外海固定式泊位船舶系缆力评估方法论述

吴林键，吴丙贵，舒丹，刘冰冰，李怡

（1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学河海学院，重庆400074；3.中铁建港航局集团勘察设计院有限公司，广州510115）

外海固定式泊位船舶系缆力评估方法论述

吴林键1，2，吴丙贵3，舒丹1，2，刘冰冰1，2，李怡2

（1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学河海学院，重庆400074；3.中铁建港航局集团勘察设计院有限公司，广州510115）

摘要：鉴于船舶系泊安全问题在港口码头设计中具有十分重要的意义，文章总结了国内外部分学者对外海固定式泊位大型船舶系泊安全问题的研究成果，综合论述了在外海波浪单独作用，波浪和水流共同作用，风和水流共同作用以及风、浪、流综合作用的自然条件下，各大型船舶系缆力的理论分析、模型试验、数值模拟评估方法。为大型外海固定式码头结构优化设计，船舶系缆设施整体布局，船舶系泊安全问题等方面提供有意义的参考。

关键词：外海；固定式泊位；大型船舶；系缆力；评估方法

外海海域自然条件恶劣，导致船舶在系、靠泊等方面存在着许多的困难［1-4］。外海固定式泊位大型船只的系泊安全一直是港口工程设计和使用过程中所密切关注的焦点。影响船舶系泊安全的因素十分复杂［5］，系泊缆绳在风荷载、水流力、波浪荷载等因素的影响下将产生系缆张力，其值大小将直接影响船舶停泊、装卸作业等各方面的安全［6-11］。根据以往的研究结果［12］，影响系缆力的因素可主要归结为三大类：船舶因素（船舶类型、载量及吨位级）、缆绳因素（缆绳长度、数量及初张力）、动力因素（风、浪、流等）。

本文基于国内外诸多学者对于系泊船舶系缆力研究情况，综合论述了在不同自然条件下外海固定式泊位各大型船舶系缆力的理论分析、模型试验、数值模拟评估方法，为大型外海开敞式码头结构优化设计，船舶系缆设施整体布局，船舶系泊安全问题等方面提供有意义的参考。

1　波浪力作用下系缆力评估

刘必劲，张亦飞等人［13］采用理论分析结合模型试验的研究方法，综合研究了在波浪荷载单独作用下，外海大型开敞式码头系泊100000t级油轮的系缆力问题，并提出在波浪力作用下，计算该船舶各缆绳系缆力的经验公式

式中：C1为综合因素影响因子；M为船舶载量，t；g为重力加速度，m/s2；H为波高，m；D为船舶吃水深度，m；C2为角度影响因子；θ为波浪入射角度，（o）；T为波浪周期，s；T0为横摇周期，s。各参数取值详见文献［13］。

同时，刘必劲［14］在其硕士论文中，单考虑在横浪作用下，缆绳长度因素对船舶系缆力值的影响，并得出了大型开敞式大吨位级船舶缆绳系缆力与各影响因素之间基本关系的经验公式

式中：C为综合因素影响因子；L0为缆绳基本长度，m；L为其他缆绳长度，m；其余各参数同公式（1），同时，可将式（2）改写成

式中：a、b、c、x均为无量纲参数。从式（3）可看出系缆力大小与缆绳的长度成反比。

式（1）～式（3）的适用性和局限性：由于上述公式是根据具体试验数据采用数学方法拟合得出，只能够适用模型试验中某特定的系缆方式，且只适用于缆绳为尼龙材料情况［15］，缺乏广泛适用性。

孟祥玮，高学平等人［16］在我国大量与船舶系缆力相关的模型试验资料及相应成果的基础上，推导得出了在波浪荷载作用下，船舶系缆力的横向力及纵向力的计算公式

式中：x，y为综合系数；H为入射波高，m；θ为波浪入射角度，（o）；L为船舶柱间长，m；B为船舶型宽，m；D为船舶吃水深度，m；ax为船舶横摇与波浪周期关系参数；ay为船舶纵摇与波浪周期关系参数；ρ为海水密度，kg/ m3；g为重力加速度，m/s2。

式（4）和式（5）的适用性和局限性：在运用公式进行计算时，应加强探索综合系数x、y与实际船舶的船型、系缆方式等之间的关系，确定合理的综合系数值。对于大型工程项目，在必要条件下需通过物模试验或原体观测的数据，修正综合系数x、y，使得计算的结果更为安全可靠。

