碼頭橡膠護(hù)舷的優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹春輝 ，賀軍

護(hù)舷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，目前在世界范圍內(nèi)還沒(méi)有一本設(shè)計(jì)規(guī)范能讓護(hù)舷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，大部分設(shè)計(jì)程序還是需要依賴護(hù)舷系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前全世界最主流的設(shè)計(jì)規(guī)范是國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）出版的“Guidelines for the Design of Fender Systems：2002 Report of Working Group 33-MARCOM，Appendix A，Procedure to Determine and Report the Perfor原mance of Marine Fenders”，此外還有英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（BIS），日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JIS），歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EUROCODE）等。護(hù)舷的設(shè)計(jì)一般有4個(gè)步驟，首先是收集船舶、碼頭、靠岸和環(huán)境因素信息，第二是確定最大船舶靠岸動(dòng)能，第三是根據(jù)碼頭船舶的特質(zhì)分別確定護(hù)舷彈性體、前部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)限制裝置（可以有多種方案），最后是根據(jù)設(shè)計(jì)合理性及材料安裝成本從各方案中選取最佳方案。

隨著我國(guó)水運(yùn)行業(yè)海外業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院對(duì)使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶撞擊能量的計(jì)算已完全掌握。但是，目前還沒(méi)有規(guī)范規(guī)定撞擊能量選取橡膠護(hù)舷的計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)水運(yùn)設(shè)計(jì)行業(yè)在橡膠護(hù)舷選型時(shí)普遍只考慮撞擊能量被單個(gè)橡膠護(hù)舷吸收的情況。然而中外規(guī)范[1-2]都允許靠泊時(shí)撞擊能量被單個(gè)或者多個(gè)橡膠護(hù)舷吸收的情況，即橡膠護(hù)舷組進(jìn)行吸能分配。本文通過(guò)對(duì)加納某新集裝箱碼頭橡膠護(hù)舷吸能分配進(jìn)行分析計(jì)算，提出橡膠護(hù)舷的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可供海外水工工程設(shè)計(jì)借鑒。

1 船舶撞擊能計(jì)算

根據(jù)PIANC 2002[3]，船舶靠泊對(duì)護(hù)舷的撞擊能量表達(dá)式為：

式中：E為撞擊能量，kJ；MD為船舶排水量，t；VB為船舶正?？坎磿r(shí)的靠泊速度，m/s，根據(jù)靠泊碼頭是否有掩護(hù)、靠泊條件的難易，以及船舶排水量等條件查表確定；CS為柔性系數(shù)，取0.9~1.0，當(dāng)護(hù)舷連續(xù)布置時(shí)取0.9，其他情況取1.0；CC為泊位形狀系數(shù)，取0.8~1.0，開(kāi)敞式高樁碼頭取1.0，實(shí)體碼頭取0.8~1.0，通常取1.0；CM為船舶附加水體影響系數(shù)；CE為偏心系數(shù)。

1）船舶附加水體影響系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：DV為船舶與計(jì)算裝載度對(duì)應(yīng)的吃水，m；B為船舶型寬。

2）偏心系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中船舶回轉(zhuǎn)半徑K計(jì)算公式如下：

式中：Cb為方形系數(shù)；L為船舶垂線間長(zhǎng)度，m；R為船舶質(zhì)心至靠泊點(diǎn)的距離，m；酌為靠泊方向與R之間的銳角夾角，（毅）。

當(dāng)船舶?？堪l(fā)生不正確處理、發(fā)生故障或者異常的橫風(fēng)、水流或者異常風(fēng)和水流的結(jié)合時(shí)，需要考慮非正?？坎?。非正常靠泊的能量計(jì)算是在正?？坎茨芰康幕A(chǔ)上乘以相應(yīng)的安全系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。其安全系數(shù)的建議值見(jiàn)PIANC。

2 實(shí)例

2.1 工程概況

加納某新集裝箱碼頭工程位于非洲西部，加納南部沿海，瀕臨幾內(nèi)亞灣的北側(cè)。集裝箱碼頭岸線總長(zhǎng)1 400m，頂標(biāo)高為+4.0m。碼頭結(jié)構(gòu)采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)。碼頭橡膠護(hù)舷原設(shè)計(jì)選型為SCN1800 F2.0，碼頭橡膠護(hù)舷結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭橡膠護(hù)舷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of thewharf rubber fender

