工程船远洋运输绑扎固定设计载荷 规范计算方法概述
江新伟 王南海
摘 要：绑扎固定设计载荷是工程船远洋运输保证安全的重要因素，也直接影响到整个远洋运输方案的经济性与否。本文结合DNV和ABS船级社规范，对工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的规范计算方法和步骤作了介绍，研究并归纳总结出了一套通用可行的计算流程，为绑扎固定结构的详细设计提供了理论数据支持。
关键词：绑扎固定；设计载荷；规范计算；远洋运输
中图分类号：[U-9] 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0071-03
传统结构物的海上运输，比如导管架、上部组块等，绑扎固定设计载荷是基于专业的海洋工程设计软件直接计算得到的。
对于大型工程船等浮体货物而言，通常采用半潜船干拖的方式进行远洋运输。浮体货物的特殊结构形式，直接决定了不能直接计算得到绑扎固定设计载荷的特点。
本文旨在根据以往实际项目施工中的一些经验，并结合DNV和ABS船级社的规范要求，就工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的规范计算方法和步骤作简单介绍。
1结构物绑扎固定载荷的直接计算
传统结构物海上运输绑扎固定设计载荷，通常使用MOSES和SACS软件直接计算得到，其载荷主要组成如下：惯性载荷、风载荷。
传统结构物的底部支撑腿的面积较小，且支撑高度较高，海上运输过程中比较容易发生倾覆。因此，绑扎固定设计载荷计算时，通常使用斜拉筋形式的固定结构，同时考虑了对底部支撑腿的弯矩载荷的影响。此情况下，可以使用SACS软件直接计算结构物绑扎固定设计载荷以及进行详细支撑结构设计。基本步骤如下：①首先使用MOSES软件创建船舶模型，参考船舶装载手册调整船舶的重量分布；②按照设计方案，将结构物的重量重心、受风面积等信息加载到模型对应位置，并调整压载舱压载水布置方案至船舶平衡状态；③计算船舶与货物整体的稳性和船舶的总纵强度，确保其满足DNV规范的相关要求；④使用上述满足规范要求的MOSES模型，加载波浪和风环境载荷，计算结构物重量重心处的运动相应，并提取各个方向的运动加速度；⑤使用SACS软件建立整体结构模型，将上述步骤计算得到的加速度加载到整体结构模型中，直接计算绑扎固定设计载荷，并参考相关规范的要求，同时对绑扎固定结构进行详细设计。
2工程船绑扎固定结构设计的理念
對于工程船等浮体货物远洋运输绑扎固定设计载荷，其基本组成部分与传统结构物相同，即：惯性载荷、风载荷。
工程船的底部通常由枕木支撑，且支撑面积较大，枕木使用固定结构固定在半潜船甲板上。海上运输过程中，与传统结构物相比较而言，其发生倾覆的可能性更小。但是工程船结构较为复杂，创建整体结构模型工作量大，且工程船远洋运输绑扎固定结构设计的理念与传统结构物海上运输绑扎固定结构设计的理念不同[1]：
（1）半潜船在波浪载荷的作用下会发生中拱或中垂，货物与半潜船甲板之间存在一定的相对运动。绑扎固定结构设计时，需要释放此部分相对位移产生的载荷；同时，还需满足在发生最大相对位移时，绑扎固定结构仍可以起到限制货物运动的作用；
（2）绑扎固定结构只允许承受单方向的正向压力；
（3）货物在垂直方向不设计绑扎固定结构；
（4）工程船的绑扎固定结构，通常设计在底部，其设计载荷只考虑工程船的水平运动载荷，而弯矩载荷不予考虑；
（5）绑扎固定结构通常做成标准件的形式，根据工程船固定设计载荷计算结果与标准件单件的设计承载力进行数量和类型组合。
综合以上设计理念，对于工程船远洋运输而言，通常采用规范计算的方法迭加固定载荷的各个组成部分，从而求解得到最终的绑扎固定设计载荷。
3工程船绑扎固定载荷的规范计算
3.1风载荷规范计算
对于工程船远洋运输而言，绑扎固定设计载荷中的风载荷组成部分，通常采用规范计算的方法求解得到。
美国船级社（ABS）规范规定，其风速计算参考基准面为距离海平面以上15.3m处，且需要同时考虑以下两种风速：