2　波流共同作用下系缆力评估

杨国平，张志明等人［17］在对离岸深水港码头系泊船舶系缆力的研究当中，重点考虑了满载、半载和空载的船舶因素以及当波浪单独作用，水流单独作用以及波浪与水流联合作用的动力因素对船舶系缆力的影响，经推导得出了当波浪单独作用、水流单独作用及波流联合作用下船舶各缆绳系缆力计算公式，分别为

水流单独作用时

波浪单独作用、波流联合作用时

式中：FL为水流单独作用时系缆力值为首（尾）缆系缆力值为首（尾）倒缆系缆力值，kN；为首（尾）横缆系缆力值；Cr为综合系数为与Lb/L有关的系数为流向系数；γ为潮流流向与码头前沿线夹角，（o）；Cv1、Cv2为流速系数；V为流速，m/s；M为船舶载量，t；T0为船舶横摇周期，s；Cα1、Cα2为波向系数；Cβ1、Cβ2为缆绳角度系数；CH1、CH2为波高系数；CT1、CT2为波周期系数；杨国平，张志明等人［17］通过模型试验得出了上述公式中各参数的具体各参数值，详见文献［17］。通过对模型试验实测值进行相关性分析表明：在不同工况下，公式计算结果与试验实测结果的相关系数均大于0.8，表明上述公式的可靠性较高。

李焱，郑宝友等人［18］以多吨位级码头工程项目为例，分别研究了在不同水位、船舶载度、波浪、潮流以及缆绳等因素下，波浪单独作用、水流单独作用以及波流共同作用下对船舶系缆力产生的影响。研究结果表明：（1）在不规则波条件下的系缆力实测值均大于规则波，水位因素对系泊船舶的最大系缆力的影响较小；（2）顺流单独作用时，船舶吃水线以下受力面积大小是影响系缆力的主要因素，满载状态时系缆力值最大，半载状态其次，空载状态最小；当船舶船头承受顺向水流时，受力的主要缆绳为船首倒缆和船尾缆；（3）波流共同作用将对船舶的运动产生随机性影响，二者的效应可能相互叠加，也可能相互削弱，这种情况下的系缆力不能简单认为是将水流单独作用和波浪单独作用下产生的系缆力值合成；当顺流与横浪共同作用于船舶时，由于顺流对船首（尾）缆和船首（尾）倒缆的作用较为明显，而横浪对船首（尾）横缆的作用却较大。

3　风流共同作用下系缆力评估

对于风、流共同作用下船舶系缆力的算法，在我国《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）［7］中有着明确的规定。而马小剑，孙昭晨等人［19］经研究认为，当前我国对系泊船运动量及系泊缆绳张力的数值分析研究依然存在着计算模型较多的考虑波浪荷载对船舶的作用，水流力的计算模型较少，并且没有考虑缆绳的非线性变形影响等问题［20-24］。

针对以上问题，周丰，张志明等人［25］基于力学平衡理论，建立了系泊船舶在风荷载和水流力共同作用下缆绳张力和运动量的数学计算模型。采用国际海事论坛（OCIMF）［26］推荐的风荷载、水流力计算公式计算得到风、流对码头前船舶的作用力，以及考虑缆绳非线性变形的Wilson公式［27-28］并结合橡胶护舷变位与靠泊力之间的非线性关系，建立力学平衡的数学模型，最终计算得到了系泊缆绳的系缆张力大小。

马小剑等人［19］，周丰等人［25］将数学模型计算结果与向溢，杨建民等人［29］采用模型试验的实测数据进行了对比验证，如图1、图2所示。

图1　流向0o时不同流速下实测值与计算值比较Fig.1Measured and calculated values of different flow velocities when the flow direction is 0o

图2　流速为1.5 m/s时不同流向下实测值与计算值比较Fig.2Measured and calculated values of different flow directions when the flow velocity is 1.5 m/s

结果表明：数模计算值与物模实测值具有较好的一致性，从图中可以看出，水流流速的变化对缆绳系缆力的影响较为明显，而对水流流向的变化相对而言不太敏感。马小剑等人［19］，周丰等人［25］数值模拟计算结果虽然与实测值得吻合程度较高，但方程的求解过程较为复杂，在实际工程设计中并不适用，但此评估方法也可作为一种有效的参考依据，为系泊船舶的安全泊稳条件提供一定程度上的技术支持。

