基于Optimoor 的綠洲級郵輪碼頭系泊分析研究

楊 明

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

系泊，是指運用系纜設備使船停于泊位的作業(yè)過程，包括系靠碼頭、棧橋式泊位、樁柱、系泊浮筒和并靠他船等[1]。系泊前必須充分考慮風、流、泊位的長度、方向及其特點等外界條件，還應掌握船舶特性，并預先做好全盤系泊計劃[2]。前期設計階段針對給定的設計船型明確其系泊要求，對于靠泊船只的安全性以及碼頭建筑物的穩(wěn)定性具有重要意義，因此系泊分析是碼頭結(jié)構(gòu)型式方案設計的重要參考依據(jù)。

郵輪產(chǎn)業(yè)被譽為“漂浮在海上的黃金產(chǎn)業(yè)”，根據(jù)世界郵輪協(xié)會（CLIA）的統(tǒng)計，一名郵輪旅客在郵輪?？繒r消費能力為30～40 美元/小時[3]。在亞太市場崛起與歐美市場復蘇的交替帶動下，全球郵輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)穩(wěn)健，郵輪運力優(yōu)化漸趨明顯。權(quán)威機構(gòu)Cruise Market Watch 提供的數(shù)據(jù)如圖1 所示，近三十年來，全球海港郵輪年旅客數(shù)量保持著6.63 %的年平均增長率[4]。郵輪旅游與地區(qū)經(jīng)濟二者間波及效應巨大，發(fā)展郵輪旅游、除直接帶動就業(yè)，對當?shù)匚幕囆g(shù)、船舶修建造、腹地消費等多方面均將產(chǎn)生高額附加值。近年來郵輪產(chǎn)業(yè)強勁的發(fā)展?jié)摿槭袌鏊春?，母港基礎(chǔ)建設需求快速增長。由于郵輪的特殊性，其往返于固定航線內(nèi)的目的地多次?？?，進港后在有限的操作水域內(nèi)對安全性要求更高，同時對系泊和上下客方式也有著特殊要求。

圖1 近30 年全球海港郵輪旅客規(guī)模統(tǒng)計

面對不同系泊條件，船舶系泊方案論證方法主要有動態(tài)系泊分析、靜態(tài)系泊分析、模型試驗、設立環(huán)境操作限制等?？紤]外力以及環(huán)境條件的影響[5]：外力包括風、浪（涌）、流、潮汐、海冰等自然條件，也包括風暴潮甚至海嘯等極端條件，以及過往船只等其他外部影響；環(huán)境影響包括靜態(tài)力、動態(tài)力和運動；其他考慮還包括低頻力引起的船舶運動，如近岸波浪發(fā)生反射后合成波的能量、受環(huán)境影響波浪運動參數(shù)（如波幅、波數(shù)等）發(fā)生變化等[6]。本文以某綠洲級郵輪碼頭工程為原型，總結(jié)實踐經(jīng)驗，以期為后續(xù)類似工程提供借鑒?？紤]當?shù)仫L、流及潮汐自然條件變化時間跨度較慢，采用準靜態(tài)分析方法。

1 項目環(huán)境參數(shù)

郵輪設計船型為海洋綠洲級，船型主尺度如表1。碼頭前沿水深-10.5 m（高程基準面為MLWS），該船型停靠時允許最大風速按65 km/h 考慮，碼頭前沿設計波浪要素（取泊位中部位置為控制點）參見表2。據(jù)1992 年到1997 年逐時潮位觀測資料分析（保證率見圖2），99 %保證率的潮位值為-0.12 m，該水位為通航水位，漲落潮信息參見圖2，海流流向為N-W 的沿岸流，設計流速0.3 m/s。[7]

表1 郵輪碼頭船型主尺度

表2 兩年一遇設計波要素

圖2 潮位保證率統(tǒng)計圖

共布置23 條纜繩（前14 尾9），采用破斷力為140 t 的44 mm 直徑HMPE 纜繩（12 股），批芭節(jié)采用76 mm×11 m 的尼龍材質(zhì)，破斷力為202 t。

