地面式单点浮筒系泊防台沉块的质量
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摘要：为研究地面式单点浮筒系泊防台沉块的质量，介绍地面式单点浮筒系泊防台方式，选取3种在风、浪、流作用下的船舶受力模型。以海南省洋浦港的3艘海巡艇为实例，通过3种模型的计算结果与实际情况的对比，选取与实际情况最匹配的模型，并对模型中波浪荷载进行优化，提出地面式单点浮筒系泊防台优化模型。根据优化模型，运用MATLAB对洋浦港的3艘海巡艇在采用地面式单点浮筒系泊防台时所需沉块的质量等进行研究，为地面式单点浮筒系泊防台的实际操作提供依据。
关键词：单点浮筒; 系泊防台; 地面式浮筒系泊; 沉块质量
中图分类号： U653.2
文献标志码： A
Abstract：In order to study the sinker mass of the ground single point buoy mooring against typhoon， the mode of the ground single point buoy mooring against typhoon is introduced， and three models of ships under wind， wave and current are selected. Three marine patrol boats in Yangpu Port of Hainan province are taken as examples. By comparing the calculation results of three models with the actual situation， the model that matches the actual situation best is selected， and the wave load in the model is optimized. An optimization model of the ground single point buoy mooring against typhoon is proposed. According to the optimization model， sinker mass needed by the 3 marine patrol boats in Yangpu Port using the ground single point buoy mooring against typhoon is studied by MATLAB. It provides the basis for the practical operation of the ground single point buoy mooring against typhoon.
Key words：single point buoy; mooring against typhoon; ground buoy mooring; sinker mass
0 引 言
在台风季节，船舶的防台安全是一个不容忽视的问题。船舶浮筒系泊防台主要分为单点系泊和多点系泊两种，而单点浮筒系泊又分为埋入式和地面式两种。国内外对船舶浮筒系泊防台开展了大量研究，但主要涉及影响船舶运动状态的相关外部因素，如风、浪、流以及浮筒、锚链、缆绳受力等因素。对埋入式单点浮筒系泊的研究主要是水鼓、锚链、缆绳等的受力分析，沉锤破土力分析，以及浮筒、沉锤设计等，而对地面式单点浮筒系泊和沉块质量等的研究，国内外均较欠缺[1-4]。
在地面式浮筒系泊船舶系泊力计算方面，本文引入修订前后的《防风系船水鼓》[5-6]中的计算模型和《港口工程荷载规范》[7]中的计算模型，对这3种模型中的波浪荷载进行优化，将3种模型的计算结果与实际情况进行對比，从而选出最接近实际的模型，最终提出地面式单点浮筒系泊防台优化模型。
1 地面式单点浮筒系泊防台方案分析
地面式单点浮筒系泊系统主要由浮筒、系船环、水下锚链和沉块组成，水下锚链的下端与沉块相连，上端的系船环穿过浮筒搁置在浮筒上。浮筒能360°旋转，仅限制系船环向下的自由度。当系船环承受拉力时，系船环（连同锚链）可被自由拔出浮筒。船舶锚链（缆绳）直接与系船环相连，系泊力直接通过系船环和水下锚链传递至锚碇系统。系泊状态下，浮筒基本不承受船舶系泊力，仅承受锚链方向改变引起的扭矩而发生一定的侧斜;非系泊状态下，浮筒承受水下锚链重量，其主要作用是提供浮力，以确保系船环停留于水面，便于船舶的系、脱缆作业[8]。
地面式单点浮筒铺设及换链都比较方便，沉块设置地点也可自行选择，但受起重能力的限制，沉块不能做得太大，否则起吊和移动不便，故地面式系泊防台方案一般用于小型船舶的系泊防台[9]。
1.1 锚链长度分析
由图3可知：根据加入波浪荷载后的文献[7]模型计算出的船舶系泊力最小;文献[5]模型由于是经验公式，加入波浪荷载后计算出的船舶系泊力最大;根据加入波浪荷载后的文献[6]模型计算出的船舶系泊力居中。
为验证3种新的计算模型的准确性与实用性，求取海巡11502号在13级台风下系泊时所需沉块质量，以便选取最准确、与实际最相符的计算模型。计算结果见图4。
根据实际情况，在2014年台风“海鸥”来临时海巡11502号系泊时采用了8 t沉块并未走锚，即对于海巡11502号，采用地面式单点浮筒系泊方案时，沉块质量的计算结果应小于8 t才与实际情况相符。由图4可知，仅加入波浪荷载后的文献[7]模型计算结果与海巡11502号的实际防台情况一致，故本文选取该模型作为最优计算模型。
4 地面式单点浮筒系泊沉块质量数值研究
运用上述最优模型，对海巡21号在台风期间系泊所需沉块质量进行计算，并运用编程软件将沉块质量及锚链、缆绳破断力随风速的变化情况显示出来。 4.1 参数设计
根据水文气象资料，台风风级在12级（32.7～36.9 m/s）与15级（46.2～50.9 m/s）之间。为便于比较分析，设置台风期间海巡艇系泊区的环境条件为：风速为15级风的最大风速，即50.9 m/s;浪高为3 m;水流速度为0.8 m/s。
在采用地面式单点浮筒系泊方案时，海巡21号所需沉块质量在38.9 t以上，缆绳破断力在343.98 kN以上，因此建议船舶系缆墩最大荷载在980 kN以上。
为全面准确地显示出所需沉块质量与风速之间的关系，运用MATLAB对浮筒系泊防台模型进行编程，选取风级在12级（32.7～36.9 m/s）与15级（46.2～50.9 m/s）之间变化，浪高为3 m，水流速度为0.8 m/s，得出地面式单点浮筒系泊方案下所需沉块质量与风速之间的的函数关系以及锚链、缆绳破断力与风速之间的函数关系，见图5和6。
由图5和6可知，当风速从12级最小值（32.7 m/s）向15级最大值（50.9 m/s）变化时，3种海巡艇所需的沉块质量以及锚链、缆绳受力均基本呈线性增加趋势，海巡11502号需要的最大沉块质量小于10 t，海巡1102号需要的最大沉块质量小于20 t，海巡21号需要的最大沉块质量小于40 t，而这3种海巡艇的锚链、缆绳受力最大均约为350 kN，具体沉块及缆绳参数设计如表7所示。
5 结 论
本文以海南省洋浦港内3艘海巡艇为研究实例，对地面式单点浮筒系泊防台方式进行研究分析，在结合实际情况选取计算模型后进行优化设计，提
出地面式单点浮筒系泊防台优化模型，并运用MATLAB对3艘海巡艇在采用地面式单点浮筒系泊防台时所需沉块质量进行研究，为地面式单点浮筒系泊防台的实际操作提供依据。
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（编辑 贾裙平）
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