自升式平臺(tái)碼頭系泊的模型試驗(yàn)研究方法

許峰，鄧玉琴

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200000）

自升式平臺(tái)碼頭系泊的模型試驗(yàn)研究方法

許峰，鄧玉琴

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200000）

敘述了模型試驗(yàn)方法的相關(guān)基礎(chǔ)理論，以及通過(guò)模型試驗(yàn)方法來(lái)研究自升式平臺(tái)碼頭系泊的一般步驟，并以外高橋船廠建造的自升式平臺(tái)碼頭系泊工程為例，通過(guò)水池模型試驗(yàn)研究平臺(tái)在碼頭系泊中承受環(huán)境載荷下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及系泊纜繩張力，闡述了解決大型海工平臺(tái)碼頭系泊工程實(shí)踐問(wèn)題的一種重要途徑，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

模型試驗(yàn)；水池；自升式平臺(tái)；碼頭系泊

自升式平臺(tái)作為海洋油氣資源勘探、開(kāi)采運(yùn)用最廣泛的海洋工程裝備，在全球具有較大的保有量，也是我國(guó)各大船廠實(shí)際建造數(shù)量最多的一種海洋工程結(jié)構(gòu)物。自升式平臺(tái)自身配備的系泊設(shè)施非常有限，僅適用于平臺(tái)在水文條件較好水域的碼頭作短時(shí)間的臨時(shí)系泊停留，長(zhǎng)時(shí)間的停泊一般以插樁，并通過(guò)升降機(jī)構(gòu)將平臺(tái)主船體抬升脫離水面至指定高度，進(jìn)而開(kāi)展其他相關(guān)作業(yè)。如果由于一些特殊原因，譬如碼頭的水底地形、地質(zhì)不適合插樁作業(yè)，或平臺(tái)的升降裝置暫不具備或暫?jiǎn)适芰Γ沟闷脚_(tái)不得不以水面漂浮系泊的方式作較長(zhǎng)時(shí)間的停留，特別是以月為單位的長(zhǎng)時(shí)間系泊。由于系泊時(shí)間長(zhǎng)，使得系泊平臺(tái)遭遇極端天氣的概率變得很大，因此非常有必要對(duì)自升式平臺(tái)的長(zhǎng)時(shí)間水面系泊系統(tǒng)作比較深入的研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于的自升式平臺(tái)建造經(jīng)驗(yàn)是比較豐富的，但針對(duì)自升式平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間碼頭系泊方面的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)非常少，特別是臺(tái)風(fēng)天氣下的自升式平臺(tái)碼頭系泊，相關(guān)的研究不多。本文將以外高橋造船實(shí)際開(kāi)展過(guò)的自升式平臺(tái)碼頭系泊工程施工為例，借鑒外高橋造船曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)的深水半潛式鉆井平臺(tái)碼頭系泊實(shí)績(jī)，通過(guò)水池模型實(shí)驗(yàn)的方法，研究自升式平臺(tái)在外高橋造船舾裝碼頭臺(tái)風(fēng)工況下的系泊問(wèn)題。

1 碼頭系泊模型試驗(yàn)基礎(chǔ)理論

碼頭系泊模型試驗(yàn)不僅可以形象、直觀、真實(shí)地反映碼頭系泊的各組成部分受力狀況及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而且還可以與數(shù)值分析和理論解析的結(jié)論進(jìn)行互相驗(yàn)證，是工程實(shí)踐中不可或缺的研究方法。

1.1 模型試驗(yàn)的概述

模型試驗(yàn)，按照力學(xué)相似原理和異構(gòu)同功原理，復(fù)演與原理邊界條件相似，力學(xué)條件相似或變化過(guò)程相似的模型試驗(yàn)。模型的尺寸可以比原型小，也可以比原型大。在碼頭系泊的模型試驗(yàn)中，出于經(jīng)濟(jì)成本，以及方便試驗(yàn)的開(kāi)展一般使用縮小比例的模型試驗(yàn)。

模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為三個(gè)組成部分：模型試驗(yàn)的方法、模型試驗(yàn)的相似材料以及模型試驗(yàn)的測(cè)量裝置[1]。作為一種重要的工程研究手段，模型試驗(yàn)不僅可以用來(lái)檢驗(yàn)各種理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，還可以直接用來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

1.2 模型試驗(yàn)的相似

模型試驗(yàn)可以理解為原型試驗(yàn)的簡(jiǎn)化過(guò)程。通過(guò)特定的相似原理設(shè)計(jì)、開(kāi)展的模型試驗(yàn)，在很大程度上能夠克服原型試驗(yàn)固有的人力、物力等方面的條件限制，在解決問(wèn)題的同時(shí)不僅兼顧經(jīng)濟(jì)合理、數(shù)據(jù)可靠，而且便于試驗(yàn)的開(kāi)展、操作簡(jiǎn)單便捷。為了保證模型試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確反映實(shí)際工程工況，模型試驗(yàn)設(shè)置過(guò)程必須要遵守相似理論的基本原理，并遵守相似三定理[2]，才能達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)效果。

