港口工程中船舶所受風荷載的理論計算分析

何蔚華

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

港口工程中系船設施上受到的船舶荷載為由風和水流產生的船舶系纜力，而一般情況下作用于船舶上的風荷載在船舶系纜力中起主導作用。風對船舶的作用主要受風速、風向和船舶受風面積的影響。

我國現行的JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》[1]給出了作用在船舶上的計算風壓力公式，其中的多個參數需要通過其他統計數據、經驗分析等方式確定。由于相關條文未對各參數的選取方法進行詳細說明，工程設計時容易出現參數取值錯誤的情況。現有的研究，如文獻[2]對船舶水面以上高度的理論計算進行研究。本文對規范給出的公式參數進行詳細闡述和分析，使得各個參數在理論計算公式中的意義更清晰明了，同時對容易出現取值錯誤的參數做出提醒，并提出相關估算方法以及取值標準，可為相關設計提供建議和借鑒，也希望為規范中船舶荷載計算相關參數的修訂提供參考。

1 理論計算公式

我國的《港口工程荷載規范》1998版中給出的風壓力計算公式與國際上其他規范或標準基本一致，由于在壓載情況下的計算結果偏小，在現行的JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》引入了風壓高度變化修正系數。根據現行規范的附錄E，作用于船舶上的風荷載可按垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力計算，公式為：

(1)

(2)

式中：Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫、縱向分力(kN)；Axw、Ayw分別為船體水面以上橫、縱向受風面積(m2)；vx、vy分別為設計風速的橫、縱向分量(m/s)；ζ1為風壓不均勻折減系數；ζ2為風壓高度變化修正系數。

2 參數分析

2.1 計算常數

根據伯努利公式可以得到基本風壓計算式：

(3)

式中：W0為基本風壓(kPa)；ρ為空氣質點密度(kg/m3)；v為設計風速(m/s)。

已知760 mm汞柱氣壓、常溫15 ℃干燥的情況下ρ=1.226 3×10-3kg/m3，代入式(3)得：

(4)

由于港口工程計算中，船舶在水面以上均具有一定高度，故規范賦予了船舶受風面積離水面的基礎高度5 m，此時風壓高度變化系數取1.17，高于5 m再用ζ2做進一步修正，與式(4)相乘得計算風壓W：

W=73.125×10-5v2

(5)

式(5)的常數項與式(1)基本相同，可認為式(1)的計算常數源于以上推導。另外根據《建筑結構荷載規范》[3]船舶所受風荷載大小，與風荷載體形系數相關。通過式(5)與(1)的比較可知，我國現行規范中計算船舶風荷載的橫向分力時，風荷載體形系數取1.0。

根據PortDesigner’sHandbook[4]關于船舶所受風荷載計算的通用標準公式，其對風荷載系數推薦值：垂直于船舶縱向時為1.3；平行于船舶縱向時，對船首取0.9，對船尾取0.8。由此可知，在設計風速相同的情況下，船舶縱、橫向單位受風面積所受計算風荷載的比值為0.615～0.692。式(2)與(1)中的常數之比為0.666是合理的。

2.2 船體水面以上受風面積

船體水面以上受風面積推薦根據設計船型及其裝載度按《海港總體設計規范》[5]附錄A確定。港口工程中，需要注意泊位等級是按停泊船舶的噸級確定的，而查詢船體水面以上受風面積時查詢的是特定載質量的船舶。另外，各類船舶中，基本上壓載狀態下受風面積大于滿載狀態，但集裝箱船卻相反，滿載狀態下的集裝箱船，甲板上方層疊的集裝箱將大幅增加集裝箱船的受風面積。2021-03-23集裝箱船“長賜號”在蘇伊士運河擱淺，其原因之一就是強風，正是集裝箱船滿載的受風面積很大，增加了其在此類事故中擱淺的概率。

雜貨船受風面積規律和普通船舶類似，但特別需要注意的是，一些運輸重大件的件雜貨船尤其是用于遠洋運輸的此類船，船舶甲板上方的一個重大件其受風面積就可能為2 000～3 000 m2，故遇到此類船舶時應按實際資料取用船舶受風面積。

2.3 設計風速

對于沒有特殊要求的港口，可按9級風考慮，9級及以上時船舶才開始避風，建議工程設計時按9級風最大風速24.4 m/s設計。

2.4 風壓不均勻折減系數

風壓不均勻折減系數可按JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》附錄E選用，需要注意規范中系數選取的依據是船舶水面以上最大輪廓尺寸。

2.5 風壓高度變化修正系數

在一定高度范圍內，風壓隨高度的增加而增大。港口工程設計中，船舶所處環境為海面，根據JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》，其地面粗糙度分類為A。風速沿高度的變化，規范采用指數率表示，A類地區高度Z處(m)的風壓高度變化系數μZA表示為：

(6)

由2.1節可知，規范中理論計算公式的常數項已經考慮5 m的水面高度，此時經計算可得μZA=1.168，且規范規定船舶水面以上高度≤5 m時ζ2取1，故船舶水面以上高度>5 m時式(1)(2)的風壓高度變化修正系數應為：

(7)

JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》附錄E中風壓高度變化修正系數即由式(7)計算得出。

港口工程設計中，部分工程存在以船舶干舷高度為船舶水面以上高度的情況，對比實際船舶可以發現，干舷高度不足以代表船舶水面以上高度。根據2.2節可知，對于集裝箱船和部分雜貨船，用船舶干舷高度為船舶水面以上高度計算風壓高度變化修正系數，取得的系數偏離式(7)較大，從而使風荷載計算結果出現嚴重錯誤。為了計算簡便，船舶水面以上高度建議由下式計算：

(8)

式中：h為船舶水面以上代表高度(m)；Lc為船舶柱間距(m)。

式(8)計算結果為簡單的估算值，更準確的計算方式可參考文獻[2]。式(8)得出的估算值與文獻[2]的橫向受風計算高度結果基本一致，故其結果在工程設計中是可行的。

3 結論

1)在設計風速相同的情況下，作用于船舶縱向單位受風面積上的風荷載為橫向的0.666，故式(1)(2)的風壓不均勻折減系數ζ1和風壓高度變化修正系數ζ2應采用同一標準選用。規范中ζ1的選用依據是船舶水面以上最大輪廓尺寸，即按船舶橫向受風考慮，但ζ2的選用標準不夠明確。由于總體來看，縱向荷載的計算公式(2)由式(1)折減得出，故本文認為ζ2的選用也應按船舶橫向受風考慮。建議未來規范修訂時能明確ζ2的選用標準。

2)工程設計中應注意船舶所受風荷載計算時集裝箱船和部分雜貨船存在壓載狀態下受風面積小于滿載狀態的情況；我國現行規范中統計的雜貨船受風面積與重大件雜貨船尤其是遠洋運輸重大件雜貨船的實際情況不符，建議在未來規范修訂中增加對此類船舶相關數據的統計。

3)實際工程設計中，設計人員對ζ2的選用存在較大差異，本文提出了船舶水面以上代表高度的簡單估算公式，同時建議在未來規范修訂中增加相關計算公式。

4)風速沿高度呈增大趨勢，規范中ζ2的選用使得船舶水面以上部分所受風壓全按最高處修正，式(1)(2)的計算結果也因此可能偏大。建議未來規范修訂中風壓高度變化修正系數可考慮按船舶水面以上高度內的加權平均值調整。