加納某漁港碼頭漁船風荷載計算方法探討

王 偉，周子樂

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

加納某漁港碼頭升級改造項目，漁碼頭設計船型為4種主機功率為60～600 HP的漁船，因業主方提供的船型資料有限，且現行的水運工程行業規范中對船型尺度的參考數據，特別是船舶受風荷載的面積資料，均是適用于集裝箱船、貨船等大型船舶，缺乏對漁船等小型艦船的統計。本文在研究和對比了國際上幾種常用的規范、手冊中的建議方法，總結了適用于本項目船型的設計參數，較為合理地計算了作用在漁船上的風荷載。

1 項目背景及設計船型

本項目為加納某漁港升級改造項目，水上工程內容包括新建漁碼頭、防波堤、護岸及修船滑道等，以及舊防波堤的升級改造；陸上工程則是港區內管理區、輔建區和生活區的建構筑物。其中漁碼頭為重力式方塊結構，岸線總長度477 m，包括15個60 HP漁船泊位、4個 100 HP漁船泊位和 1個600 HP漁船泊位。

本項目業主方提供的設計代表船型共4種，資料見表1。

表1 業主方提供的設計代表船型尺度

由表 1可知本項目業主方提供的船型資料較少，不能直接用于碼頭系靠泊設計。首先參考《漁港總體設計規范》附錄C提供的漁船船型尺度表，選擇最為接近的船型信息將本項目設計船型尺度進一步補充完整，見表2。

表2 設計漁船船型尺度（《漁港碼頭總體規范》補充）

《漁港總體設計規范》附錄C提供船型資料較為有限，僅包含17艘漁船的實際資料[1]，鑒于漁船種類、形式和尺度的多樣性，參考附錄C補充的信息有可能與真實情況不完全符合，且《漁港總體設計規范》中并未直接提供漁船受風面積的統計資料。

漁船風荷載計算的尤為重要的就是相對準確地確定設計船舶的受風面積。參考目前常見的國內、國際規范、手冊，受風面積的確定方法主要方法可分為兩大類，后文將分別論述。

2 漁船受風面積計算

2.1 規范、手冊設計參考值

目前國內、國際主流規范、手冊中有漁船受風面積統計資料的為數不多，本文選擇了最具代表性的國際航運協會（PIANC）出版的《港口航道設計指南》、澳大利亞游艇碼頭規范和美國海軍系泊設計手冊DM 26-6作為參考。

1）PIANC出版《港口航道設計指南》

國際航運協會（PIANC）出版的《港口航道設計指南》附錄C.1典型船舶尺度表中列出了一系列漁船（載重量范圍15～7 500 t）的主要尺度，同時給出了船舶側面的受風面積，分滿載和壓載兩種情況[2]，見表3。

表3 《港口航道設計指南》漁船受風面積

《港口航道設計指南》中提供的典型設計船型尺度，和業主提供的船型資料相比，在船長相同的情況下，型寬和吃水都有較大差異；同時較小型船舶的受風面積在指南中并未提供。

2）澳大利亞游艇碼頭標準AS 3962-2001

澳大利亞游艇碼頭設計標準 AS 3962-2001根據船型資料統計，給出了小型游艇的受風面積參考值[3]，本項目設計船型參考AS 3962規范4.8.3.2節船舶的受風面積見表4。

表4 澳大利亞游艇碼頭標準AS 3962-2001漁船受風面積

美國海軍系泊設計手冊 DM 26-6將搜集到的船舶按用途、尺度不同賦予不同代號，分別列出每種船舶的縱向和橫向受風面積，而受風面積也是根據資料采用求積儀計算，同時考慮10 %的增大，作為欄桿、桅桿和其他附屬物增加的受風面積[4]。但該手冊計列的船舶類型以軍用艦船、輔助船艇為主，較少涉及民用船舶，如果僅僅因為漁船和軍用艦艇的上部結構布置形式有類似之處，參考 DM 26-6的船舶受風面積，也會和實際有較大差別，因此在這里不再贅述。