（1）相似的基本概念

1）物理現(xiàn)象的相似，包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、熱相似、質(zhì)量相似等。

2）同類現(xiàn)象和單值條件

如果兩個(gè)現(xiàn)象可以用同一物理方程描述，即兩個(gè)現(xiàn)象服從同一規(guī)律，則稱這兩個(gè)現(xiàn)象為同類現(xiàn)象，這是兩個(gè)現(xiàn)象相似的一個(gè)必要條件，兩個(gè)現(xiàn)象如果相似，它們必為同類現(xiàn)象。

把一個(gè)現(xiàn)象從同類現(xiàn)象中區(qū)分出來(lái)的條件因素被稱為單值條件，表征單值條件的物理量一般包括幾何條件、物理?xiàng)l件、邊界條件及瞬時(shí)條件等。

對(duì)現(xiàn)象的完整數(shù)學(xué)描述包括描述現(xiàn)象的物理方程以及給定的單值條件。如果兩個(gè)現(xiàn)象的物理方程相同，同時(shí)單值條件相似，包括單值條件分布的描述相同，對(duì)應(yīng)單值量之間保持固定的比例，就可以判斷兩個(gè)現(xiàn)象相似。

3）相似準(zhǔn)則

相似準(zhǔn)則，又稱相似參數(shù)，是指彼此相似的現(xiàn)象所必須具有的，由若干個(gè)特征量組成的同名且數(shù)值相等的無(wú)量綱量。同名相似準(zhǔn)則數(shù)值相同，是兩個(gè)現(xiàn)象相似的特征和標(biāo)志，同時(shí)可以作為判斷現(xiàn)象是否相似的依據(jù)。

（2）相似定理

相似第一定理：彼此相似的現(xiàn)象，其同名相似準(zhǔn)則的數(shù)值相同。或者說(shuō)，彼此相似現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1.相似第一定理說(shuō)明，表征自然界相似現(xiàn)象的各同類量間的比值為常數(shù)，表示現(xiàn)象特性的各個(gè)量之間被某種規(guī)律約束著，使它們之間存在一定的關(guān)系。

相似第二定理：現(xiàn)象的各物理量之間的關(guān)系，可以化為各相似準(zhǔn)則之間的關(guān)系，它表明了任何物理方程均可轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱量間的關(guān)系方程。

相似第三定理：如果兩個(gè)現(xiàn)象的單值條件相似，且由單值量組成的同名相似準(zhǔn)則數(shù)值相同，則這兩個(gè)現(xiàn)象相似。

相似三定理是開(kāi)展模型試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)模型試驗(yàn)中各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象影響的大小，應(yīng)用相似理論，抓住主要因素，忽略次要因素，通過(guò)幾何相似、物理相似、初始條件相似和邊界條件相似，簡(jiǎn)化為便于操作、試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠、技術(shù)方案可行的模型試驗(yàn)，得出近似原型的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)。只要試驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，試驗(yàn)準(zhǔn)備充分，就可以運(yùn)用相似三定理進(jìn)行科學(xué)、合理的簡(jiǎn)化，得出真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)論。

2 自升式平臺(tái)碼頭系泊模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器準(zhǔn)備

試驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行。水池的主要尺度為：長(zhǎng)50 m，寬30 m，深6 m，可以模擬風(fēng)、浪、流各種海洋環(huán)境條件并能根據(jù)試驗(yàn)要求改變水深。

水池主要裝備各種造波設(shè)施、消波裝置、造流系統(tǒng)、造風(fēng)系統(tǒng)以及大面積可升降假底，以滿足模型試驗(yàn)中模擬各種海況要求。此外，還應(yīng)用到各種測(cè)量?jī)x器，包括運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、拉力傳感器、壓力傳感器、浪高儀、流速儀、風(fēng)速儀、以及數(shù)碼照相和攝像設(shè)備。所有的測(cè)試儀器在項(xiàng)目正式試驗(yàn)之前都應(yīng)經(jīng)過(guò)仔細(xì)地校驗(yàn)和標(biāo)定，確保試驗(yàn)中測(cè)量數(shù)據(jù)的正確可靠。

