3E集装箱船系泊缆绳布置模式优化

江 义,高 浪,范 晔

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

我国现行《海港总体设计规范》[1]推荐采用PIANC(1995)[2]推荐的集装箱船安全作业时的船体运动标准，码头作业效率分为100%与50%两档。需要说明的是，PIANC(1995)规定的集装箱船体运动控制标准中所有运动分量均为峰-峰值(除横移为零-峰值)。根据最新的BS 6349-1-1(2013)[3]、PIANC(2015)[4]有关集装箱码头装卸作业效率的专题研究报告，应严格控制码头的纵移或横移等运动分量，并给出具有一定概率保证的作业位移控制标准。表1给出上述规范的装卸作业效率的船体运动控制标准。

表1 集装箱船的作业运动控制标准

本文以3E集装箱船作为研究对象，首先提出其不同工况下的系泊分析准则，包括生存工况准则(survival criteria level 1)、作业工况准则(operational criteria level 0)。Level 1 准则主要用于确定码头结构及其系泊附属设施的生存安全条件，重点以控制护舷吸能变形能力、缆绳力和系船柱等是否安全为标准。超大设计船型可能产生极高的缆绳系泊系统内力，应予以特别关注。Level 0 准则主要用于确定码头的不可作业天数、装卸运营效率，重点以控制船舶运动量为主。

本文的研究重点是根据英标要求进行3E集装箱船的系泊缆绳布置模式设计，通过详细系泊分析研究得到较优的缆绳布置模式，包括缆绳规格、型号及其预张力等技术要求，并给出生存工况离泊风速和作业工况上限风速。

1 工程概况

1.1 项目概况

阿布扎比哈里发港二期项目位于阿联酋阿布扎比的奥塔维拉(Al Taweelah)，码头设计通过能力为250万TEUa。二期工程码头岸线长1 200 m，其中800 m岸线为一期已建，400 m为后续扩建岸线。设计最大船型为载质量12.5万t的New Panamax集装箱船,最小船型为载质量3 500 t的Panamax集装箱船。从设计船舶大型化考虑，二期工程要求最大设计船型升级为3E级集装箱船“中海环球”号，载箱量为1.91万TEU。

码头采用岸壁式方块结构，码头前沿线方位角为51.5°N～231.5°N。码头面高程为5.087 m(参考最低天文潮位)，前沿设计水深为-18.0 m。码头系船柱采用T形，其设计参数见表2。系船柱结构的安全系数取为1.33，满足文献[5]最小安全系数1.18的要求。护舷采用斯巴达鼓形护舷，护舷设计参数见表3。

表2 系船柱参数(T形RT100-200)

表3 护舷参数

1.2 设计条件

码头结构设计最大船型为“CSCL Globe” 3E集装箱船，其参数见表4。由于低潮位时缆绳角度更为有利，因此生存工况Level 1分析计算时分别考虑平均高潮位(MHW)和最高天文潮位(HAT)，而作业工况Level 0分析计算时考虑平均海平面(MSL)潮位。

表4 “CSCL Globe” 3E集装箱船设计参数

1.2.1生存工况风浪流条件

1.发挥先锋作用。通过设岗、划区、建队、立项等实践载体，创建党员示范岗、党员先锋岗、党员责任区，教育和引导全体党员践行岗位承诺、做出表率，确保党员人人身上有目标、人人身上有压力。组建“党员突击队”攻坚克难，着力在卓越绩效、“三自一独”阿米巴、品质革命、市场开拓、产品开发、工艺改进、成本管理等中心工作中做表率、当先锋。通过选派党员骨干到子企业任职、服务G20峰会场馆等国家重点工程项目、到急难险重岗位锤炼等方式，充分发挥党员的先锋模范作用。在遇到重大技术攻关时成立党员攻关小组，以项目的落实推动任务落实。

表5 生存工况设计风要素(Level 1)

注：U3 600为10 m高处的平均风速；U30为10 m高处30 s阵风风速。

1.2.2作业工况风浪流条件

作业工况设计流速忽略不计。其设计波浪的有效波高(Hs)范围取值为0.05、0.10、0.15和0.20 m，波周期Tp考虑范围是6、8和10 s，浪来向为平行于码头岸线。相应的设计风要素见表6。

表6 作业工况设计风要素(Level 0)

2 缆绳布置模式

设计分析采用OPTMOOR系泊分析程序。初始的缆绳布置模式主要依据相关规范推荐[6-7]，规范推荐的缆绳布置情况见表7。

表7 推荐缆绳布置情况

根据上述缆绳布置要求，主要研究4种缆绳布置模式。1)缆绳布置模式L1：采用常规缆绳布置，缆绳采用50 mm钢缆，不施加预拉力，不设置艉缆，见图1a)；2)缆绳布置模式L2：采用优化的缆绳布置，缆绳采用50 mm钢缆，施加预拉力140 kN，不设置艉缆，见图1b)；3)缆绳布置模式L3：采用优化的缆绳布置，缆绳采用50 mm钢缆，施加预拉力140 kN，设置艉缆，见图1b)；4)缆绳布置模式L4：采用优化的缆绳布置，缆绳采用65 mm钢缆，施加预拉力250 kN，设置艉缆，见图1b)。

图1 缆绳布置模式

缆绳采用钢缆，其最大工作荷载是其破断荷载的55%。施加预拉力和设置艉缆是缆绳的主要措施，缆绳的预拉力考虑为缆绳破断力的5%～10%。案例研究缆绳采用钢缆，艉缆采用尼龙缆。