4　风浪流共同作用下系缆力评估

在风、浪、流共同作用下，外海固定式泊位大型船舶系泊缆绳的受力是一个十分复杂的问题，针对该问题主要是采取物模试验和数值模拟两种有效的评估方法［30-31］。根据邹志利，张日向等［36］，姚齐国，范细秋等［33］，向溢，谭家华［34-35］等学者的研究表明：外海固定式泊位系泊船舶在风、浪、流综合作用下，能够保证系缆力不超过缆绳材料自身的破坏强度是船舶安全系泊的重要因素之一。李焱，郑宝友等人［36］通过物模试验研究了大型开敞式LNG码头在风、浪、流共同作用下船舶系缆力在不同方向的响应，由于试验工况过多，表1仅列出在平均水位、船舶满载状态时的几种工况。

表1　平均水位、船舶满载时的工况组合Tab.1Case combination of average water level and ship full load condition

根据表1中的试验条件，将不同情况下船舶系缆力的实测值作对比，如图3～图6所示（图中系缆力为同一系船柱上各缆绳的最大值）。

图3　风向不同时系缆力试验结果对比Fig.3Mooring force results under different wind direction

图4　波浪要素不同时系缆力试验结果对比Fig.4Mooring force results under different wave parameters

图5　水流要素不同时系缆力试验结果对比（波向为0o）Fig.5Mooring force results under different current parameters

图6　水流要素不同时系缆力试验结果对比（波向为90o）Fig.6Mooring force results under different current parameters

从图3～图6中可以看出，在各种不同的工况下，各个缆绳的受力状态存在着差别，受力变化趋势呈现“双峰”状，其中2、3、5、6、7号系船柱受力较大，表明首（尾）横缆和尾倒缆为主要受力缆绳。

从图3中可得，风向为225°（工况4）、270°（工况2）时的缆绳系缆力值较风向为90°（工况1）和135°（工况3）的情况大，这是由于工况2、工况4中，船舶迎风面积较大，从而使得系缆力增加。而工况1、3中，缆绳系缆力不但不会增加，反而会与波向为90°时波浪作用产生的系缆力相互抵消；从图4中可看出，波向为90°（工况2）时的系缆力大于波向为0°（工况7）的情况，这与实际相吻合；由图5中可知，波向为0°时，缆绳系缆力值在水流流向为0°（工况5）时较水流流向为180°（工况7）时要小；图6中，当波浪方向为90°，水流流向为180°时缆绳系缆力大于水流流向为195°时的情况（工况1与8、2与9、4与10相对应）。

图7　船舶满载、压载状况下系缆力计算结果Fig.7Mooring force results under the condition of ship full load and ballast

图8　压载状况下低、平、高潮系缆力比较Fig.8Mooring force in different tide under the condition of ballast

杨兴晏，刘进生［37］同样研究了某大型LNG泊位，运用国际著名系缆力软件OPTIMOOR来计算并分析了系泊船舶在风荷载、水流力及波浪荷载共同作用下满载和压载状况下船舶系缆力大小，并且对比了不同泊位长度对系缆力的影响因素。根据一定的自然条件参数计算得到了在船舶满载和压载状况下各缆绳系缆力的值，分析计算结果如图7所示。从图7中可以看出，系缆力最大值出现在7、8、13、14号缆绳上（首横缆和尾倒横）。

张日向，刘忠波等人［38］通过模型试验实测了某5000t级油品泊位在不同工况下系泊船舶在风荷载、水流力、波浪力等动力因素共同作用时缆绳的系缆力，表2中列出了试验研究中的几种代表工况，其中，风、浪、流均同方向，风级数均为7级，波周期5.7 s，水流流速1.257 m/s。

根据表2中的试验数据，将各种不同工况条件下实测得到的船舶系缆力值作相互比较，如图8～图12所示（图中系缆力为同一系船柱上各缆绳的最大值）。

表2　试验工况Tab.2Test conditions

图9　满载状况下低、平、高潮系缆力比较Fig.9Mooring force in different tide under ship full load condition

图10　风类型不同时系缆力比较Fig.10Mooring force under different wind types

图11　波高不同时系缆力比较Fig.11Mooring force under different wave heights

图12　满载/压载状况下风浪流方向不同时系缆力比较Fig.12Mooring force in different wind，wave and current direction under the condition of ship full load ballast