2.2 確定實(shí)驗(yàn)的坐標(biāo)系

為了直觀方便地描述試驗(yàn)內(nèi)容，試驗(yàn)中采用兩套坐標(biāo)系，均為右手坐標(biāo)系：

（1）大地坐標(biāo)系O-XYZ：坐標(biāo)系的方向?yàn)轫樦a頭從右向左為0°（面向大海），即離岸方向?yàn)?90°.該坐標(biāo)系描述風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境條件的方向。

（2）旋轉(zhuǎn)的大地坐標(biāo)系o-xyz：由于自升式平臺(tái)的艏向與碼頭方向有一定夾角，試驗(yàn)中采用按照自升式平臺(tái)方向旋轉(zhuǎn)的大地坐標(biāo)系來(lái)描述自升式平臺(tái)的6D運(yùn)動(dòng)：自升式平臺(tái)艏向?yàn)榭v蕩正方向，左舷為橫蕩正方向，向上為垂蕩正方向，右舷向下為橫搖正方向，艏部向下為縱搖正方向，艏部向左舷為艏搖正方向。自升式平臺(tái)碼頭系泊試驗(yàn)坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 自升式平臺(tái)碼頭系泊試驗(yàn)坐標(biāo)系

2.3 確定模型與實(shí)船各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，選擇模型縮放比例

為了保證模型試驗(yàn)與實(shí)際的碼頭系泊滿足相似要求，通常會(huì)忽略粘性的影響，保持實(shí)體與模型之間的傅汝德數(shù)和斯托哈數(shù)相等，即滿足兩者的重力相似和慣性相似[3]，因此：

式中，V，L，T分別為速度、特征線尺度及主要周期，下標(biāo)m及s分別表示模型和實(shí)體。根據(jù)上述相似法則，模型與實(shí)型各種物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示，表中λ為模型線性縮尺比。表中γ為水密度修正系數(shù)，等于海水與淡水密度之比。

表1 模型與實(shí)船各種物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[3]

正確選擇合適的模型縮尺比λ是開(kāi)展碼頭系泊模型試驗(yàn)的首要問(wèn)題，根據(jù)國(guó)際海洋工程的一般慣例，模型試驗(yàn)的縮尺比一般取40～80.具體的項(xiàng)目中，還應(yīng)綜合考慮水池本身的特點(diǎn)和對(duì)環(huán)境條件模擬的能力，具體而言，應(yīng)包括以下四個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）模型大小

這是決定模型縮尺比的首要因素，模型過(guò)小，模型制作和模擬的相對(duì)精度會(huì)降低，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差會(huì)增大；模型過(guò)大則會(huì)受到水池池壁效應(yīng)的影響，造成水池中過(guò)量的波浪反射而干擾正常試驗(yàn)結(jié)果。

（2）水池的尺度

試驗(yàn)中要對(duì)系泊水域的水深進(jìn)行模擬，從水深模擬要求可以得到模型縮尺比的上限。根據(jù)海洋平臺(tái)整套系泊系統(tǒng)的布置以及水池的長(zhǎng)度和寬度，可以得到模型縮尺比的上限。

（3）水池中的風(fēng)、浪、流模擬能力

水池配置的造風(fēng)和造流裝備能力均有一定的極限，縮尺比選取時(shí)不應(yīng)超過(guò)該極限。

（4）各類測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍

平臺(tái)碼頭系泊水池模型試驗(yàn)需要測(cè)量的內(nèi)容很多，諸如風(fēng)速、流速、浪高、平臺(tái)模型的六自由度運(yùn)動(dòng)、各錨索和纜繩的張力等等。由于實(shí)驗(yàn)室一般都備有量程大小不同的各類測(cè)量?jī)x器，儀器的測(cè)量功能通常不是模型縮尺比選取的決定因素，但出于方便考慮，在決定模型縮尺比時(shí)也應(yīng)加以考慮。

基于上述因素的綜合考慮，確定試驗(yàn)所采用模型和實(shí)際平臺(tái)及碼頭的縮尺比為λ=1：50.在船模、舾裝碼頭、系泊纜繩、及海洋環(huán)境模擬等方面都按照此縮尺比進(jìn)行。

2.4 環(huán)境工況的選取及實(shí)驗(yàn)組別的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對(duì)象選取在外高橋舾裝碼頭，屬于長(zhǎng)江內(nèi)河沿岸泊位，受波浪的影響相對(duì)較小，因此開(kāi)展風(fēng)、流載荷的組合試驗(yàn)，能夠較好的模擬外高橋船廠碼頭前的平臺(tái)系泊情況。

據(jù)歷年的統(tǒng)計(jì)記錄來(lái)看，近10年來(lái)上海所遭遇的臺(tái)風(fēng)基本集中在每年的7、8、9月，風(fēng)速分布在6級(jí)～10級(jí)，基本不超過(guò)10級(jí)。風(fēng)向多為東北偏北風(fēng)，結(jié)合前述的坐標(biāo)系，多為向岸風(fēng)，因此實(shí)驗(yàn)中，分別采取9、10級(jí)風(fēng)作為施加到平臺(tái)上的風(fēng)載荷，以向岸風(fēng)為主。

