摘要：为检验台风作用下单锚系泊渔船锚链的可靠度指标,采用统计分析方法测量了5组不同直径电焊有档锚链的直径,根据台风Ketsana引起的风浪流联合作用下环境荷载数据进行模拟,并利用改进的二阶矩法对结构所受荷载进行分析,得出5组不同直径(12.5、16.0、19.0、20.5、22.0 mm)锚链在系泊力作用下的可靠指标与失效概率,并进一步对渔船锚链设计提出优化。研究表明,参考钢结构承载力安全指标,对台风来临时的风浪流数据及锚链结构进行可靠性分析,可有效提高渔船防灾时锚泊安全性。
关键词：渔船防灾;单锚系泊;锚链;可靠度分析
中国是世界渔业大国,2009年末各类海洋渔业船舶数已达31万余艘,位居世界首位。锚泊设备是渔船上的重要设备之一,其性能直接影响到渔船的安全性和操作性,2015年相关规范中在锚链的基础上新增了钢丝缆绳,以适应渔船作业。近年来,台风灾害常会对渔船的安全停泊造成巨大破坏,即便是在10级或更低等级风力下也发生过渔船倾覆或走锚。利用可靠度分析渔业设施安全指标始于20世纪60年代初,楼文高[1]利用可靠度寿命设计理论确定了渔船钢丝绳直径的设计值,相比传统安全系数法更为合理。随着船舶及航运技术的发展,可靠度分析被越来越多的应用于大型船舶系泊系统。王丹[2]引入优化分析方法,利用悬链理论方程对锚泊系统进行静力分析,取得实践上的进展。陈昌松[3]将系泊系统应用于深海灾害环境,分析其结构的可靠度,并对多因素变量展开了敏感性分析。郑常新[4]在研究深海锚泊系统的过程中,对锚链进行了疲劳损伤评估,从动力学角度分析了由荷载引起的失效破坏。罗翔[5]将锚链看作不同分布造成不同腐蚀模型构成的串联系统,串联模型可避免构件对使用性能的过多影响。
目前,国内外在对渔业设施构件设计中,从结构可靠度角度分析的研究较少,海运船舶设施呈现系统化发展,渔船规模的大型化、技术化也将是必然趋势。现阶段,对渔船锚链在锚泊时受极端环境荷载作用下可靠度分析的研究缺乏,因此,对台风期间渔船锚链的可靠度进行分析有着重要的意义。
本研究中,以447.42 kW渔船为例,根据5组有档锚链直径资料与台风Ketsana作用海域风浪流的数据,分析结构抗力与环境荷载,利用改进二阶矩的构件可靠度分析方法分析荷载,最后确定渔船的合理单锚系泊锚链直径,以期为提高渔船防灾时的安全性提供数据参考。
锚链结构所受荷载除重力外,控制荷载主要为台风引起的风、浪、流对渔船作用带来的系泊力。本研究中,环境荷载数据由观测点实际观测数据与波浪模拟数据组成,模拟数据依据荷兰Delft理工大学基于第三代风浪模式建立的Simulating WAves Nearshore[6]近海浅水风浪数值模型(简称SWAN模式),张亮[7]通过对比得出SWAN模式模拟值与实测值拟合较好的结论,可适应复杂的南海环境。
渔船在渔港内停泊一般采用简单的单锚系泊方式,可多船并排锚泊。在港内短暂停留的船也可靠在抛锚的船上,不需每艘船单独锚泊[8-9]。单点系泊通常是指船舶通过艏(艉)的系缆索与船锚相连接。系泊的渔船可绕着单点做360°旋转,并随环境荷载的变化向产生最小外力的方向自动调整方位[10],故作用在单点上的系泊力能够保持最小。
根据单锚系泊渔船的最小受力原则,风、浪、流作用方向与系泊力共面,建立外力平衡方程:
其中:F为系泊力(kN);Fwi、Fwa、Fcu分别为风、波浪和流作用于渔船的荷载(kN)。
由于单锚系泊渔船在台风作用下,系泊力受海浪周期作用效果冲击十分显著,浪与流对渔船的作用会高于简单的线性叠加。目前对“风+流”、“风+浪”的研究已十分成熟,本研究中“风+浪+流”模型的计算公式参考文献[11-13]中的公式,并引入流偏荡系数[14]计算各项荷载。在台风引起的波浪流联合作用下,渔船单锚系泊力随台风时段的变化如图1所示。从图1可见,系泊力在34 h时开始陡然增加,在50 h时出现极值,80 h时明显减弱。台风Ketsana于西南太平洋洋面生成,风圈半径在36 h时影响到观测点,在48 h时升级为热带强风暴,在50 h时升级为台风,在80 h时离开观测点。系泊力历时变化与台风强度变化基本一致。
图1 系泊力历时变化直方图
Fig.1 Histogram distributions ofmooring force during typhoon period
利用SPSS 19.0软件统计系泊力的分布频率,结果如图2所示,直方图右侧分别为样本平均值(mx)、样本标准差(σx)和样本容量(N),下同。
由极值Ⅰ型频率分布函数可计算极值Ⅰ型参数α、u,其计算公式为
其中:α、u为极值Ⅰ型分布方差和均值。即环境荷载效应(S)服从参数α、u分别为0.0978、5.7595的极值Ⅰ型分布。
在对系泊力随台风历时变化的分析中可发现,风对系泊力的影响大于波浪和流对系泊力的影响。这是由于渔船体积较小,受风面积占船身面积比例较大的缘故。因为渔港有防波堤作为屏障,外海海浪虽然较大,但不易侵入,渔船在港内锚泊时处在浅水区并且掩护条件良好,故随风速增大,港内波高增高,流速增加,系泊力受台风影响逐渐增大。
图2 系泊力分布频率直方图
Fig.2 Frequency histogram distributions of mooring force
渔船用锚链普遍为电焊有档锚链,因其抗拉强度大,船上一般采用有档链环的锚环,电焊锚链质量较好,成本也较低,已得到广泛应用。锚链荷载分为拉伸、扭转、弯曲3种形式,其中拉伸最为普遍。锚链损伤有腐蚀、磨损、疲劳和断裂等类型,在短期冲击荷载作用下,锚链损伤以断裂为主。渔船在港内台风荷载条件下停泊,锚链的受力主要来自于渔船系泊力与自身重力,受力类型为拉伸力,由于锚链具有扭矩自平衡性,扭转情况很少发生,而损伤类型主要为锚链拉伸断裂。
