船舶所受风荷载国内外规范对比分析

陈志乐，杨静思

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

船舶系缆力是码头结构设计和系船柱选型的重要条件，风、流、浪为船舶系缆力主要控制因素，国内外码头设计规范中船舶系缆力的计算方法有所不同。伴随着工程行业走向海外的步伐，设计人员也需要掌握相应的国际规范标准。目前对于船舶风荷载研究对比大多集中于中英规范[1-2]，鲜有对西班牙规范的对比。为进一步比较各规范船舶系缆力计算方法及结果的差异，本文选取了码头结构设计常用的国内外规范进行对比，即：JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》[3](简称JTS)、西班牙ROM0.2-90海事及海港工程设计规范[4](简称ROM)、石油公司国际海事论坛OCIMF(MEG4 2018)系泊设备指南[5](简称OCIMF)、英国BS 6349-1-2：2016规范[6](简称BS 6349)，就船舶所受风荷载的计算公式、输入变量、适应范围的异同点进行对比分析，并以30万吨油船为例进行了风荷载计算和结果对比分析。

1 船舶所受风荷载计算公式

1.1 JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》

根据JTS，作用于船舶上的计算风压力垂直于码头前沿线的横向分力和平行于码头前沿线的纵向分力可按下列公式计算：

(1)

(2)

式中：Fxw、Fyw分别为作用在船舶上的计算风力的横向和纵向分力(kN)；Axw、Ayw分别为船体水面以上横向和纵向受风面积(m2)；vx、vy分别为设计风速的横向和纵向分量(m/s)，采用离地10 m高重现期50 a 10 min平均最大风速；ζ1为风压不均匀折减系数；ζ2为风压高度变化修正系数。

1.2 西班牙ROM0.2-90海事及海港工程设计规范

根据ROM，作用于船舶上的风荷载可按下列公式计算：

(3)

(4)

FTV=RVsinφ

(5)

FLV=RVcosφ

(6)

式中：RV为作用在船舶上的总风力(kN)；FTV、FLV为作用在船舶上的横向分力、纵向分力；φ为总风力与船舶纵轴线的夹角；ρ为空气密度，取1.225 kg/m3；CV为形状系数，一般取1.0～1.3，缺少准确数据时，可以直接取1.3；vV为设计风速，取海面上高10 m处的平均风速，船长大于25 m时采用60 s平均风速，船长小于25 m时采用15 s平均风速；α为风向与船舶纵轴线(船首至船尾)的夹角(°)；φ为风荷载合力与船舶纵轴线的夹角；AL为暴露在风中的纵向投影面积(m2)；AT为暴露在风中的船舶横向投影面积(m2)。投影面积按下列公式计算：

AT=B·(G+hT)

(7)

AL=Lpp·(G+hL)

(8)

式中：B为船舶的型宽；G为船舶吃水；Lpp为船舶垂线间的长度；hT、hL分别为船舶甲板以上超大结构的横向、纵向投影平均高度。

1.3 石油公司国际海事论坛OCIMF(MEG4 2018)系泊设备指南

根据OCIMF，船舶所受风荷载的横向和纵向风力可按下式进行计算：

(9)

(10)

式中：CXW、CYW为风荷载纵向系数、风荷载横向系数，这几项系数均由查图表所得；ρA为空气密度，取1.28 kg/m3；AL为水面以上纵向压载投影面积；AT为水面以上横向压载投影面积；LBP为船舶首柱到尾柱的间距；vw为海面以上10 m处的30 s平均风速。之所以取30 s，是由系泊系统对风速变化做出反应所需的时长决定，30 s对应的是压载巨型油船，小点的船反应更快，满载巨型油船则可能需要60 s。然而，对所有船型和不同压载情况来说，30 s可以取做平均值。如有其他风时对应的风速，可以根据OCIMF的风时转换系数图表查询转换。

1.4 英国BS 6349-1-2：2016规范

根据BS 6349，作用在船舶上的风荷载FTW可按下式计算：

(11)

(12)

(13)

2 计算公式对比

计算公式见表1。

表1 计算公式

对比4组船舶所受风荷载的计算公式，所有计算公式都包含船舶横纵向受风面积、空气密度、风压力系数等因素，但各个因素的取值和算法存在差异，各规范手册公式存在的差异主要有：

1)风压修正系数。JTS中风压高度变化修正系数考虑船舶水面以上高度的变化，对船舶在不同装载情况下的风荷载进行修正。风压不均匀折减系数考虑水面以上最大轮廓尺寸的区别，对不同吨级船舶所受风荷载进行修正。ROM、OCIMF、BS 6349将风速、船舶受风面积变量之外的变化因素统一到风压修正系数，该修正系数综合考虑了风向与船舶纵横轴的夹角变化、船舶装载情况变化、船型尺寸变化、船舶类型变化等因素需要的修正，且OCIMF还考虑了船头形状(传统型或椭圆形)不同引起的变化。

2)公式适用的船舶类型及尺寸范围。不同公式适用的船舶类型及船舶尺寸不同，JTS和ROM可以计算多种类型、不同尺寸的船舶。BS 6349公式适用的船舶类型有小型油船、大型油船、典型集装箱船舶。OCIMF公式适用的船舶类型有大型油船(1.6万～50万t)和天然气船(7.5万～26.6万t)。

