海洋工程结构物风载荷计算方法比较＊

岳晓瑞 徐海祥 罗 薇 詹成胜

（武汉理工大学交通学院 武汉 430063）

0 引 言

随着陆地资源的日益枯竭，人类对海洋资源的开采活动进入了一个新的阶段，在这一阶段里海洋工程结构物种类繁多.如何保证海洋工程结构物在恶劣的海洋环境中安全作业成为首要问题，海洋工程结构物在作业期间除了受自身的工作载荷外还受到环境载荷的影响.风载荷是海洋结构物所受的一种主要环境载荷，如何提高海洋工程结构物风载荷的计算精度，为设计海洋工程结构物提供可靠的载荷信息十分重要.

由于海洋工程结构物具有种类多、上层建筑结构复杂、高度不同等特点，对获得准确的风载荷带来了很大困难.风洞试验是目前获得风载荷最为可靠的方法，但风洞试验具有试验成本高、试验周期长等缺点，设计时对每一个海洋工程结构物进行风洞试验是不切合实际的.针对上述问题，国内外学者提出了多种风载荷计算方法.在国外，Isherwood公式计算风压系数精度较高，被普遍采用［1］；Could提出了船舶上层建筑风压力系数和风压力矩的估算方法，该方法考虑了相对风速［2］；Blendermann搜集了大量关于风载荷的数据，并在此基础上提出了横向、纵向以及首摇的风载荷系数计算公式［3－4］.另外，Blendermann还通过实验数据得出了在不均匀风速下风载荷的计算方法［5］；OCIMF提出了超大型船舶风载荷的计算方法，例如计算VLCC所受的风载荷［6］；Haddara运用神经网络技术提出了一套计算海洋工程结构物风载荷系数的方法［7］；模块法（Building Block Method）也是计算海洋工程结构物所受风载荷的方法之一［8］，模块法是将整个水线以上结构离散成不同的标准构件模块，叠加各组成构件的风载荷获得结构物所受的总风载荷.在国内，汤忠谷［9］对15艘长江和近海商船的船模进行了风洞试验，给出了风压合力系数、风压合力角及风压力作用点位置的回归公式；洪碧光［10］通过对50条船模风压系数的风洞试验数据进行回归分析，得出了一种由船型参数来估算风压系数的回归公式.

为方便海洋工程结构物设计者选择合适的风载荷计算方法，本文以一艘大型油船为例，分别采用目前常用的几种风载荷计算方法对其所受的风载荷进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较分析.

1 风载荷计算方法

目前常用的风载荷计算方法主要包括：

1）Blendermann方法 Blendermann通过风洞试验搜集了大量的关于风载荷的数据，并在此基础上得出了横向和纵向风载荷系数计算公式.

式中：Cx，Cy分别为纵向、横向风载荷系数；Cd1，Cdq，δ为与船舶类型有关的参数；θ为风向角；AL，AF分别为正纵、正横时的受风面积；SL为受风面积的形心距船中的距离.

2）Isherwood公式 Isherwood根据各类商船有关压力的大量船模风洞试验结果，按商船上层建筑各特征参数进行回归分析，得出了计算风压力系数和风压力矩系数的回归公式，即Isherwood公式：

式中：Cx（θ），Cy（θ）分别为风向角θ时纵向、横向风载荷系数；As为船舶水线以上的侧投影面积；Af为船舶水线以上的正投影面积；Ass为船舶上层建筑的侧投影面积；Loa为船舶总长；B为船宽；c为船舶水线以上部分侧投影面积的周长（除去桅杆和通风筒等细长物体以及水线长度）；d为船舶水线以上部分侧投影面积形心到船首的距离；m为船舶侧投影面积中桅杆或中线面支柱的数目；a0，…，a6；b0，…，b6的值参见文献［1］.

3）Haddara方法 Haddara采用神经网络技术对所搜集的关于船舶所受风载荷实验数据进行了回归分析，得出以下公式：

式中：Ck为风载荷系数，k为横向或纵向；AL，AF分别为正纵、正横时的受风面积；Loa为船舶总长；B为船宽；SL为受风面积的形心距船中的距离；δ为风向角；γki，ζkij为权重值.

4）模块法（building block method） 模块法是计算海洋工程结构物所受风载荷常用的方法之一，也是ABS和DNV建议的方法.模块法是将整个水线以上结构离散成不同的标准构件模块，叠加各组成构件的风载荷获得结构物所受的总风载荷.因此在使用模块法计算之前要求已知各组成构件的载荷特性，其准确性依赖于对构件载荷特性、构件之间影响特性以及模块的划分.其算法如下.

