大型港工系船柱結構安全監測方法與實驗

吳 俊，舒岳階，周世良，柏魯勇，曹師寶

（1. 重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016；2. 重慶交通大學 內河航道整治技術交通行業重點實驗室，重慶 400074；3. 重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016；4. 寧波正信檢測科技有限公司，寧波 315000）

1 引 言

港口碼頭作為“一帶一路”和“長江經濟帶”的重要載體，是綜合交通樞紐的重要環節。目前，中國已成為世界上港口吞吐量和集裝箱吞吐量最多、增長速度最快的國家。

系船柱是直接承受船舶系纜力，并將其傳遞給碼頭結構的重要設施［1］。受港口貨物吞吐量增加、靠泊船舶噸位提升、不規范系泊以及風浪流等多因素影響，系船柱上的荷載極易超過安全值，不僅會引發船舶脫纜，危及船舶安全，還會波及碼頭前沿結構，甚至導致樁基損傷。為此，復雜系泊條件下系船柱結構受力安全監測成為碼頭運行過程中亟需解決的重大安全問題。

目前，系船柱結構受力狀態監測方法主要有三種。第一種是纜繩張力測量法［2-5］：將傳感器固定在纜繩上，監測各根纜繩張力。該方法可直接測得系纜力，但由于測量纜力較大的張力監測裝置尺寸較大，安裝較為繁瑣，會影響船舶正常系纜工藝，且僅能測得單根纜繩上的系纜力，對于多根纜力同時作用的情況，無法判斷纜繩矢量合力作用下的系船柱結構受力安全性。第二種方法是系船柱表面應變推算法［6-7］：在系船柱表面測量兩點應變，并根據實測的系纜高度與角度，代入材料力學公式計算纜繩纜力。該方法不僅需監測系船柱表面兩點應變，而且還需測得纜繩系纜高度，且該計算方法僅針對單根纜繩系纜的情況，無法適用于多根纜繩同時系纜時的情況。第三種方法為帶脫纜鉤的系船柱纜繩應力檢測裝置［8-10］：將脫纜鉤與系船柱集成為一個整體，脫纜鉤上設置應力銷。當纜繩纜力合力超出設定閾值后，應力銷打開，主動將纜繩脫纜，避免纜力過大對系船柱結構的破壞。該方法通過主動脫纜的方式實現對系船柱的保護，但另一方面也增加了船舶脫纜后的危險性，同時由于帶脫纜鉤的系船柱體積較大，既有碼頭改造難度大，一般僅適用于新建碼頭。綜合以上可知，現有監測方法尚無法完全滿足系船柱結構受力安全監測的需要。

針對適應多根纜力同時作用、對系纜工藝影響小、適用于既有系船柱、實時性監測等結構受力安全監測需求，提出了一種基于多點應變信息融合的系船柱標準纜力實時反演與監測方法，可滿足復雜系泊條件下的系船柱結構受力安全監測。

2 大型港工系船柱受力安全監測原理

2.1 系船柱結構

系船柱結構主要包括柱殼、錨桿、螺母、墊圈、錨板和柱芯填料等，見圖1。其中，柱殼是纜力最直接的受力件，錨桿、螺母、錨板和墊圈作為系船柱柱殼與碼頭上部結構的連接件，錨桿插入梁內，下方通過錨板與梁澆筑為一體（見圖1（b）），同時，為了提升錨桿的抗拔性，部分系船柱錨桿下端設計成彎鉤（見圖1（b））。

圖1 系船柱結構Fig.1 Bollard structure

圖2 實際工況條件下的系船柱系纜情況Fig.2 Mooring conditions of bollards under actual working conditions

實際工況條件下，系船柱系纜特點主要有：

（1）帶纜數量：1～5 根；

（2）系纜垂直角（纜繩與水平面的夾角）：15°～60°；

（3）系纜水平角（纜繩與碼頭前沿線的夾角）：25°～155°；

（4）系纜高度：從最底端到最高端。

因此，系船柱的系纜條件存在隨機性，即纜繩的系纜高度、系纜垂直角、系纜水平角、系纜數量均可能不同，系船柱受到多根纜繩纜力矢量疊加作用，單純通過系纜力數值大小、而不考慮矢量作用組合效應來評價系船柱的結構安全性存在一定的局限性。

2.2 系纜力標準條件

為了解決多纜繩系纜隨機組合作用下的系船柱安全性評估問題，提出了“系纜力標準條件”的概念。將系船柱結構的最不利受力條件，設定為“系纜力標準條件”，在這一標準條件下，任意的系纜狀況都可以根據系船柱表面的多點應變這一中間量反演轉換為標準系纜力，并將標準系纜力與系船柱的容許系纜力進行比較，由此判斷系船柱結構的安全狀態。