通过对有档锚链结构曲梁进行静定求解,根据曲梁理论[15],直拉伸为最危险的受力情况,且断口截面发生在锚链两端。如图3所示,极限状态时链环极限应力为
其中,σb、σf、σP、C(d)、F和A分别为抗拉强度、抗拉极限应力、名义应力、拉应力函数和链环圆截面面积。
图3 链环边界应力分布示意图
Fig.3 Distribution diagram of chain boundary stress
为统计锚链结构抗力,需对锚链进行测量,统计出其容许拉力。以钢质海洋渔船建造规范中对锚链的设计准则作为参考值选取样本,样本容量为100,试验选取直径(d)分别为12.5、16.0、19.0、20.5、22.0 mm的5组锚链链环,利用公式(3)～(5),在假定锚链链环符合钢材规范的情况下,计算并绘出各组直径链环的容许拉力分布直方图,如图4所示。
图4 极限状态下不同直径的链环容许拉力分布频率图
Fig.4 Frequency histogram distributions of different diameter chain tension in the lim it state
3.1 极限状态方程及可靠度指标
当锚链结构系统在受台风作用时,若有任一枚链环受系泊拉力作用出现断口而造成锚链断开,就会影响单锚系泊渔船的正常系泊,致使结构失效,此状态被视为极限状态。
在极限状态锚链链环静力分析中,环境荷载与结构抗力两变量呈线性关系,结构极限状态方程为
结构的失效概率(Pf)、可靠度指标(β)为
迭代计算的各直径链环极限状态R*、S*与β值如表1所示。
本研究中,通过对台风影响下渔船系泊期间各种环境因素的统计,计算了锚链在台风荷载下的可靠度。在可靠度校核时,以钢质海洋渔船建造规范中对锚链的设计准则为参考值,通过计算并与“规范”比对,分析得出以下结论。
(1)系泊力是由风荷载、浪荷载与流荷载联合作用在渔船上的结果。波浪、海流均在台风作用下等时效地对渔船施加作用,荷载效应与作用在土木结构上风荷载分布相似,台风荷载作用下的系泊力与风荷载均呈极值Ⅰ型分布,因此,联合荷载作用中风荷载起了主导作用,波浪与流荷载因风荷载影响,对系泊力作用较小。
(2)表1的计算结果中,可靠度指标最低的锚链链环直径为12.5 mm,在联合荷载作用下的可靠度指标β=2.0480,相应的是小概率Pf=0.0203。12.5 mm锚链可靠度指标β低于构件承载能力极限状态的设计安全指标。因此,在应对台风单锚系泊中不应以规范要求设计准则作为参考。
表1 计算结果汇总表
Tab.1 Summary of calcu lation resu lts
直径/mmd计算结果calculation resultsR*=S*β结构失效概率Pf12.5R服从α、u为45.5556、0.84889的正态分布,S服从α、u为0.0978、5.7595的极值Ⅰ型分布45.4965 2.0480 0.0203 16.0R服从α、u为74.7134、1.18281的正态分布,S服从α、u为0.0978、5.7595的极值Ⅰ型分布74.5882 3.0389 0.0012 19.0R服从α、u为105.4234、1.33703的正态分布,S服从α、u为0.0978、5.7595的极值Ⅰ型分布105.2586 3.8948 5.9115×10-520.5R服从α、u为122.5846、1.51418的正态分布,S服从α、u为0.0978、5.7595的极值Ⅰ型分布122.3713 4.2422 1.1068×10-522.0R服从α、u为141.2238、1.50741的正态分布,S服从α、u为0.0978、5.7595的极值Ⅰ型分布141.0108 4.6345 1.7891×10-6
(3)锚链链环直径d=20.5 mm与d=22.0 mm的锚链可靠度指标β均大于4,失效概率已经减小到一个很小的数量级。所以从可靠度分析的角度出发,较粗锚链已经不是经济的选择,但考虑联合荷载对锚链作用起到的疲劳效果,以及海水对锚链的侵蚀效果,如此选择是颇为安全的做法。
显然,在台风作用下,根据规范要求的锚链配备安全等级不能满足本研究计算的可靠度指标要求。同时,现场调查中发现,单锚系泊的渔船并排系泊时,渔船间的颠簸会相互传递并放大,联合荷载作用对锚链的荷载效应可能会成倍增加。
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Structural reliability of fishing chains at a single anchor in fishing port under typhoon calam ity
Abstract：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.
Key words：disaster prevention in fishing boat;single anchormooring;anchor chain;reliability analysis
中图分类号：U653.2
文献标志码：A
DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.06.018
文章编号：2095-1388(2016)06-0692-04
收稿日期：2015-10-17
基金项目：海洋公益性行业科研专项(201405025)