綜上所述，僅澳大利亞AS 3962規范能對所有設計船型給出受風面積參考值，但這本規范涵蓋的主要對象是游艇，游艇的上部結構布置和漁船還是存在一定差異（關于此問題下文會作比較）；PIANC規范中則沒有列出船舶橫向的受風面積。因此還有必要了解通過其他船型尺度參數來估算受風面積的方法。

2.2 根據船長、平均型深等參數估算受風面積

早期的一些規范、手冊對中小型船舶受風面積進行估算時，使用了平均型深（average profile height）的概念，定義船的平均型深為受風面積和船長的比值，并給出參考曲線（見圖 1），其中船舶的長度范圍從20 ft到100 ft。

1986年出版的《Power and Motor Yacht（汽艇和摩托艇）》雜志刊登了 10種常見的小型船舶的縱向剪影（見圖 2），其中包括游艇、快艇及拖輪等。Russell H.使用求積儀對這些船舶剪影的面積進行了計算，并除以相應的船舶長度，得到船舶平均型深。在計算投影面積時還考慮了兩種情況：

1）投影面積只包括船身、甲板和船艙邊緣的外輪廓；

2）除了上述提到的面積，還包括了甲板上欄桿和船艙懸挑包圍的面積，因為通常欄桿區域是用帆布包覆、封閉起來的，增大了外輪廓面積。

圖1 船舶型深和船長的關系[5]

圖2 船舶類型描述和剪影（1986年）[5]

按上述兩種測量方式分別計算的船舶型深及平均值見表5。

從計算數據可以看出，小型船舶的平均型深和船長的比值在 10 %～20 %這個范圍之間。比值在20 %以上的船型，如Trawler（拖網漁船）、Sedan cruiser（游艇）和 Tug/lobster boat（捕蝦船），都是甲板以上有較大駕駛艙或客艙的船型。這里也體現了上文提到的普通游艇和漁船上部結構的區別，一般游艇甲板以上的駕駛室和漁船相比明顯偏小，只有比較豪華型的游艇，如Sedan cruiser甲板以上除了駕駛室，還有較大的客艙，才能達到和拖網漁船等近似的投影面積。

表5 10種船型的平均型深測量值[5]

作者將上述實際測量的船長與平均型深的關系和幾種規范建議的曲線疊加在一起進行對比（見圖3）可以發現，對于船長10 m（30 ft）以下的小型船舶，采用規范建議的曲線計算的受風面積與實際測量數據相比還略偏大；但對于船長20 m（60 ft）以上的船舶，實測的船舶受風面積比參考計算值大50 %以上。因此 Russell建議對于船長大于 20 m（60 ft）以上的船舶，參考上文提到的美國海軍的系泊手冊更合適。

圖3 計算平均型深和規范建議曲線對比[5]

2）美國國防部UFC-4-152-07手冊

美國國防部的小型船舶系泊設施設計手冊（UFC-4-152-07）也有類似的建議，船舶的平均型深可取為船長的15 %[6]。

3）Bruce O.更新的船長-平均型深關系曲線（H-L曲線）

隨著游艇、漁船、工作船等中小型船舶的船型尺度不斷加大，原先的參考曲線（圖 1）在船長較大的部分有了較大的改變。Bruce O.在自己的著作中建議使用根據自己的研究更新的H-L曲線[7]，根據此曲線計算的受風面積相比之前增加50 %～100 %。

圖4 船舶型深和船長的關系[7]

根據 Tobiasson的研究成果，由船舶的長度計算平均型深，進而得到船舶縱向和橫向受風面積，計算結果見表6。

表6 參考H-L曲線計算船舶受風面積

從計算結果可以看出，船舶縱向受風面積和PIANC規范及AS 3962的參考值比較接近，但橫向受風面積相差較大。造成這種差異的原因是業主給出的船舶型寬和 PIANC規范的型寬參考值相比，明顯偏小，故造成橫向受風面積計算值也偏小。