（1）平均风速：持续时间为1小时；
（2）阵风风速：持续时间为1分钟。
参考美国石油协会（API）规范中给出的风速计算公式，可以进行不同高度处、不同持续时间范围的风速转化[4]。
为了简化风载荷的计算过程，ABS规范中引入了形状系数和高度系数的概念，以此来表述构件形状、构件不同高度对风载荷大小的影响。表1中列举出了典型常用结构的形状系数；表2列举出了不同高度处的高度系数取值范围，其高度数值取构件形心至海平面的垂直距离[2]。
目前，ABS规范给出风压计算公式[2]～[3]：
Fw=fVk2Ch Cs A/1000 （1）
式中，
f：风压系数，取0.0623；
Cs：构件的形状系数，见表1；
Ch：构件的高度系数，见表2；
A：受风构件在迎风向的投影面积；
Vk：设计风速。
3.2风倾载荷计算
在持续风载荷的作用下，工程船与半潜船整体会发生一个小角度的横倾角。横倾角计算时，使用MOSES软件进行计算，并同时考虑上述两种风速。当半潜船出现横倾角时，工程船重量在横向会有一个与半潜船甲板平行的分量，即风倾载荷：
Fθ=W×sinθ （2）
式中，
W：工程船重量；
θ：半潜船横倾角度。
3.3惯性载荷计算
工程船惯性载荷的计算方法，与常规结构物类似，即先由MOSES软件计算由于船舶运动效应在工程船重心处产生的6个自由度的最大加速度：横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇；然后，使用2个平动自由加速度（横荡和纵荡）分别计算出由加速度产生的横向和纵向惯性载荷，而垂荡加速度则用来计算工程船与枕木之间的摩擦力，此部分内容后续做详细介绍。其中，3个转动加速度（横摇、纵摇和首摇）产生的惯性载荷，则用来校核枕木抗压强度，这里不做过多的叙述。
平动加速度产生的惯性力计算公式如下：
Facc=W×aacc （3）
式中，
W：工程船重量；
aacc：工程船平动加速度。
3.4枕木摩擦力计算
枕木除了为工程船提供垂向支撑外，同时还可以提供一定的摩擦力，用以抵消引起货物水平运动的部分载荷。工程船与枕木之间的摩擦力计算公式如下：
Ffric=W×fcoe×（1-av ） （4）
式中，
W：工程船重量；
fcoe：许用静摩擦系数；
av：工程船重心处的垂荡加速度。
另外，工程船与枕木之间的静摩擦系数大小，受到如下两个因素的影响，计算摩擦力时需要进行综合考虑：
（1）枕木的高度：当枕木高度不超过600mm时，在枕木长度方向和与枕木长度垂直的两个方向，静摩擦系数取相同的数值，均不折减；当枕木高度不小于900mm时，通常在与枕木长度垂直的方向设置钢结构侧向支撑，在枕木两个方向的静摩擦系数取相同的数值，同样不进行折减；当600mm<枕木高度<900mm，且枕木宽度不小于300mm时，与枕木长度垂直的方向，静摩擦系数需要进行折减，折减之后的静摩擦系数，按照如下公式计算[1]：
（2）工程船在船侧方向的最大自由悬臂长度：如果工程船横向尺寸较半潜船船宽尺寸大且重量较重，超过一定数值时，其与枕木之间的最大静摩擦系数会相应渐渐。最大许用静摩擦系数与自由悬臂、工程船重量的关系定义如下表所示[1]。
3.5工程船固定设计极限载荷计算
使用上述计算得到的货物风载荷、风倾载荷、惯性载荷，以及摩擦力计算结果，参考DNV规范中的载荷迭加公式，进行求解货物运动极限荷载，其计算公式如下[1]：
（1）横向（船宽方向）：
式中，Fdyn=Feθ-Fmθ+Few-Fmw
Fmθ：平均风产生的横向风倾载荷；
Feθ：阵风产生的横向风倾载荷；
Fmw：平均风产生的横向风载荷；
Few：阵风产生的横向风载荷；
Facc： 横荡加速度产生的惯性载荷。
（2）纵向（船长方向）：
式中，
Fmw：平均风产生的纵向风载荷；
Few：阵风产生的纵向风载荷；
Facc：纵荡加速度产生的惯性载荷。
考虑枕木摩擦力的影响，工程船绑扎固定设计极限载荷按照如下公式计算：
工程船绑扎固定设计，需考虑最小设计载荷。参考DNV规范，绑扎固定设计载荷最小值详细规定见下表：