由于风在垂直方向是有梯度的，那么海平面高度Z处的风速为

式中：Zr为参考高度，一般取10m；vZr为参考高度的风速；p为指数，一般取0.1～0.15之间.

构件风载荷计算时采取平均风速

式中：A为受风面积；v（y，z）为构件受风面上点（y，z）处的风速.

第i个模块所受风载荷

式中：vie为第i个模块的平均风速；ρ为空气密度；Csi，Chi分别为第i个模块的形状系数和高度系数；Ai为第i个模块在正横或正纵方向上的投影面积.

受风构件的总风载荷Fwind为

式中：Ne为划分模块的数量.

风载荷系数表达为

式中：Cx，Cy分别为纵向和横向的风载荷系数；Fx，Fy分别为纵向和横向的合力；ρ为空气密度；vr为参考风速；Ar为参考面积.

5）OCIMF方法 OCIMF提供了超大型船舶计算风载荷的方法并给出了不同球鼻艏和不同载况下的风载荷系数，具体见文献［6］.

2 实例计算及比较分析

为方便海洋工程结构物设计者选择合适的风载荷计算方法，本文以一艘大型油船为例，分别采用上述风载荷计算方法对其所受的风载荷进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较分析.该大型油船的主要参数为：总长351.4m，船宽55.4m，设计吃水23.5m，横向受风面积为1 131.79m2，纵向受风面积3 401.47m2.

为方便风载荷的计算，建立图1所示的坐标系.

图1 坐标系

图2和图3分别为采用上述几种方法计算该大型油船所受风载荷系数与实验结果在x方向和y方向的比较.

图2 几种方法计算大型油船所受x方向上的风载荷系数与实验结果的比较

图3 几种方法计算大型油船所受y方向上的风载荷系数与实验结果的比较

从图2可以看出，随着风向角的增大，x方向上的风载荷系数变化趋势为先由大逐渐减小，在90°附件时为零，后由小逐渐增大.通过图2的比较可以看出，当风向角较小时，几种方法的计算结果与实验结果吻合较好，随着风向角的增大，与实验结果相比，Isherwood方法和模块法的计算结果相对偏大，OCIMF方法的计算结果相对偏小，而Haddara方法的计算结果当风向角在90°以内时相对偏小，在90°以外时相对偏大.同时可以看出，在风向角的整个变化范围内，Blendermann方法的计算结果均与实验结果吻合较好.

从图3可以看出，随着风向角的增大，y方向上的风载荷系数变化趋势为先由小逐渐增大，在90°附近时达到最大，后由大逐渐减小.通过图3可以看出，与实验结果相比，几种计算方法中除了Haddara方法的结果在风向角较小时出现异常外，其它方法的曲线变化趋势与实验吻合较好.

3 结 论

风载荷是海洋结构物所受的主要环境载荷之一.为保证海洋结构物作业安全，设计时选择一种合适的风载荷计算方法，为其提供可靠的设计风载荷信息十分重要.本文首先对目前常用的几种风载荷计算方法进行了介绍，然后以一艘大型油船为例对其所受的风载荷进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较.比较分析表明，Blendermann方法的计算结果与实验结果吻合较好.

［1］Isherwood R M.Wind resistance of merchant ship［J］.Trans.of RINA，1973（115）：132－138.

［2］Gould R.The estimation of wind loads on ship superstructures［J］.The Royal Institution of Naval Architects，1982（8）：34－40.

［3］Blendermann W.Wind loads on moored and manoeuvring vessels［J］.OMAE，Offshore Technology，1993（1）：183－189.

［4］Blendermann W.Parameter identification of wind loads on ships＇［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 51，1994（2）：339－351.

［5］Blendermann W.Estimation of wind loads on ships in wind with a strong gradient，offshore technology［J］.1995（1－A）：271－277.

［6］OCIMF，Prediction of wind and current loads on VLCCs［M］.2nd ed.Oil Companies International Marine Forum，1994.

［7］Haddara M R.Wind loads on marine structures［J］.Marine Structures，1999（12）：199－209.

［8］陈 恒.深海半潜式平台动力定位推力系统设计研究［D］.上海：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，2008.

［9］汤忠谷.水面船舶的空气动力［J］.武汉水运工程学院学报，1982（4）：79－89.

［10］洪碧光.船舶风压系数计算方法［J］.大连海运学院学报，1991，17（2）：113－121.