由于系船柱為圓柱對稱結構，不同系纜水平角對系船柱的作用是相同的，因此，系船柱結構的最不利受力條件主要包括系纜高度與系纜垂直角兩個參量。根據《系船柱構件通用設計編制說明》和《港口工程荷載規范》，在對系船柱進行設計和安全驗算時，系纜垂直角β越小，系纜力水平分力越大，垂直角通常取15°；最大系纜高度時，相同系纜力水平分力產生的彎矩最大，對系船柱結構安全影響最大，系纜高度取系船柱脖高。因此，“系纜力標準條件”可確定為：系纜高度取系船柱脖高h0，系纜垂直角β0取15°。

2.3 標準條件下的系纜力反演模型

圖3 系船柱標準系纜條件Fig.3 Standard mooring conditions for bollards

為了不影響系纜作業，傳感器安裝點應盡量靠近底部，同時考慮到安裝的便攜性，盡量將傳感器安裝在系船柱柱身上，綜合兩者，確定傳感器安裝位置如圖4 中的A，B 所示，應變傳感器安裝在底面與柱身過渡圓弧段的上端，距底面高度為h1。

圖4 中，實際工況條件下的系纜力系纜角度為β、系纜高度為h。通過安裝在系船柱根部的兩個應變傳感器，監測根部應變，反演得到標準條件下的系纜力，標準條件下的系纜力為F*，系纜角度β0為15°，系纜高度為h0。

圖4 應變傳感器測點位置Fig.4 Measuring positions of strain sensors

應變傳感器安裝位置截面視圖如圖5 所示，O為系船柱圓柱軸心，BO與岸線的夾角為θ，AO與BO之間的夾角為γ，θ與γ為已知參數。A，B兩點的應變分別為εA，εB，為已知參數。實際工況條件下的系纜力為F，系纜水平角為α，系纜垂直角為β，系纜高度為h（小于最大系纜高度），不同系纜條件下，F，α，β，h均未知。系纜力標準條件為：β0=15°，h0=max(h)。將不同工況條件下的系纜參數均轉換到標準條件下。

圖5 D-D 截面Fig.5 D-D section

標準條件下的系纜力為F*，根據彈性力學公式，A、B兩點應變可表示為：

式中，R為系船柱柱體半徑，h1為測點位置距底面高度，E殼，E芯分別為系船柱殼體與芯體的彈性模量，I殼，I芯分別為系船柱殼體與芯體的截面慣性矩。聯立式（1）、式（2）得：

通過公式（6）、式（7），可由h1截面處任意A，B兩點應變值，推算得到標準條件下的纜力值與纜力方向。吳俊等人［11］對系船柱結構進行了有限元數值仿真計算，提取有限測點應變反演標準系纜力，并與有限元仿真結果進行對比，系纜力最大相對誤差為5.93%，反演結果具有較高精度，滿足工程應用。

3 系船柱結構安全評估方法

由圖5 可見，當應變監測點位于中性面離岸側時，由橫向分力所產生的彎曲應變為正值拉應變。當應變監測點均位于中性面近岸側時，由橫向分力所產生的彎曲應變為負值壓應變。為了避免橫向分力所產生的彎曲應變與豎向分力產生的拉應變相互抵消，在系纜水平角25°～155°變化區間內，應至少保證有兩個應變監測點均位于中性面離岸側。

由彈性力學原理可知，系船柱某一橫剖面上的最大應變值點位于系纜力的反向延長線上。由圖6 可見，當系纜水平角在25°～155°區間變化時，系船柱上的最大應變測點位于A，E點之間，同時為了保證任意時刻均有兩個應變監測點均位于中性面離岸側，除布置A，E兩個測點外，還在A，E點之間均布3 個測點B，C，D。在該種測點布置條件下，任意時刻最少有3 個測點位于中性面離岸側。

圖6 應變測點分布圖Fig.6 Safety assessment process for bollard structure

綜上，本文提出了如圖7 所示的系船柱結構安全評估方法流程：

圖7 系船柱結構安全評估流程Fig.7 Safety assessment process for bollard structure

Step 1：通過安裝在系船柱表面的多個應變傳感器，實時監測系船柱表面應變變化情況；

Step 2：將所測應變按照數值大小進行排序，分別為ε1＞ε2＞ε3＞ε4＞ε5；

Step 3：分別將ε1，ε2與ε1，ε3分別代入式（6）、式（7），分別得到兩組標準條件纜力F*與系纜水平角α；

Step 4：將兩組標準條件纜力F*與系纜水平角α求取平均值，獲得修正后的纜力與系纜水平角。

Step 5：根據系船柱結構特點，制定系船柱受力安全分級預警策略；

Step 6：將計算得到的標準條件下的系纜力與設計系纜力相比較，確定系船柱受力安全狀態等級。

4 試驗研究

以寧波大榭招商國際集裝箱碼頭#2 泊位為依托工程，開展了原型試驗研究。試驗系船柱規格1 500 kN，最大系纜高度500 mm；殼體材料為鑄鋼ZG230-450，外徑500 mm，內徑420 mm，壁厚40 mm；殼內澆注混凝土。