其中，W為工程船重量
（1）[NA]1≥（15-W/4000）%；
（2）[NA]2≥（7.5-W/4000）%；
（3）[NA]3≥（3.5-W/20000）%。
综上所述：取上述计算得到的极限载荷Fe-force 与按照规范要求计算得到的最小设计载荷两者中的较大值，并以此作为最终的工程船绑扎固定设计所需的计算载荷。
4结论
本文通过对比传统结构物海上运输与工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的计算流程，并结合DNV和ABS船级社规范，对工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的规范计算方法和步骤做了介绍。
此规范计算流程涉及的计算载荷较多，包括风载荷、风倾载荷、惯性载荷和摩擦力，各部分载荷计算之间是彼此联系、逐级计算的；此计算流程参考的规范也较多，既用到API、ABS等常用海洋工程规范，也涉及到浮体货物海上运输方案设计的DNV规范。另外，此规范计算过程也涉及到水动力理论的应用，需要使用到浮体专业计算软件MOSES的辅助来求解运动加速度。
此工程船远洋运输绑扎固定设计载荷规范计算流程，经过了以往实际项目经验的验证，并为绑扎固定结构的详细设计提供了理论数据支持，其计算方法和步骤是可行且有效的。
参考文献：
[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.
[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.
[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移动式平台上的风载荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.
[4] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design， 21st Edition， 2007.
摘 要：绑扎固定设计载荷是工程船远洋运输保证安全的重要因素，也直接影响到整个远洋运输方案的经济性与否。本文结合DNV和ABS船级社规范，对工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的规范计算方法和步骤作了介绍，研究并归纳总结出了一套通用可行的计算流程，为绑扎固定结构的详细设计提供了理论数据支持。
关键词：绑扎固定；设计载荷；规范计算；远洋运输
中图分类号：[U-9] 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0071-03
传统结构物的海上运输，比如导管架、上部组块等，绑扎固定设计载荷是基于专业的海洋工程设计软件直接计算得到的。
对于大型工程船等浮体货物而言，通常采用半潜船干拖的方式进行远洋运输。浮体货物的特殊结构形式，直接决定了不能直接计算得到绑扎固定设计载荷的特点。
本文旨在根据以往实际项目施工中的一些经验，并结合DNV和ABS船级社的规范要求，就工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的规范计算方法和步骤作简单介绍。
1结构物绑扎固定载荷的直接计算
传统结构物海上运输绑扎固定设计载荷，通常使用MOSES和SACS软件直接计算得到，其载荷主要组成如下：惯性载荷、风载荷。
传统结构物的底部支撑腿的面积较小，且支撑高度较高，海上运输过程中比较容易发生倾覆。因此，绑扎固定设计载荷计算时，通常使用斜拉筋形式的固定结构，同时考虑了对底部支撑腿的弯矩载荷的影响。此情况下，可以使用SACS软件直接计算结构物绑扎固定设计载荷以及进行详细支撑结构设计。基本步骤如下：①首先使用MOSES软件创建船舶模型，参考船舶装载手册调整船舶的重量分布；②按照设计方案，将结构物的重量重心、受风面积等信息加载到模型对应位置，并调整压载舱压载水布置方案至船舶平衡状态；③计算船舶与货物整体的稳性和船舶的总纵强度，确保其满足DNV规范的相关要求；④使用上述满足规范要求的MOSES模型，加载波浪和风环境载荷，计算结构物重量重心处的运动相应，并提取各个方向的运动加速度；⑤使用SACS软件建立整体结构模型，将上述步骤计算得到的加速度加载到整体结构模型中，直接计算绑扎固定设计载荷，并参考相关规范的要求，同时对绑扎固定结构进行详细设计。