另外，根據(jù)常年的對(duì)外高橋舾裝碼頭水域所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，碼頭周圍的江水流速最大約3節(jié)，1.5 m/s.在設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)流向工況時(shí)，當(dāng)流向設(shè)定為0°時(shí)，模型試驗(yàn)在風(fēng)向-90°、0°、45°下分別開(kāi)展。主要考慮的是在試驗(yàn)測(cè)量中工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上認(rèn)為最危險(xiǎn)的離岸風(fēng)向-90°，其次危險(xiǎn)的風(fēng)向、流向疊加的0°方向，最后添加一個(gè)風(fēng)向、流向部分疊加的45°，這樣最具有代表性。同樣的原理，當(dāng)設(shè)定流向?yàn)?80°時(shí)，模型試驗(yàn)在風(fēng)向-90°、135°、180°下分別開(kāi)展。他們分別代表最危險(xiǎn)的離岸風(fēng)工況-90°，流向與風(fēng)向全疊加的180°方向，以及風(fēng)、流載荷部分疊加的135°.

綜合以上分析，將模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)劃分為以下組別，如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)環(huán)境載荷工況

平臺(tái)的系泊布置如圖2所示，共計(jì)設(shè)置13根系泊纜繩，模型實(shí)驗(yàn)將針對(duì)該系泊布置進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 平臺(tái)的碼頭系泊布置

3 模型試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)策分析

經(jīng)過(guò)上述4個(gè)組別的模型實(shí)驗(yàn)，得到了系泊纜繩的張力最大值情況，如圖3、4、5、6所示的散點(diǎn)圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)組別2系泊纜張力最大值

圖5 實(shí)驗(yàn)組別3系泊纜張力最大值

圖6 實(shí)驗(yàn)組別4系泊纜張力最大值

綜上4個(gè)試驗(yàn)組別的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，除個(gè)別纜繩的張力最大值出現(xiàn)了150 t以上的大載荷，大部分的纜繩即使在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的9、10級(jí)大風(fēng)下，纜繩張力依然維持在其破斷載荷范圍，同時(shí)由于各纜繩的系泊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)物的安全需用載荷比較大，因此實(shí)際的工程實(shí)踐上，宜通過(guò)回頭帶纜的方式，對(duì)1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)等實(shí)施回頭帶纜，其中1號(hào)、9號(hào)鋼絲繩帶纜至少3道，這樣即使是近十年來(lái)所統(tǒng)計(jì)的上海最大風(fēng)速10級(jí)風(fēng)載下，在外高橋船廠舾裝碼頭的自升式平臺(tái)系泊基本是安全的。從平臺(tái)實(shí)際的系泊工程實(shí)踐情況來(lái)看，系泊期間經(jīng)歷過(guò)臺(tái)風(fēng)的影響，但平臺(tái)的系泊系統(tǒng)基本沒(méi)有發(fā)生失效事件。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，能夠比較直觀地測(cè)量平臺(tái)系泊纜繩的張力分布，找出系泊布置中纜繩的薄弱環(huán)節(jié)，方便現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采取針對(duì)性的措施，制定日常及應(yīng)急的各種響應(yīng)方案，對(duì)工程實(shí)踐有非常積極重要的意義。

[1]安建永.淺埋隧道開(kāi)挖與既有建筑基礎(chǔ)荷載相互影響的模型實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[2]劉涌江.大型高速巖質(zhì)滑坡流體化理論研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2002.

[3]吳小鵬，深海半潛式鉆井平臺(tái)碼頭系泊數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

Study on Model Test Method for Mooring of Jack up Platform Wharf

XU Feng，DENG Yu-qin
（College of Naval Architecture and Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200000，China）

This article narrate the related basic theory on the method of model test,and the normal steps of research a self-elevating platform on quay mooring through that model testmethod，and then，as a example by a actual self-elevating platform on quay mooring project which constructed in wai gao qiao ship yard,the article try to research the platform motions&mooring line tensions when the jackup is mooring on quay with the environmental loadings through the model test in the basin.It presents another important way to solve the on quay mooring engineering practice on large offshore platforms,and provides guidance for the construction on site.

model test；basin；self-elevating platform；on quaymooring

TE951

A

1672-545X（2017）03-0079-04

2016-12-08

許峰（1984-），男，湖北荊州人，工程師，工程碩士研究生，現(xiàn)從事海洋工程舾裝設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理相關(guān)研究。