大型港工系船柱结构安全监测方法与实验

吴 俊，舒岳阶，周世良，柏鲁勇，曹师宝

（1. 重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016；2. 重庆交通大学 内河航道整治技术交通行业重点实验室，重庆 400074；3. 重庆西科水运工程咨询中心，重庆 400016；4. 宁波正信检测科技有限公司，宁波 315000）

1 引 言

港口码头作为“一带一路”和“长江经济带”的重要载体，是综合交通枢纽的重要环节。目前，中国已成为世界上港口吞吐量和集装箱吞吐量最多、增长速度最快的国家。

系船柱是直接承受船舶系缆力，并将其传递给码头结构的重要设施［1］。受港口货物吞吐量增加、靠泊船舶吨位提升、不规范系泊以及风浪流等多因素影响，系船柱上的荷载极易超过安全值，不仅会引发船舶脱缆，危及船舶安全，还会波及码头前沿结构，甚至导致桩基损伤。为此，复杂系泊条件下系船柱结构受力安全监测成为码头运行过程中亟需解决的重大安全问题。

目前，系船柱结构受力状态监测方法主要有三种。第一种是缆绳张力测量法［2-5］：将传感器固定在缆绳上，监测各根缆绳张力。该方法可直接测得系缆力，但由于测量缆力较大的张力监测装置尺寸较大，安装较为繁琐，会影响船舶正常系缆工艺，且仅能测得单根缆绳上的系缆力，对于多根缆力同时作用的情况，无法判断缆绳矢量合力作用下的系船柱结构受力安全性。第二种方法是系船柱表面应变推算法［6-7］：在系船柱表面测量两点应变，并根据实测的系缆高度与角度，代入材料力学公式计算缆绳缆力。该方法不仅需监测系船柱表面两点应变，而且还需测得缆绳系缆高度，且该计算方法仅针对单根缆绳系缆的情况，无法适用于多根缆绳同时系缆时的情况。第三种方法为带脱缆钩的系船柱缆绳应力检测装置［8-10］：将脱缆钩与系船柱集成为一个整体，脱缆钩上设置应力销。当缆绳缆力合力超出设定阈值后，应力销打开，主动将缆绳脱缆，避免缆力过大对系船柱结构的破坏。该方法通过主动脱缆的方式实现对系船柱的保护，但另一方面也增加了船舶脱缆后的危险性，同时由于带脱缆钩的系船柱体积较大，既有码头改造难度大，一般仅适用于新建码头。综合以上可知，现有监测方法尚无法完全满足系船柱结构受力安全监测的需要。

针对适应多根缆力同时作用、对系缆工艺影响小、适用于既有系船柱、实时性监测等结构受力安全监测需求，提出了一种基于多点应变信息融合的系船柱标准缆力实时反演与监测方法，可满足复杂系泊条件下的系船柱结构受力安全监测。

2 大型港工系船柱受力安全监测原理

2.1 系船柱结构

系船柱结构主要包括柱壳、锚杆、螺母、垫圈、锚板和柱芯填料等，见图1。其中，柱壳是缆力最直接的受力件，锚杆、螺母、锚板和垫圈作为系船柱柱壳与码头上部结构的连接件，锚杆插入梁内，下方通过锚板与梁浇筑为一体（见图1（b）），同时，为了提升锚杆的抗拔性，部分系船柱锚杆下端设计成弯钩（见图1（b））。

图1 系船柱结构Fig.1 Bollard structure

图2 实际工况条件下的系船柱系缆情况Fig.2 Mooring conditions of bollards under actual working conditions

实际工况条件下，系船柱系缆特点主要有：

（1）带缆数量：1～5 根；

（2）系缆垂直角（缆绳与水平面的夹角）：15°～60°；

（3）系缆水平角（缆绳与码头前沿线的夹角）：25°～155°；

（4）系缆高度：从最底端到最高端。

因此，系船柱的系缆条件存在随机性，即缆绳的系缆高度、系缆垂直角、系缆水平角、系缆数量均可能不同，系船柱受到多根缆绳缆力矢量叠加作用，单纯通过系缆力数值大小、而不考虑矢量作用组合效应来评价系船柱的结构安全性存在一定的局限性。

2.2 系缆力标准条件

为了解决多缆绳系缆随机组合作用下的系船柱安全性评估问题，提出了“系缆力标准条件”的概念。将系船柱结构的最不利受力条件，设定为“系缆力标准条件”，在这一标准条件下，任意的系缆状况都可以根据系船柱表面的多点应变这一中间量反演转换为标准系缆力，并将标准系缆力与系船柱的容许系缆力进行比较，由此判断系船柱结构的安全状态。