从图中可总体看出，系缆力分布沿系船柱位置的变化均呈“双峰”状，其最大值都是出现在2、4、5号系船柱处（即横缆或倒缆上），而从系缆力的数值上看，显然工况7（高潮位+满载+吹开风）为最不利情况，在码头设计过程中应将其作为控制工况考虑；从图8、图9中可看出，不论是在满载或压载状况下，不同潮位时（高、低、平潮），缆绳系缆力的最大值一般在高潮位，但各系缆力数值的差别并不大；图10中，工况7的系缆力较工况6要大，表明在其他条件相同情况下，吹开风对船舶系缆力的影响较大，且系缆力最大值出现在首横缆和尾横缆处，而吹拢风作用下，系缆力最大值则是出现在首横缆和尾倒缆处；图11中，当其他条件相同时，波高越大，缆绳系缆力的值也将越大；而在图12中，由于4条曲线比较接近，表明风浪流方向的不同且满载或半载情况对船舶系缆力的影响程度相对偏低，但从系缆力平均值来看，方向为90°时系缆力最大值大于方向为45°时的结果，船舶压载情况下系缆力值大于满载情况。

5　结论及展望

船舶系泊安全问题在港口码头设计中存在着十分重要的意义，本文总结了国内外部分学者对外海固定式泊位大型船舶系泊安全问题的研究成果，综合论述了在外海波浪单独作用，波浪和水流共同作用，风和水流共同作用以及风、浪、流综合作用下的自然环境下，大型船舶系缆力的理论分析、模型试验、数值模拟评估方法。

（1）在我国，从理论分析的角度来实现对大型船舶系缆力的评估的方法较少，国内现有的行业规范中也仅限于在风和水流共同作用的情况。

（2）大多数的模型试验主要是针对具体的工程项目，通过实测数据拟合得到一些经验公式，这些经验公式具有一定局限性，在使用过程中必须要满足特定的系缆方式（主要是系船柱的数目和缆绳的平面布置）。

（3）数值模拟方法要求对于理论的理解程度较高，这就使得采用数值模拟的计算方法较为复杂，其普遍适用程度有待进一步提高。当然，众多学者在数值计算过程中也应用一些国际通用系缆力计算的商业软件，如ANSYS⁃AQWA、OPTIMOOR等来进行辅助计算，最后再将计算数值与模型试验得到的结果进行对比论证。

综上所述，在港口码头设计中的行业规范上对于船舶系缆力的计算评估方法还存在着一定的空白和缺陷，应继续加强关于这方面的理论研究。将国内外部分学者对船舶安全系泊以及船舶系缆力评估方法研究成果在本文中综合论述，为大型外海固定式泊位，码头结构优化设计，系缆设施整体布局，船舶系泊安全问题等方面提供有意义的参考。

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浙江首个港口岸线“腾笼换鸟”项目通过交工验收

本刊从交通运输部获悉，2014年9月，浙江省首个港口岸线“腾笼换鸟”项目宁波市海湾重工有限公司迁建项目工程通过交工验收。项目以岸线资源整合、港区功能优化调整及老旧码头升级改造为切入点，积极推进岸线资源集约化利用，总投资4.03亿元，于2012年12月23日正式开工，建设5000t级码头1座，包括5000t级出桩泊位和5000t级通用泊位各一座，码头年设计吞吐量59万t，使用港口岸线长179 m，后方港区陆域面积8.22万m2，目前工程的水工结构、前沿作业区和港区道路等项目皆已全部完工。（殷缶，梅深）

Biography：WU Lin⁃jian（1990-），male，master student.

中图分类号：U 656；U 66

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0489-08

收稿日期：2013-10-10；修回日期：2013-11-20

基金项目：重庆交通大学研究生教育创新基金重点项目（20130102）

作者简介：吴林键(1990-)，男，重庆市人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海结构工程方面的研究。

Study of evaluation methods of ship mooring force in stationary berth of open sea

WU Lin⁃jian1，2，WU Bing⁃gui3，SHU Dan1，2，LIU Bing⁃bing1，2，LI Yi2
（1.National Inland Waterway Regulation Engineering Research Center，Key Laboratory of Hydraulic&Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.School of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；3.CRCC Harbor& Channel Bureau Group Survey&Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510115，China）

Abstract:In consideration of the important significance of ship mooring safety problems in wharf design，the research achievements of some scholars at home and abroad about the ship mooring safety problems in stationary berth of open sea were summarized in this paper，and the evaluation methods of large ship′s mooring force in the open sea of different meteorological and hydrological environment，such as wave effect，wave and current effect，wind and current effect，and the combined effect of wind，wave and current were discussed comprehensively.The methods include theoretical analysis，model test，and numerical simulation.This paper provides significant refer⁃ence for the optimization design of large stationary harbor structure of open sea，ship′s mooring facilities overall layout，and ship mooring safety problems，etc.

Key words:open sea;stationary berth;large ships;mooring force;evaluation methods