长度和系缆方式。

本文通过物理模型试验，以均衡各个缆绳间的拉力和减小船舶运动量为目标，以17.2万m3LNG船为研究对象，考虑不同的风、浪、流组合，主要针对泊位长度和缆绳的布置形式对系泊船舶稳定的影响展开研究，为工程设计提供参考。

1 模型试验

1.1 试验设备及测量仪器

波浪试验在波浪港池中进行，港池长50 m、宽17.5 m、高1.2 m。港池造波机由计算机控制，产生试验所要求的波浪要素。为产生所需要的水流条件，在水池两侧和后部安置大流量潜水泵。在港池内布置大型风机，可产生不同速度的风场。船舶运动量采用非接触式FL-NH型运动测量系统测量，可同时准确测量船舶六个自由度的运动量。缆绳力采用2008型护舷缆力仪进行测量。

1.2 码头布置及试验船型

码头为高桩梁板式结构，设有工作平台1个、靠船墩4个、系缆墩6个。试验采用正态模型，按重力相似设计，模型比尺为1:58。17.2万m3LNG船的主要尺度为290.00×46.95×26.25×11.70 m。船舶模型采用玻璃钢制作，满足与原型保持几何相似、重力相似、重心相似、质量惯性矩相似和自振周期相似要求。压载时，船模横摇固有周期0.96 s，纵摇固有周期1.15 s，升沉固有周期0.97 s。码头模型平面布置见图1。

图1 模型布置图Fig.1 Layout plan of model

原型码头前沿放置SUC2250H(标准型R0)橡胶护舷，护舷设计吸能为4 944 kJ，最大吸能为5 234 kJ；设计反力为5 004 kN，最大反力为5 318 kN。护舷模拟时在满足护舷位置和受力点位置几何相似外，还考虑其弹性相似。原型缆绳采用Φ=44 mm的HMPE缆绳，缆绳破断力为1 370 kN。缆绳模拟时除满足带缆点位置、缆绳长度和角度几何相似外，还满足缆绳弹性相似，试验中将同一位置的双缆或多缆归并为1根缆绳。图2所示为4:2:2:2系缆布置形式下模拟出的艏、艉缆受力-变形曲线，由图2可见模拟效果较好。

图2 艏、艉缆受力-变形曲线Fig.2 Stress-deformation curve′s simulation of head line and stern line

1.3 试验条件

风速20 m/s，离岸横风90°。

已有研究成果[11]表明，横向浪对船舶的作用强烈，因此本文主要考虑横浪作用。波高H4%=1.5 m，周期T为9 s，试验采用不规则波，以JONSWAP谱进行模拟。

潮流最大流速为0.37 m/s，船艏开流，与船舶纵轴线夹角20°。

1.4 试验内容

试验设置三种不同的泊位长度370 m、390 m、410 m，采用缆绳数量比4∶2∶2∶2的对称带缆方式。在上述试验基础上，又针对不同系缆方式进行比较计算，采用了缆绳数量比4∶4∶2的对称布置方式，即将艏(艉)横缆合并布置，艏艉缆及倒缆不变。本文分别开展17.2万m3LNG船在横浪作用和风浪流共同作用下的试验，分析两种情况下不同泊位长度和系缆方式的运动量和系缆力变化规律。

2 试验结果与分析

2.1 泊位长度的影响

船载重量越小，船的运动量会越大，因此选用了压载工况下船的运动量作为比较，采用缆绳数量比4∶2∶2∶2的系缆形式。码头泊位长度不同造成艏艉缆及艏艉横缆系缆点位置的变化，改变了缆绳的长度与系缆角度，从而进一步影响运动量和系缆力大小，不同泊位长度下船舶各位置缆绳与码头轴线的夹角α参见表1。

表1 不同泊位长度下缆绳与码头轴线夹角Tab.1 Angle between cable and wharf axis under different berth length

横浪作用以及风浪流共同作用下船舶的运动量如表2所示。试验结果表明，当泊位长度增加后，横向运动受到的影响较为显著，横浪作用下横移、横摇和回转运动量最大增幅分别达到27.7%，26.4%和30%，风浪流共同作用下横移、横摇和回转运动量最大增幅分别达到31%，26.1%和38.9%，而船舶纵移、升沉和纵摇变化不大。随着泊位长度的增加，艏艉缆和横缆与码头轴线的夹角逐步变大，其在横向上回复刚度有变小的趋势，对船舶横向运动的约束作用明显减小，导致横向运动逐步变大，而艏艉缆和横缆在纵向上的受力逐渐增大，约束增强，由于主要受横向风浪作用，纵向力较小，纵向运动量变化表现不明显。

表2 不同泊位长度下运动量Tab.2 Motion under different berth length

考虑到模型布置的问题，试验中将同一位置的缆绳合成一根缆绳模拟，在进行系缆力分析时，单根缆绳按平均受力分析。不同泊位长度下，横浪作用及风浪流共同作用下系泊船舶单根缆绳的受力分布见表3。由表可见，系泊船舶各位置缆绳中横缆受力最大，艏艉缆与倒缆受力小。当泊位长度增大时，横缆力随之增大，而艏艉缆及倒缆力有所减小，这是由于泊位长度增大后，艏艉缆及横缆与码头轴线的夹角增大，船舶纵向约束加强，但却减弱了对横向的束缚，横缆承受更大的横向力，而在短泊位时，艏艉缆与码头轴线的夹角增大，艏艉缆帮助横缆分担了一定的横向力，因此当泊位长度减小时单根缆绳的最大受力也会随之减小。在添加了风和流的作用后，系泊船舶各位置系缆力大于纯浪作用，尤其是横缆缆力增大显著，并且由于水流方向来自船艏方向，船体前后受力不均匀，艏缆缆力要略大于艉缆缆力。