4）從漁船結構設計方面考慮

影響船舶上的風荷載，特別是縱向風荷載，最主要因素是上層結構的形狀和類型，從漁船結構設計的角度，由于漁船經常在風浪中作業，受風面積過大，會帶來大幅度橫傾，在穩性上也會帶來不利的后果。賈復在漁船結構設計的專著中提出漁船的水線上側投影面積與水線下面積之比一般約在1.2～1.8左右，其中大、中型拖網漁船約在 1.3～1.6左右，小型拖網漁船約在1.5～1.8左右[8]。船體水線下的面積按滿載吃水與船長或船寬的乘積來估算，則漁船受風面積估算值見表7。

表7 參考《漁船設計》建議計算船舶受風面積

分析上述計算結果，400 HP和600 HP兩種較大的船型計算受風面積比規范參考值和H-L關系曲線計算值相比略大，而60 HP和100 HP兩種較小的船型計算值偏小；橫向受風面積與H-L曲線計算結果比較接近，和規范參考值相差較大，原因同樣是業主給出的船舶型寬明顯偏小。鑒于這種方法公式簡單，經驗成分較大，計算結果僅用來與其他方法進行比較。

2.3 船舶受風面積總結

總結上述三種方法計算的船舶縱向、橫向受風面積，船舶縱向受風面積采用了 PIANC規范和澳洲規范的計算數值，在100 HP和400 HP船型上采用了規范中較大等級船型的數值，計算結果偏保守。橫向受風面積則主要考慮尊重業主提供的船型數據，采用了Bruce O.提出的H-L曲線法計算數值。設計中采用的船舶受風面積見表8。

表8 設計采用漁船受風面積

3 漁船風荷載計算

根據風荷載產生的原因及其作用機理，作用在船舶上的風荷載可表示為作用在船體表面的拖曳力的形式，其中最重要的參數為拖曳系數和設計風速。對于拖曳系數，不同規范中規定了不同的參考值，而設計風速的差異體現在采用風速的持續時間在不同規范中的定義不一致。

上節確定了船舶的受風面積，本節主要選取合適的公式計算作用在船舶上的風壓力。張建僑等分別采用OCIMF規范、美國海軍MIL-HDBK手冊和《港口工程荷載規范》中的公式計算了風壓力[9]，但這三本規范的范圍都不包括漁船等小型船舶，故直接套用可能會造成偏差。本文在計算受風面積時主要采納了PIANC規范、澳大利亞AS 3962規范以及Bruce O.的研究成果，故風壓力計算也主要使用以上資料的推薦方法。

1）澳大利亞標準AS 3962-2001

澳大利亞標準規定作用在船舶上的風壓可用下式計算：

式中：V為設計風速，規范規定使用持續時間30 s的平均風速，取為30 m/s。

作用在船舶上的風力按下式計算：

式中：CD為拖曳系數，作用在船側和船首（船尾）的值都取為1.1；A為船舶橫向、縱向受風面積（m2）。

作用在船體上的風力計算結果見表9。

表9 參考標準AS 3962-2001計算風力

2）Bruce O.編著的《MARINAS and Small Craft Harbors》

作用在船舶上的風力計算基本公式為：

式中：E為船舶橫向、縱向受風面積（m2），書中規定參考圖計算的受風面積乘以 0.33的折減系數；D為方向系數，考慮風向角 90°，方向系數D=3.0；S為遮蔽系數，僅考慮一排船舶停靠的情況，S=1.0；V為設計風速，書中建議采用持續時間60 s的平均風速（m/s）。

作用在船體上的風力計算結果見表10。

表10 《MARINAS and Small Craft Harbors》公式計算

上述兩種文獻風力的計算公式物理意義和形式都基本相同，Bruce O.的專著中多考慮了風向角和船舶靠泊形式對風力的修正，且考慮風速的持續時間較長，因此計算結果略大。

4 結 語

1）本文通過對比國際通用規范、參考資料中對漁船的受風面積做了較為細致的總結，采用多種方法，得到了相對合理的取值；

2）使用更適合小型船舶的風壓力、風力計算公式，作用在船舶上的風荷載計算更為合理。