4.1 系船柱表面應變監測方案

由標準系纜力反演理論可知，準確測量系船柱表面應變是確保纜力反演準確性的關鍵。光纖布拉格光纖光柵（以下簡稱光纖光柵，FBG）具有可復用、抗腐蝕、抗電磁干擾等優點，可適應復雜環境下的精確應變測量。

直接采用常規有機膠將光纖光柵粘接到系船柱表面，存在如下問題：

①具有蠕變性［12-13］：長期工作過程中，有機膠不可避免的存在會蠕變性，導致應變傳感效率發生不可控的變化，影響測量結果的長期可靠性。

②短標距的非均勻應變啁啾特性［14］，系船柱表面軸向應變為非均勻應變，若采用有機膠直接將光纖光柵粘接到系船柱上，由于光纖光柵標距很短，在非均勻應變作用下，光纖光柵反射譜會出現一定程度的啁啾特性，影響信號解調。

針對這個問題，采用表面應變均化的傳感器結構形式，如圖8 所示，傳感器標距為3cm，光纖光柵敷設于3 mm 厚不銹鋼基板軸向槽內，兩端利用改性低熔點玻璃進行粘接固定，傳感器利用兩端的四個焊接點與被測基底連接。

對需安裝傳感器的部位進行除銹打磨處理后，分別焊接五支FBG 應變傳感器，然后將傳感器首尾相連實現串聯復用，并利用一支FBG 溫度傳感器對應變傳感器進行補償，然后利用密封帶對傳感器進行密封防腐處理，最后安裝保護罩，避免系纜過程對光纖傳感器的破壞。整個過程如圖8 所示。

圖8 兩端焊接式應變均化FBG 傳感器Fig.8 Strain equalization FBG sensor welded at both ends

圖9 傳感器安裝與保護Fig.9 Sensor installation and protection

4.2 實驗結果與分析

選取2020 年11 月3 日～11 月11 的實驗數據進行分析，期間監測到的五個測點的應變數據如圖10（a）所示，基于該數據，根據圖7 所示的系船柱結構安全評估步驟，計算得到的標準條件系纜力數據如圖10（b）所示。由圖10（b）可見，船舶系纜時，計算得到的最大系纜力迅速增加；船舶解纜時，計算得到的最大系纜力又迅速減小。實驗期間最大系纜力均在500 KN 以下，遠小于系船柱1 500 kN 容許系纜力值，系船柱結構受力狀態為正常。

圖10 監測數據Fig.10 Monitoring data

為了評估反演理論的誤差，進行了單根纜繩系纜的驗證性實驗，試驗船舶具備纜力計，且只在試驗系船柱上系單根纜，按最大系纜高度帶纜。由于系纜垂直角及水平角不可控，試驗時，采用傾角傳感器測量系纜垂直角和水平角。

試驗期間測得的滿足試驗要求的兩次船舶系泊情況如圖11 與表3 所示。

待現場數據穩定后，取測量值平均值，得到表2 所示的各個點應變測量值。

表1 船舶系纜參數Tab.1 Ship mooring parameters

Fig.11 實船系纜試驗Fig.11 Real ship mooring test

表2 不同船舶系纜時的各點應變值Tab.2 Strain values at various points （με）

分別選取相應的組合計算纜力值，見表3。

由表3 可見，中遠內貿集裝箱船系纜力計算結果相對誤差最大為－4.6%，APL VANDA 集裝箱貨輪系纜力計算結果相對誤差最大為-8.1%。導致纜力計算誤差的原因除本身理論模型存在一定誤差外，還可能由于船上纜力計讀數與系船柱上應變記錄的時刻無法精確同步導致。該誤差基本滿足工程應用需求。

表3 系纜力計算結果Tab.3 Calculation result of mooring force

5 結 論

本文在推導標準條件系纜力反演模型的基礎上，依據纜力方向的范圍與反演模型的應變監測點要求，研究了系船柱表面多點應變布置方案，提出了基于多點應變融合的系船柱結構安全監測方法。在寧波大榭招商國際集裝箱碼頭1 500 kN 系船柱上成功部署了5 支應變傳感器與1 支溫度傳感器，開展了長時間連續監測，通過分析標準條件反演纜力與船舶實際纜力值，標準條件系纜力反演誤差最大為8.1%，證明該方法具有較強的可行性與操作性。本方法只需利用系船柱表面分布的多點應變值，即可判斷系船柱受力安全狀態等級。