由于系船柱为圆柱对称结构，不同系缆水平角对系船柱的作用是相同的，因此，系船柱结构的最不利受力条件主要包括系缆高度与系缆垂直角两个参量。根据《系船柱构件通用设计编制说明》和《港口工程荷载规范》，在对系船柱进行设计和安全验算时，系缆垂直角β越小，系缆力水平分力越大，垂直角通常取15°；最大系缆高度时，相同系缆力水平分力产生的弯矩最大，对系船柱结构安全影响最大，系缆高度取系船柱脖高。因此，“系缆力标准条件”可确定为：系缆高度取系船柱脖高h0，系缆垂直角β0取15°。

2.3 标准条件下的系缆力反演模型

图3 系船柱标准系缆条件Fig.3 Standard mooring conditions for bollards

为了不影响系缆作业，传感器安装点应尽量靠近底部，同时考虑到安装的便携性，尽量将传感器安装在系船柱柱身上，综合两者，确定传感器安装位置如图4 中的A，B 所示，应变传感器安装在底面与柱身过渡圆弧段的上端，距底面高度为h1。

图4 中，实际工况条件下的系缆力系缆角度为β、系缆高度为h。通过安装在系船柱根部的两个应变传感器，监测根部应变，反演得到标准条件下的系缆力，标准条件下的系缆力为F*，系缆角度β0为15°，系缆高度为h0。

图4 应变传感器测点位置Fig.4 Measuring positions of strain sensors

应变传感器安装位置截面视图如图5 所示，O为系船柱圆柱轴心，BO与岸线的夹角为θ，AO与BO之间的夹角为γ，θ与γ为已知参数。A，B两点的应变分别为εA，εB，为已知参数。实际工况条件下的系缆力为F，系缆水平角为α，系缆垂直角为β，系缆高度为h（小于最大系缆高度），不同系缆条件下，F，α，β，h均未知。系缆力标准条件为：β0=15°，h0=max(h)。将不同工况条件下的系缆参数均转换到标准条件下。

图5 D-D 截面Fig.5 D-D section

标准条件下的系缆力为F*，根据弹性力学公式，A、B两点应变可表示为：

式中，R为系船柱柱体半径，h1为测点位置距底面高度，E壳，E芯分别为系船柱壳体与芯体的弹性模量，I壳，I芯分别为系船柱壳体与芯体的截面惯性矩。联立式（1）、式（2）得：

通过公式（6）、式（7），可由h1截面处任意A，B两点应变值，推算得到标准条件下的缆力值与缆力方向。吴俊等人［11］对系船柱结构进行了有限元数值仿真计算，提取有限测点应变反演标准系缆力，并与有限元仿真结果进行对比，系缆力最大相对误差为5.93%，反演结果具有较高精度，满足工程应用。

3 系船柱结构安全评估方法

由图5 可见，当应变监测点位于中性面离岸侧时，由横向分力所产生的弯曲应变为正值拉应变。当应变监测点均位于中性面近岸侧时，由横向分力所产生的弯曲应变为负值压应变。为了避免横向分力所产生的弯曲应变与竖向分力产生的拉应变相互抵消，在系缆水平角25°～155°变化区间内，应至少保证有两个应变监测点均位于中性面离岸侧。

由弹性力学原理可知，系船柱某一横剖面上的最大应变值点位于系缆力的反向延长线上。由图6 可见，当系缆水平角在25°～155°区间变化时，系船柱上的最大应变测点位于A，E点之间，同时为了保证任意时刻均有两个应变监测点均位于中性面离岸侧，除布置A，E两个测点外，还在A，E点之间均布3 个测点B，C，D。在该种测点布置条件下，任意时刻最少有3 个测点位于中性面离岸侧。

图6 应变测点分布图Fig.6 Safety assessment process for bollard structure

综上，本文提出了如图7 所示的系船柱结构安全评估方法流程：

图7 系船柱结构安全评估流程Fig.7 Safety assessment process for bollard structure

Step 1：通过安装在系船柱表面的多个应变传感器，实时监测系船柱表面应变变化情况；

Step 2：将所测应变按照数值大小进行排序，分别为ε1＞ε2＞ε3＞ε4＞ε5；

Step 3：分别将ε1，ε2与ε1，ε3分别代入式（6）、式（7），分别得到两组标准条件缆力F*与系缆水平角α；

Step 4：将两组标准条件缆力F*与系缆水平角α求取平均值，获得修正后的缆力与系缆水平角。

Step 5：根据系船柱结构特点，制定系船柱受力安全分级预警策略；

Step 6：将计算得到的标准条件下的系缆力与设计系缆力相比较，确定系船柱受力安全状态等级。

4 试验研究

以宁波大榭招商国际集装箱码头#2 泊位为依托工程，开展了原型试验研究。试验系船柱规格1 500 kN，最大系缆高度500 mm；壳体材料为铸钢ZG230-450，外径500 mm，内径420 mm，壁厚40 mm；壳内浇注混凝土。