3)空气密度。因为风荷载计算必然涉及空气密度，ROM、OCIMF、BS 6349的公式中均有空气密度变量。除了英标给出的0～30 ℃范围内的变化空气密度，其他均为给定温度下的空气密度，JTS采用的是绝对干燥空气密度，且将空气密度提前代入公式进行了计算简化，公式中未体现空气密度变量。

4)风速。各国规范对风速的选取略有差异。《港口工程荷载规范》采用的是离码头附近地面高10 m处的10 min平均年最大风速，重现期50 a。ROM分两种情况，船长大于25 m采用的是60 s平均风速；船长小于25 m的采用的是15 s平均风速。BS 6349采用的是海面以上高10 m处的60 s平均风速，重现期50 a。OCIMF采用的是海面以上高10 m处的30 s平均风速。

5)船舶受风面积。JTS分别给出了保证率为50%及75%、压载及满载时不同类型及尺寸船舶组合下的船舶横纵向受风面积；ROM、OCIMF均按照船舶的横纵向投影面积进行计算，BS 6349也采用船舶投影面积，但在计算横向风力时采用的纵向投影面积作为输入参数进行计算。需要注意的是，船舶受风面积不仅包括船舶干舷部分的区域，还包括甲板上的构筑物，堆箱等部分区域。

6)横摆力矩。ROM和OCIMF考虑了风作用下船舶绕中心垂直轴的横摆力矩，JTS和BS 6349未考虑。

3 工程案例

3.1 计算条件

由各规范船舶适用范围的比对可知，4种公式均适用的范围是15万～30万吨级的大型油船。目前国内原油码头大部分为30万吨级，故选取30万吨级油船为典型船型进行案例对比分析，分别对其在满载、压载工况下的风荷载进行计算。30万吨级油船船型参数为：总长L=334.0 m，型宽B=60.0 m，型深H=31.2 m，满载吃水T=22.5 m。

船舶受风面积一般由船舶厂家提供，该算例中按照JTS进行取值，见表2。

表2 船舶受风面积

由于各规范中离地10 m处最大平均风速对应的历时不同，该算例选取9级风最大风速24.4 m/s作为JTS的设计风速，其他规范按照风时修正系数进行对应换算，风速换算结果见表3[7]。

表3 按历时进行风速换算

3.2 船舶风荷载比较

各规范风向角坐标系不统一：JTS未考虑风向角变量，ROM和BS 6349都以船舶正迎面为0°，OCIMF则以船舶正迎面为180°。本文参考ROM和BS 6349风向角取法，即取船舶纵轴线(从船头指向船尾方向)与风向的夹角为风向角，船舶正迎面为0°，风向角以逆时针旋转。

30万吨级油船的压载、满载工况下的风荷载绝对值计算结果见图1。各规范的结果差异如下：1)从总风荷载来看，在压载和满载状态下，均以船舶受正向横风时为控制工况，且计算值ROM依次大于OCIMF、BS 6349、JTS。ROM最大风荷载计算值达JTS的1.69倍。2)JTS与ROM的横向风力和纵向风力计算值是关于90°左右对称的，即两风向角互补时，风荷载计算结果相同。OCIMF和BS 6349考虑了船首船尾的差异性，两者随风向角变化的计算结果趋势表现出高度的相似性。至于两者绝对值存在的差异，BS 6349中油船风荷载计算时推荐参照OCIMF，BS 6349计算公式保留可用于初步评估。3)从压载工况看，船舶横向风力中，当风向角为20°～55°时，OCIMF的计算值依次大于ROM、BS 6349、JTS。其他风向角范围内与总风荷载的计算值排序相同，即ROM依次大于OCIMF、BS 6349、JTS。OCIMF、BS 6349考虑风入射角度互补时，认为船首较船尾受风荷载更大。压载工况下的纵向风力计算，ROM结果明显大于另外三者，且另外三者结果很接近。4)满载工况下，船舶横向风力中，ROM的计算值依次大于OCIMF、BS 6349、JTS，ROM可达JTS最大横风计算值的2.1倍。对于满载工况下纵向风力，JTS明显小于另外三者。此外，OCIMF和BS 6349认为船舶受正向横风时，船舶的纵向风力也不为0。

图1 风荷载计算结果

4 结论

1)各国的风荷载计算思路不同，且公式适用的船舶类型和尺寸也不同，英标公式适合的船舶类型有小型油船、大型油船、典型集装箱船舶。OCIMF手册公式适合的船舶类型为一定吨级的大型油船和天然气船。在计算或对比分析时应注意适应范围的不同。

2)JTS与ROM未考虑船首船尾的差异性，而BS 6349和OCIMF考虑了差异性，计算结果在船舶首尾差异方面考虑得更准确。

3)各国规范在计算船舶风荷载时，在风速选取、船舶受风面积、风压修正系数方面均存在一定差异。

4)根据30万吨级油船实例计算结果，比较控制工况下即风向角为90°时的风荷载，可知ROM最大，OCIMF次之，BS 6349第三，JTS最小。ROM的计算结果最保守，其最大风荷载是JTS计算值的1.69倍，OCIMF是JTS的1.58倍。因此，在海外项目系缆力计算时应慎重进行规范的选择和应用。