2工程船绑扎固定结构设计的理念
對于工程船等浮体货物远洋运输绑扎固定设计载荷，其基本组成部分与传统结构物相同，即：惯性载荷、风载荷。
工程船的底部通常由枕木支撑，且支撑面积较大，枕木使用固定结构固定在半潜船甲板上。海上运输过程中，与传统结构物相比较而言，其发生倾覆的可能性更小。但是工程船结构较为复杂，创建整体结构模型工作量大，且工程船远洋运输绑扎固定结构设计的理念与传统结构物海上运输绑扎固定结构设计的理念不同[1]：
（1）半潜船在波浪载荷的作用下会发生中拱或中垂，货物与半潜船甲板之间存在一定的相对运动。绑扎固定结构设计时，需要释放此部分相对位移产生的载荷；同时，还需满足在发生最大相对位移时，绑扎固定结构仍可以起到限制货物运动的作用；
（2）绑扎固定结构只允许承受单方向的正向压力；
（3）货物在垂直方向不设计绑扎固定结构；
（4）工程船的绑扎固定结构，通常设计在底部，其设计载荷只考虑工程船的水平运动载荷，而弯矩载荷不予考虑；
（5）绑扎固定结构通常做成标准件的形式，根据工程船固定设计载荷计算结果与标准件单件的设计承载力进行数量和类型组合。
综合以上设计理念，对于工程船远洋运输而言，通常采用规范计算的方法迭加固定载荷的各个组成部分，从而求解得到最终的绑扎固定设计载荷。
3工程船绑扎固定载荷的规范计算
3.1风载荷规范计算
对于工程船远洋运输而言，绑扎固定设计载荷中的风载荷组成部分，通常采用规范计算的方法求解得到。
美国船级社（ABS）规范规定，其风速计算参考基准面为距离海平面以上15.3m处，且需要同时考虑以下两种风速：
（1）平均风速：持续时间为1小时；
（2）阵风风速：持续时间为1分钟。
参考美国石油协会（API）规范中给出的风速计算公式，可以进行不同高度处、不同持续时间范围的风速转化[4]。
为了简化风载荷的计算过程，ABS规范中引入了形状系数和高度系数的概念，以此来表述构件形状、构件不同高度对风载荷大小的影响。表1中列举出了典型常用结构的形状系数；表2列举出了不同高度处的高度系数取值范围，其高度数值取构件形心至海平面的垂直距离[2]。
目前，ABS规范给出风压计算公式[2]～[3]：
Fw=fVk2Ch Cs A/1000 （1）
式中，
f：风压系数，取0.0623；
Cs：构件的形状系数，见表1；
Ch：构件的高度系数，见表2；
A：受风构件在迎风向的投影面积；
Vk：设计风速。
3.2风倾载荷计算
在持续风载荷的作用下，工程船与半潜船整体会发生一个小角度的横倾角。横倾角计算时，使用MOSES软件进行计算，并同时考虑上述两种风速。当半潜船出现横倾角时，工程船重量在横向会有一个与半潜船甲板平行的分量，即风倾载荷：
Fθ=W×sinθ （2）
式中，
W：工程船重量；
θ：半潜船横倾角度。
3.3惯性载荷计算
工程船惯性载荷的计算方法，与常规结构物类似，即先由MOSES软件计算由于船舶运动效应在工程船重心处产生的6个自由度的最大加速度：横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇；然后，使用2个平动自由加速度（横荡和纵荡）分别计算出由加速度产生的横向和纵向惯性载荷，而垂荡加速度则用来计算工程船与枕木之间的摩擦力，此部分内容后续做详细介绍。其中，3个转动加速度（横摇、纵摇和首摇）产生的惯性载荷，则用来校核枕木抗压强度，这里不做过多的叙述。
平动加速度产生的惯性力计算公式如下：
Facc=W×aacc （3）
式中，
W：工程船重量；
aacc：工程船平动加速度。
3.4枕木摩擦力计算