4.1 系船柱表面应变监测方案

由标准系缆力反演理论可知，准确测量系船柱表面应变是确保缆力反演准确性的关键。光纤布拉格光纤光栅（以下简称光纤光栅，FBG）具有可复用、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，可适应复杂环境下的精确应变测量。

直接采用常规有机胶将光纤光栅粘接到系船柱表面，存在如下问题：

①具有蠕变性［12-13］：长期工作过程中，有机胶不可避免的存在会蠕变性，导致应变传感效率发生不可控的变化，影响测量结果的长期可靠性。

②短标距的非均匀应变啁啾特性［14］，系船柱表面轴向应变为非均匀应变，若采用有机胶直接将光纤光栅粘接到系船柱上，由于光纤光栅标距很短，在非均匀应变作用下，光纤光栅反射谱会出现一定程度的啁啾特性，影响信号解调。

针对这个问题，采用表面应变均化的传感器结构形式，如图8 所示，传感器标距为3cm，光纤光栅敷设于3 mm 厚不锈钢基板轴向槽内，两端利用改性低熔点玻璃进行粘接固定，传感器利用两端的四个焊接点与被测基底连接。

对需安装传感器的部位进行除锈打磨处理后，分别焊接五支FBG 应变传感器，然后将传感器首尾相连实现串联复用，并利用一支FBG 温度传感器对应变传感器进行补偿，然后利用密封带对传感器进行密封防腐处理，最后安装保护罩，避免系缆过程对光纤传感器的破坏。整个过程如图8 所示。

图8 两端焊接式应变均化FBG 传感器Fig.8 Strain equalization FBG sensor welded at both ends

图9 传感器安装与保护Fig.9 Sensor installation and protection

4.2 实验结果与分析

选取2020 年11 月3 日～11 月11 的实验数据进行分析，期间监测到的五个测点的应变数据如图10（a）所示，基于该数据，根据图7 所示的系船柱结构安全评估步骤，计算得到的标准条件系缆力数据如图10（b）所示。由图10（b）可见，船舶系缆时，计算得到的最大系缆力迅速增加；船舶解缆时，计算得到的最大系缆力又迅速减小。实验期间最大系缆力均在500 KN 以下，远小于系船柱1 500 kN 容许系缆力值，系船柱结构受力状态为正常。

图10 监测数据Fig.10 Monitoring data

为了评估反演理论的误差，进行了单根缆绳系缆的验证性实验，试验船舶具备缆力计，且只在试验系船柱上系单根缆，按最大系缆高度带缆。由于系缆垂直角及水平角不可控，试验时，采用倾角传感器测量系缆垂直角和水平角。

试验期间测得的满足试验要求的两次船舶系泊情况如图11 与表3 所示。

待现场数据稳定后，取测量值平均值，得到表2 所示的各个点应变测量值。

表1 船舶系缆参数Tab.1 Ship mooring parameters

Fig.11 实船系缆试验Fig.11 Real ship mooring test

表2 不同船舶系缆时的各点应变值Tab.2 Strain values at various points （με）

分别选取相应的组合计算缆力值，见表3。

由表3 可见，中远内贸集装箱船系缆力计算结果相对误差最大为－4.6%，APL VANDA 集装箱货轮系缆力计算结果相对误差最大为-8.1%。导致缆力计算误差的原因除本身理论模型存在一定误差外，还可能由于船上缆力计读数与系船柱上应变记录的时刻无法精确同步导致。该误差基本满足工程应用需求。

表3 系缆力计算结果Tab.3 Calculation result of mooring force

5 结 论

本文在推导标准条件系缆力反演模型的基础上，依据缆力方向的范围与反演模型的应变监测点要求，研究了系船柱表面多点应变布置方案，提出了基于多点应变融合的系船柱结构安全监测方法。在宁波大榭招商国际集装箱码头1 500 kN 系船柱上成功部署了5 支应变传感器与1 支温度传感器，开展了长时间连续监测，通过分析标准条件反演缆力与船舶实际缆力值，标准条件系缆力反演误差最大为8.1%，证明该方法具有较强的可行性与操作性。本方法只需利用系船柱表面分布的多点应变值，即可判断系船柱受力安全状态等级。