2 系泊計算分析

該碼頭突堤式布局兩側(cè)靠船，碼頭北端設2 個系纜墩（一墩六柱），碼頭面東西側(cè)各布置十個系船柱，配套設置1000 kN 脫纜鉤，布置參見圖3。[8]基于美國TTI 公司開發(fā)的Optimoor 軟件，采用準靜力分析方法，評估在風、浪、流等環(huán)境因素及系船柱、護舷反力等荷載作用下右舷靠泊時的船舶動力響應。根據(jù)護舷設計最大反力和郵輪上下船的使用要求，假設郵輪離港的邊界條件為：纜繩荷載685 kN 或船舶縱移、橫移距離超過1 m。船舶系泊安全保證率要求在碼頭50 年使用年限內(nèi)正常操作環(huán)境條件下達到99 %。

圖3 碼頭系船柱布置示意圖

2.1 纜繩設置

設置24 組纜繩，以每根系船柱系纜不超過兩條，同時避免纜繩交叉為原則，合理確定系船柱間距和位置。系纜繩布置如表3 及圖4 所示，為保證郵輪與護岸的安全間距，東側(cè)泊位船艏與護岸底邊線間隔30 m，西側(cè)泊位這一距離是37 m。

表3 碼頭系船柱布置示意表

2.2 護舷選用

基于船舶靠泊有效撞擊能量計算，護舷選用SHIBATA 公司制造的SS2000 型護舷，假定其中心線高程為+5.4 m MLWS，護舷反力1 600 kN（壓縮變形52.5 %時的反作用力）。護舷擋板表面為封閉箱形鋼板，平面尺寸為2 820 mm x 5 750 mm。

2.3 工況設置

碼頭設計使用年限為50 年，要求系泊作業(yè)保證率為99 %，主要輸入條件如下：①一年重現(xiàn)期風浪，主浪向為東北向，同步考慮一年重現(xiàn)期涌浪；②風荷載取超越概率1 %的風速（20 節(jié)），風向360°全方向考慮；③水位波動范圍取平均高潮位到平均低潮位之間，以模擬不同潮位下的纜繩與水平面夾角；④不考慮雙側(cè)靠船泊位對風浪的衰減效果；⑤該船型共配置24 個絞盤，絞盤力的先張力取纜繩破斷力的10 %（13.7 t）。

3 結(jié)果分析

表4 所示為系泊纜繩的最大準靜態(tài)系泊纜繩力，圖4 為4 個工況條件下纜繩力統(tǒng)計柱狀圖，結(jié)果分析如下：

表4 工況設置

圖4 各工況24 組纜繩力柱狀圖

1）西側(cè)泊位兩個工況條件下的纜繩力最大值出現(xiàn)在艏纜位置處，分別達到了破斷力的27 %和28 %，東側(cè)泊位兩個工況條件下的纜繩力最大值出現(xiàn)在艏纜和艉倒纜位置處，分別達到了破斷力的 34 %和31 %；

2）西側(cè)泊位兩個工況條件下，纜繩破斷力的平均值分別為29.9 t 和28.3 t，東側(cè)泊位工況3 條件下纜繩受力較大，艉纜及艉橫纜處最大受力46 t，纜繩力的平均值達到了34.7 t。

表5 各工況24 組纜繩力與破斷力之比

4 結(jié)語

通過模擬分析，結(jié)果表明，此船型系泊系統(tǒng)兩側(cè)泊位都可以滿足碼頭全年靠泊作業(yè)99 %保證率的使用要求，主要結(jié)論如下；

1）所有纜繩受力均不超過破斷力額定值的 50 %，護舷反力小于設計最大反力，最大系船柱受力最大值93 t，小于設計值100 t。此外，無論是橫移和縱移船舶運動量都遠小于1 m；

2）船型受風面積大，所以風荷載是控制荷載，當?shù)仫L速資料顯示超越概率1 %的30 平均風速值為20 節(jié)，分析結(jié)果表明該風速條件可以滿足99 %保證率使用要求；

3）兩側(cè)泊位的纜繩采取非對稱布置，西側(cè)靠船時，西向海流將船舶推向碼頭方向，東側(cè)靠泊時則相反，因此東側(cè)系船柱受力較大，分析結(jié)果也驗證了這一點，東側(cè)泊位最大系泊力超越西側(cè)受力最大的艏纜約20 %；

此分析研究是僅考慮單側(cè)靠泊的情況下，雙側(cè)同時靠泊時，船體對風和流的掩護效應會減弱總的外部荷載，因此對靠泊安全是有利的，后續(xù)可以此為出發(fā)點繼續(xù)優(yōu)化該船型雙側(cè)靠泊時的系泊方案，進而優(yōu)化靠泊時間，降低港口能耗、減少排放，同時節(jié)約進出港成本。