王禹龍,上官子昌,董榅鍵,齊 晴

(大連海洋大學海洋與土木工程學院,遼寧大連116023)

3.2 改進二階矩的可靠度分析

在極限狀態(tài)方程中,包括極值Ⅰ型分布變量與正態(tài)分布變量。在對極值Ⅰ型分布的隨機變量利用R-F法“當量正態(tài)化”后可迭代計算可靠度指標。

臺風作用下港內(nèi)單錨系泊漁船錨鏈可靠度分析

王禹龍,上官子昌,董榅鍵,齊 晴

(大連海洋大學海洋與土木工程學院,遼寧大連116023)

為檢驗臺風作用下單錨系泊漁船錨鏈的可靠度指標,采用統(tǒng)計分析方法測量了5組不同直徑電焊有檔錨鏈的直徑,根據(jù)臺風Ketsana引起的風浪流聯(lián)合作用下環(huán)境荷載數(shù)據(jù)進行模擬,并利用改進的二階矩法對結構所受荷載進行分析,得出5組不同直徑(12.5、16.0、19.0、20.5、22.0 mm)錨鏈在系泊力作用下的可靠指標與失效概率,并進一步對漁船錨鏈設計提出優(yōu)化。研究表明,參考鋼結構承載力安全指標,對臺風來臨時的風浪流數(shù)據(jù)及錨鏈結構進行可靠性分析,可有效提高漁船防災時錨泊安全性。

漁船防災;單錨系泊;錨鏈;可靠度分析

中國是世界漁業(yè)大國,2009年末各類海洋漁業(yè)船舶數(shù)已達31萬余艘,位居世界首位。錨泊設備是漁船上的重要設備之一,其性能直接影響到漁船的安全性和操作性,2015年相關規(guī)范中在錨鏈的基礎上新增了鋼絲纜繩,以適應漁船作業(yè)。近年來,臺風災害常會對漁船的安全停泊造成巨大破壞,即便是在10級或更低等級風力下也發(fā)生過漁船傾覆或走錨。利用可靠度分析漁業(yè)設施安全指標始于20世紀60年代初,樓文高[1]利用可靠度壽命設計理論確定了漁船鋼絲繩直徑的設計值,相比傳統(tǒng)安全系數(shù)法更為合理。隨著船舶及航運技術的發(fā)展,可靠度分析被越來越多的應用于大型船舶系泊系統(tǒng)。王丹[2]引入優(yōu)化分析方法,利用懸鏈理論方程對錨泊系統(tǒng)進行靜力分析,取得實踐上的進展。陳昌松[3]將系泊系統(tǒng)應用于深海災害環(huán)境,分析其結構的可靠度,并對多因素變量展開了敏感性分析。鄭常新[4]在研究深海錨泊系統(tǒng)的過程中,對錨鏈進行了疲勞損傷評估,從動力學角度分析了由荷載引起的失效破壞。羅翔[5]將錨鏈看作不同分布造成不同腐蝕模型構成的串聯(lián)系統(tǒng),串聯(lián)模型可避免構件對使用性能的過多影響。

目前,國內(nèi)外在對漁業(yè)設施構件設計中,從結構可靠度角度分析的研究較少,海運船舶設施呈現(xiàn)系統(tǒng)化發(fā)展,漁船規(guī)模的大型化、技術化也將是必然趨勢?，F(xiàn)階段,對漁船錨鏈在錨泊時受極端環(huán)境荷載作用下可靠度分析的研究缺乏,因此,對臺風期間漁船錨鏈的可靠度進行分析有著重要的意義。

本研究中,以447.42 kW漁船為例,根據(jù)5組有檔錨鏈直徑資料與臺風Ketsana作用海域風浪流的數(shù)據(jù),分析結構抗力與環(huán)境荷載,利用改進二階矩的構件可靠度分析方法分析荷載,最后確定漁船的合理單錨系泊錨鏈直徑,以期為提高漁船防災時的安全性提供數(shù)據(jù)參考。

1 環(huán)境荷載

錨鏈結構所受荷載除重力外,控制荷載主要為臺風引起的風、浪、流對漁船作用帶來的系泊力。本研究中,環(huán)境荷載數(shù)據(jù)由觀測點實際觀測數(shù)據(jù)與波浪模擬數(shù)據(jù)組成,模擬數(shù)據(jù)依據(jù)荷蘭Delft理工大學基于第三代風浪模式建立的Simulating WAves Nearshore[6]近海淺水風浪數(shù)值模型(簡稱SWAN模式),張亮[7]通過對比得出SWAN模式模擬值與實測值擬合較好的結論,可適應復雜的南海環(huán)境。