2.1 生存工况系泊分析

2.1.1模拟工况

生存工况针对3E集装箱船进行8种工况分析计算(表8)，包括4种缆绳布置模式、风速、波浪效应的对比研究。

表8 生存工况分析研究

2.1.2系泊模拟分析

1)优化缆绳布置模式。前7种生存工况系泊分析船体位移、最大缆绳内力和最大系船柱内力见表9。比较工况1～4，缆绳布置模式L1未考虑缆绳预加拉力和设置艉缆，缆绳内力和系船柱内力最大，系泊系统刚度较大；缆绳布置模式L2考虑了缆绳预加拉力但未设置艉缆，缆绳内力和系船柱内力居中；而系泊系统刚度较小的布置模式L3～L4均设置了缆绳预加拉力和艉缆，船体位移大且系船柱内力大，且由于L4缆绳较粗、预加拉力大，最大系船柱内力最大。在其他条件相同的前提下，缆绳布置模式L3的缆绳内力和系船柱内力最小，因而缆绳布置模式L3较优。因此，后续研究将基于缆绳布置模式L3进行。

2)风速和风向的影响。在波浪条件(Hs=1.0 m，Tp=10.9)和水流条件不变的前提下，选择最不利水位(HAT)进行分析。比较工况5～7，可以得到生存工况离泊风速为14.1 ms(时平均风速为10.7 ms)，其中最不利风向为吹开风，角度为从0°N～300°N。当为吹拢风且风向角为150°N～180°N时，风速为37.0 ms(时平均风速)，接触护舷压缩至极限变形。

表9 前7种生存工况最大船体位移、缆绳内力和系船柱内力

3)波高的影响。在水流条件不变的前提下，选择控制系船柱的荷载和缆绳内力满足要求(实际控制系船柱最大内力为1 500 kN)，可降低波浪输入至Hs=0.5 m(Tp=10.9 s)，进而可以得到生存工况离泊风速为18.3 ms(时平均风速为13.8 ms)。

3 作业工况系泊分析

3.1 模拟工况

作业工况针对3E集装箱船进行7种工况分析计算(表10)，侧重针对L1～L3缆绳布置模式的作业期风浪要素的影响研究。由于作业期水流较小，研究计算忽略了水流的影响。

表10 作业工况分析

3.2 系泊分析结果

3.2.1波高和周期的影响

研究的缆绳布置模式L1～L3在定义的波高(0.05、0.10、0.15和0.20 m)和波周期(Tp=6、8和10 s)，L1的船体位移最小，L2次之，L3船体位移最大，但均未超过船舶95%装卸作业效率的限制。对缆绳施加10%的预加拉力会引起船体的横摇转动，但对于超大的3E集装箱船的其他运动量影响表现不敏感。针对L1、L2或L3单一工况，波高和周期越大，船体的纵移和横移运动量越大(表11)。

表11 作业工况最大船体位移

续表11

船体运动分量纵移∕m横移∕m升沉∕m横摇∕(°)纵摇∕(°)回转∕(°)H=0.05 m T=6 s0.030.010.01000H=0.05 m T=8 s0.030.020.01000H=0.05 m T=10 s0.040.020.01000H=0.10 m T=6 s0.030.020.02000H=0.10 m T=8 s0.030.020.02000工况2H=0.10 m T=10 s0.050.030.02000H=0.15 m T=6 s0.060.020.03000H=0.15 m T=8 s0.040.030.03000H=0.15 m T=10 s0.060.040.030.100H=0.20 m T=6 s0.030.020.040.100H=0.20 m T=8 s0.040.030.040.100H=0.20 m T=10 s0.070.040.030.100H=0.05 m T=6 s0.070.010.01000H=0.05 m T=8 s0.080.020.01000H=0.05 m T=10 s0.080.020.01000H=0.10 m T=6 s0.080.020.02000H=0.10 m T=8 s0.080.020.02000工况 3H=0.10 m T=10 s0.090.030.02000H=0.15 m T=6 s0.060.010.03000H=0.15 m T=8 s0.080.030.03000H=0.15 m T=10 s0.10.040.030.100H=0.20 m T=6 s0.080.020.040.100H=0.20 m T=8 s0.090.030.040.100H=0.20 m T=10 s0.110.040.030.100

3.2.2风速和风向的影响

船体运动分量(升沉、纵摇和回转)对风速和风向的影响不敏感。此外，正常作业条件下，缆绳内力为破断力的20%，系船柱的最大内力为66.10 kN。因此，建议Level 0工况下，码头结构的系缆荷载取为750 kN。

表12 作业工况4～7的系泊分析结果

4 结论

1)针对3E集装箱船，经系泊分析比较，得到较优的缆绳布置模式L3，采用优化的缆绳布置，缆绳采用50 mm钢缆，施加10%预拉力且设置艉缆；

2)Level 1生存工况在设计波浪为Hs=1.0 m(Tp=10.9 s)的条件下，码头离泊风速为14.1 ms(时平均风速为10.7 ms)，而在设计波浪为Hs=0.5 m(Tp=10.9 s)的条件下，码头离泊风速为18.3 ms(时平均风速为13.8 ms)；

3)Level 0作业工况在设计波浪为Hs=0.2 m(Tp=10.0 s)的条件下，码头作业风速为13.4 ms(时平均风速为10.1 ms)。