表3 不同泊位长度下系缆力分布Tab.3 Mooring force distribution under different berth length

图3 不同泊位长度下系缆力分布系数Fig.3 Mooring force distribution coefficient under different berth length

不同的泊位长度对船舶各位置的系缆力分布也有着明显的影响，因此对各缆绳所受缆力的不均匀性进行分析。为了便于描述各缆绳间受力均匀程度，将同一系泊条件下船舶各位置缆绳的缆力值除以所有缆绳中受力最小的缆力值，所得定义为系缆力分布系数γ。求得各条件下系缆力的分布系数，结果见图3。随着泊位长度的增加，系缆力分布系数的最大值在变大。在纯浪作用下，370 m泊位长度时γ最大值2.26，方差为0.24；390 m泊位长度时γ最大值3.09，方差为0.65；410 m泊位长度时γ最大值3.88，方差为1.37。可见，在短泊位时，艏艉缆更多参与分担横向作用力，减小了横缆的受力，使得系缆力分布系数的方差最小，整体的受力更为均匀。在横浪，开风，船艏开流的情况下，三种泊位长度下的系缆力分布系数γ最大值分别是2.45、3.66和4.16，γ的方差分别为0.29、0.93和1.45，在风浪流共同作用时γ的取值以及方差均要大于纯浪作用。泊位长度370 m时，系缆力分布系数的方差最小，缆绳的受力分布更为均匀。在添加了横风和开流荷载后，横缆和倒缆承担了更多的作用力，缆绳受力分布更加不均匀。

2.2 系缆方式的影响

在上述4∶2∶2∶2系缆形式的基础上，又针对不同的带缆方式进行比较计算，缆绳采用4∶4∶2布置方式。第一种改动方式442A是将艏横缆2的两根缆绳合并到艏横缆1处，其余缆绳保持不变，布置如图4所示。第二种改动方式442B是将艏横缆1的两根缆绳合并到艏横缆2处，其余缆绳保持不变，布置如图5所示。在不同系缆方式下模拟系泊船舶受风浪流作用，运动量和系缆力结果见表4～表5。

图4 442A系缆方式Fig.4442Amooringmode图5 442B系缆方式Fig.5442Bmooringmode

表4 不同系缆方式下运动量Tab.4 Motion under different mooring method

表5 不同系缆方式下系缆力分布Tab.5 Mooring force under different mooring method

表6 不同系缆方式下系缆力分布系数Tab.6 Mooring force distribution coefficient under different mooring method

从表6可以看出，三种系缆方式下运动量差别主要体现在横移和回转上，4222系缆方式的横移和回转最大分别为2.07 m和0.50°，而442系缆方式横移和回转最大为2.18 m和0.63°，并且4222系缆方式的其他各运动分量均要小于442系缆方式，可见442系缆布置方式对船舶的束缚有所减弱。由于束缚减弱运动量增加，所以442方式下缆绳的整体受力有所增大。在泊位长度370 m时，4222系缆方式下艏横缆2受力最大，缆力716 kN，而在相同工况下442A系缆方式缆力最大为688 kN，442B系缆方式缆力最大为712 kN；在泊位长度410 m时，4222系缆方式下艏横缆2受力最大，缆力874 kN，而在相同工况下442A系缆方式缆力最大为796 kN，442B系缆方式缆力最大为865 kN。4222系缆方式下单根缆绳缆力最大值均出现在较短的艏横缆2上，同样由于442B系缆方式下艏横缆较短，其缆力值大于442A系缆方式。从系缆力分布系数来看，在370 m泊位长度时，三种系缆方式γ值和方差几无差别，受力均匀性接近，而在390 m泊位长度时，4 222系缆方式γ的方差为1.45，442A系缆方式γ的方差为0.92，442B系缆方式γ的方差为1.24，显然442A系缆方式缆绳受力最为均匀。可见，在泊位长度较长时，为均匀缆绳的受力，建议采用442系缆方式，避免横缆长度不一，较短的横缆承担较大的作用力。

3 结论

(1)对于17.2万m3LNG船，泊位长度对船舶运动量的横移和横摇值影响较大，370 m长时的值较小，当码头泊位长度减小时，缆绳间缆力的不均匀系数会减小。可见，合理缩短泊位长度有利于限制横向运动量，对缆力数值以及缆力间的均匀性有一定的改善，从而提高船舶的系泊安全。

(2)相比于单纯横浪作用，在添加了横风和开流作用后，横缆和倒缆承担了更多的作用力，缆绳受力分布更加不均匀。

(3)在横风横浪船艏开流情况下，短泊位时横缆分开布置对船舶运动有较好的约束，能减小艏艉缆及倒缆的受力，而在泊位较长时，横缆应集中布置，避免横缆长度不一，较短的横缆承担较大的作用力。

(4)由于模型试验布置的问题，试验中将同一位置的缆绳合成一根缆绳模拟，这与实际情况并不相符合，在进行系缆力分析时，单根缆绳按平均受力分析，并未考虑每根缆绳的不均匀系数，导致了单根缆绳的平均受力可能小于其实际受力。在以后的工作中将利用数学模型对此问题进行深入研究，获得更为准确的结论。