漁船在漁港內(nèi)停泊一般采用簡單的單錨系泊方式,可多船并排錨泊。在港內(nèi)短暫停留的船也可靠在拋錨的船上,不需每艘船單獨錨泊[8-9]。單點系泊通常是指船舶通過艏(艉)的系纜索與船錨相連接。系泊的漁船可繞著單點做360°旋轉,并隨環(huán)境荷載的變化向產(chǎn)生最小外力的方向自動調整方位[10],故作用在單點上的系泊力能夠保持最小。

根據(jù)單錨系泊漁船的最小受力原則,風、浪、流作用方向與系泊力共面,建立外力平衡方程:

其中:F為系泊力(kN);Fwi、Fwa、Fcu分別為風、波浪和流作用于漁船的荷載(kN)。

由于單錨系泊漁船在臺風作用下,系泊力受海浪周期作用效果沖擊十分顯著,浪與流對漁船的作用會高于簡單的線性疊加。目前對“風+流”、“風+浪”的研究已十分成熟,本研究中“風+浪+流”模型的計算公式參考文獻[11-13]中的公式,并引入流偏蕩系數(shù)[14]計算各項荷載。在臺風引起的波浪流聯(lián)合作用下,漁船單錨系泊力隨臺風時段的變化如圖1所示。從圖1可見,系泊力在34 h時開始陡然增加,在50 h時出現(xiàn)極值,80 h時明顯減弱。臺風Ketsana于西南太平洋洋面生成,風圈半徑在36 h時影響到觀測點,在48 h時升級為熱帶強風暴,在50 h時升級為臺風,在80 h時離開觀測點。系泊力歷時變化與臺風強度變化基本一致。

圖1 系泊力歷時變化直方圖Fig.1 Histogram distributions ofmooring force during typhoon period

利用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計系泊力的分布頻率,結果如圖2所示,直方圖右側分別為樣本平均值(mx)、樣本標準差(σx)和樣本容量(N),下同。

由極值Ⅰ型頻率分布函數(shù)可計算極值Ⅰ型參數(shù)α、u,其計算公式為

其中:α、u為極值Ⅰ型分布方差和均值。即環(huán)境荷載效應(S)服從參數(shù)α、u分別為0.0978、5.7595的極值Ⅰ型分布。

在對系泊力隨臺風歷時變化的分析中可發(fā)現(xiàn),風對系泊力的影響大于波浪和流對系泊力的影響。這是由于漁船體積較小,受風面積占船身面積比例較大的緣故。因為漁港有防波堤作為屏障,外海海浪雖然較大,但不易侵入,漁船在港內(nèi)錨泊時處在淺水區(qū)并且掩護條件良好,故隨風速增大,港內(nèi)波高增高,流速增加,系泊力受臺風影響逐漸增大。

圖2 系泊力分布頻率直方圖Fig.2 Frequency histogram distributions of mooring force

2 結構抗力的統(tǒng)計分析

漁船用錨鏈普遍為電焊有檔錨鏈,因其抗拉強度大,船上一般采用有檔鏈環(huán)的錨環(huán),電焊錨鏈質量較好,成本也較低,已得到廣泛應用。錨鏈荷載分為拉伸、扭轉、彎曲3種形式,其中拉伸最為普遍。錨鏈損傷有腐蝕、磨損、疲勞和斷裂等類型,在短期沖擊荷載作用下,錨鏈損傷以斷裂為主。漁船在港內(nèi)臺風荷載條件下停泊,錨鏈的受力主要來自于漁船系泊力與自身重力,受力類型為拉伸力,由于錨鏈具有扭矩自平衡性,扭轉情況很少發(fā)生,而損傷類型主要為錨鏈拉伸斷裂。

通過對有檔錨鏈結構曲梁進行靜定求解,根據(jù)曲梁理論[15],直拉伸為最危險的受力情況,且斷口截面發(fā)生在錨鏈兩端。如圖3所示,極限狀態(tài)時鏈環(huán)極限應力為

其中,σb、σf、σP、C(d)、F和A分別為抗拉強度、抗拉極限應力、名義應力、拉應力函數(shù)和鏈環(huán)圓截面面積。

圖3 鏈環(huán)邊界應力分布示意圖Fig.3 Distribution diagram of chain boundary stress

為統(tǒng)計錨鏈結構抗力,需對錨鏈進行測量,統(tǒng)計出其容許拉力。以鋼質海洋漁船建造規(guī)范中對錨鏈的設計準則作為參考值選取樣本,樣本容量為100,試驗選取直徑(d)分別為12.5、16.0、19.0、20.5、22.0 mm的5組錨鏈鏈環(huán),利用公式(3)～(5),在假定錨鏈鏈環(huán)符合鋼材規(guī)范的情況下,計算并繪出各組直徑鏈環(huán)的容許拉力分布直方圖,如圖4所示。