枕木除了为工程船提供垂向支撑外，同时还可以提供一定的摩擦力，用以抵消引起货物水平运动的部分载荷。工程船与枕木之间的摩擦力计算公式如下：
Ffric=W×fcoe×（1-av ） （4）
式中，
W：工程船重量；
fcoe：许用静摩擦系数；
av：工程船重心处的垂荡加速度。
另外，工程船与枕木之间的静摩擦系数大小，受到如下两个因素的影响，计算摩擦力时需要进行综合考虑：
（1）枕木的高度：当枕木高度不超过600mm时，在枕木长度方向和与枕木长度垂直的两个方向，静摩擦系数取相同的数值，均不折减；当枕木高度不小于900mm时，通常在与枕木长度垂直的方向设置钢结构侧向支撑，在枕木两个方向的静摩擦系数取相同的数值，同样不进行折减；当600mm<枕木高度<900mm，且枕木宽度不小于300mm时，与枕木长度垂直的方向，静摩擦系数需要进行折减，折减之后的静摩擦系数，按照如下公式计算[1]：
（2）工程船在船侧方向的最大自由悬臂长度：如果工程船横向尺寸较半潜船船宽尺寸大且重量较重，超过一定数值时，其与枕木之间的最大静摩擦系数会相应渐渐。最大许用静摩擦系数与自由悬臂、工程船重量的关系定义如下表所示[1]。
3.5工程船固定设计极限载荷计算
使用上述计算得到的货物风载荷、风倾载荷、惯性载荷，以及摩擦力计算结果，参考DNV规范中的载荷迭加公式，进行求解货物运动极限荷载，其计算公式如下[1]：
（1）横向（船宽方向）：
式中，Fdyn=Feθ-Fmθ+Few-Fmw
Fmθ：平均风产生的横向风倾载荷；
Feθ：阵风产生的横向风倾载荷；
Fmw：平均风产生的横向风载荷；
Few：阵风产生的横向风载荷；
Facc： 横荡加速度产生的惯性载荷。
（2）纵向（船长方向）：
式中，
Fmw：平均风产生的纵向风载荷；
Few：阵风产生的纵向风载荷；
Facc：纵荡加速度产生的惯性载荷。
考虑枕木摩擦力的影响，工程船绑扎固定设计极限载荷按照如下公式计算：
工程船绑扎固定设计，需考虑最小设计载荷。参考DNV规范，绑扎固定设计载荷最小值详细规定见下表：
其中，W為工程船重量
（1）[NA]1≥（15-W/4000）%；
（2）[NA]2≥（7.5-W/4000）%；
（3）[NA]3≥（3.5-W/20000）%。
综上所述：取上述计算得到的极限载荷Fe-force 与按照规范要求计算得到的最小设计载荷两者中的较大值，并以此作为最终的工程船绑扎固定设计所需的计算载荷。
4结论
本文通过对比传统结构物海上运输与工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的计算流程，并结合DNV和ABS船级社规范，对工程船远洋运输绑扎固定设计载荷的规范计算方法和步骤做了介绍。
此规范计算流程涉及的计算载荷较多，包括风载荷、风倾载荷、惯性载荷和摩擦力，各部分载荷计算之间是彼此联系、逐级计算的；此计算流程参考的规范也较多，既用到API、ABS等常用海洋工程规范，也涉及到浮体货物海上运输方案设计的DNV规范。另外，此规范计算过程也涉及到水动力理论的应用，需要使用到浮体专业计算软件MOSES的辅助来求解运动加速度。
此工程船远洋运输绑扎固定设计载荷规范计算流程，经过了以往实际项目经验的验证，并为绑扎固定结构的详细设计提供了理论数据支持，其计算方法和步骤是可行且有效的。
参考文献：
[1] Det Norske Veritas， 0030/ND Guidelines for Marine Transportations.
[2] American Bureau of Shipping， Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]， 2017.
[3] 潘斌，苑金民.作用在海洋移动式平台上的风载荷[J].海洋工程，1997，15（2）：32-37.
[4] API-RP-2A-WSD， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design， 21st Edition， 2007.