圖4 極限狀態(tài)下不同直徑的鏈環(huán)容許拉力分布頻率圖Fig.4 Frequency histogram distributions of different diameter chain tension in the lim it state

3 錨鏈結構可靠度分析

3.1 極限狀態(tài)方程及可靠度指標

當錨鏈結構系統(tǒng)在受臺風作用時,若有任一枚鏈環(huán)受系泊拉力作用出現(xiàn)斷口而造成錨鏈斷開,就會影響單錨系泊漁船的正常系泊,致使結構失效,此狀態(tài)被視為極限狀態(tài)。

在極限狀態(tài)錨鏈鏈環(huán)靜力分析中,環(huán)境荷載與結構抗力兩變量呈線性關系,結構極限狀態(tài)方程為

結構的失效概率(Pf)、可靠度指標(β)為

3.2 改進二階矩的可靠度分析

在極限狀態(tài)方程中,包括極值Ⅰ型分布變量與正態(tài)分布變量。在對極值Ⅰ型分布的隨機變量利用R-F法“當量正態(tài)化”后可迭代計算可靠度指標。

迭代計算的各直徑鏈環(huán)極限狀態(tài)R*、S*與β值如表1所示。

4 結論

本研究中,通過對臺風影響下漁船系泊期間各種環(huán)境因素的統(tǒng)計,計算了錨鏈在臺風荷載下的可靠度。在可靠度校核時,以鋼質海洋漁船建造規(guī)范中對錨鏈的設計準則為參考值,通過計算并與“規(guī)范”比對,分析得出以下結論。

(1)系泊力是由風荷載、浪荷載與流荷載聯(lián)合作用在漁船上的結果。波浪、海流均在臺風作用下等時效地對漁船施加作用,荷載效應與作用在土木結構上風荷載分布相似,臺風荷載作用下的系泊力與風荷載均呈極值Ⅰ型分布,因此,聯(lián)合荷載作用中風荷載起了主導作用,波浪與流荷載因風荷載影響,對系泊力作用較小。

(2)表1的計算結果中,可靠度指標最低的錨鏈鏈環(huán)直徑為12.5 mm,在聯(lián)合荷載作用下的可靠度指標β=2.0480,相應的是小概率Pf=0.0203。12.5 mm錨鏈可靠度指標β低于構件承載能力極限狀態(tài)的設計安全指標。因此,在應對臺風單錨系泊中不應以規(guī)范要求設計準則作為參考。

表1 計算結果匯總表Tab.1 Summary of calcu lation resu lts

(3)錨鏈鏈環(huán)直徑d=20.5 mm與d=22.0 mm的錨鏈可靠度指標β均大于4,失效概率已經(jīng)減小到一個很小的數(shù)量級。所以從可靠度分析的角度出發(fā),較粗錨鏈已經(jīng)不是經(jīng)濟的選擇,但考慮聯(lián)合荷載對錨鏈作用起到的疲勞效果,以及海水對錨鏈的侵蝕效果,如此選擇是頗為安全的做法。

顯然,在臺風作用下,根據(jù)規(guī)范要求的錨鏈配備安全等級不能滿足本研究計算的可靠度指標要求。同時,現(xiàn)場調查中發(fā)現(xiàn),單錨系泊的漁船并排系泊時,漁船間的顛簸會相互傳遞并放大,聯(lián)合荷載作用對錨鏈的荷載效應可能會成倍增加。

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Structural reliability of fishing chains at a single anchor in fishing port under typhoon calam ity

WANG Yu-long,SHANGGUAN Zi-chang,DONGWen-jian,QIQing
(College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The equation“Quinn”and the equations in the standard were utilized to calculate themooring force of 447.42 kW boats under typhoon calamity with wind,wave and current to evaluate fishing boatsmooring force.The“equivalent normalized”extreme value distribution of type Imooring forcewas estimated,and then reliability index and failure probability of 12.5,16.0,19.0,20.5,22.0 mm chain were calculated.Base on bearing capacity of safety indicators,the design standard in code was lower than security requirements,indicating that designers should pay attentions to fishingmooring chain reliability to improve fishing disaster preventions and mitigation.

disaster prevention in fishing boat;single anchormooring;anchor chain;reliability analysis

U653.2

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.06.018

2095-1388(2016)06-0692-04

2015-10-17

海洋公益性行業(yè)科研專項(201405025)

王禹龍(1989—),男,助理工程師。E-mail:wangyulong@dlou.edu.cn

上官子昌(1959—),男,教授。E-mail:shangguan@dlou.edu.cn