2.2 計(jì)算條件

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)條件匯總見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)條件匯總表Table 1 Design parameter table list

2.3 橡膠護(hù)舷選擇

考慮到錐形橡膠護(hù)舷具有高吸能低反力及船舶靠泊角度10毅內(nèi)不影響其吸能性能的優(yōu)點(diǎn)，選擇錐形橡膠護(hù)舷。

2.4 橡膠護(hù)舷型號(hào)確定

考慮單個(gè)護(hù)舷吸能大于2 693 kN·m，選擇SCN1800 F2.0橡膠護(hù)舷。橡膠護(hù)舷的反力和變形如圖2所示[4]。

圖2 SCN1800反力和變形曲線圖Fig.2 SCN1800 reaction and deformation curve

由圖2可知，SCN1800 F2.0橡膠護(hù)舷最大吸能2 775 kN·m，滿足最大撞擊能量2 693 kN·m的要求。

3 護(hù)舷優(yōu)化計(jì)算和結(jié)果

3.1 橡膠護(hù)舷優(yōu)化思路

1）由于非正常靠泊已考慮由溫度變化、船舶本身及異?？坎此俣鹊纫蛩?，因此在撞擊能量計(jì)算中不應(yīng)再重復(fù)考慮，而只考慮橡膠護(hù)舷制造偏差，BS6349-4[3]中規(guī)定制造偏差取10%，經(jīng)咨詢廠家，其制造偏差能達(dá)到5%。

2）BS6349-4[3]中明確指出，在船舶靠泊過(guò)程中可同時(shí)考慮多個(gè)護(hù)舷吸能的工況。因此，本優(yōu)化方案主要考慮船舶靠泊時(shí)2個(gè)和3個(gè)橡膠護(hù)舷單元共同作用下的護(hù)舷型號(hào)選取。

3.2 橡膠護(hù)舷優(yōu)化計(jì)算

1）船艏圓弧半徑計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)船型船艏圓弧半徑和護(hù)舷吸能要求計(jì)算結(jié)果Table2 Bow radiusand fender absorption requirement calculation resultsof the design ship type

2）橡膠護(hù)舷推薦

根據(jù)前面的分析，可知最大撞擊能量為設(shè)計(jì)撞擊能量再考慮依5%的偏差。因此，橡膠護(hù)舷能效吸能要求如表2。

初步推薦橡膠護(hù)舷為錐形橡膠護(hù)舷SPC 1300 G3.0，其額定吸能1 402 kN·m，額定反力2 048 kN。

3）撞擊時(shí)護(hù)舷組的工作原理

護(hù)舷設(shè)計(jì)時(shí)還需將跟船舶舷側(cè)板壓力相關(guān)的船艏圓弧半徑、靠泊角度、護(hù)舷布置間距、非正常靠泊及靠泊時(shí)撞擊多個(gè)橡膠護(hù)舷的因素都考慮在內(nèi)。同時(shí)，進(jìn)行護(hù)舷設(shè)計(jì)時(shí)，BS6349-4規(guī)定船舶靠泊需假定為船舶船艏接觸單個(gè)或者多個(gè)護(hù)舷、船舶縱軸線與碼頭前沿線形成一個(gè)向右的角度（靠泊角度在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)）并繞接觸點(diǎn)向右旋轉(zhuǎn)以完成靠泊，一般考慮參與撞擊能吸能的護(hù)舷個(gè)數(shù)為2個(gè)或者3個(gè)。當(dāng)參與吸能的護(hù)舷為2個(gè)和3個(gè)單元時(shí)，船舶靠泊初始狀態(tài)及撞擊能完全吸能時(shí)的示意圖見(jiàn)圖3。船舶靠泊幾何圖示見(jiàn)圖4。

4）護(hù)舷吸能能力復(fù)核

所選護(hù)舷為SPC1300 G3.0，其產(chǎn)品性能曲線如圖5[5]所示。

根據(jù)護(hù)舷性能參考表和曲線圖，可得出不同工況下護(hù)舷組的實(shí)際吸能能力見(jiàn)表3。

由此可知，設(shè)計(jì)船型均是護(hù)舷組（每組2個(gè)護(hù)舷單元或者3個(gè)護(hù)舷單元）吸能，且均能滿足設(shè)計(jì)船型靠泊時(shí)的吸能要求。

5）船舶靠泊時(shí)船體與碼頭結(jié)構(gòu)最小距離復(fù)核

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]，船舶靠泊時(shí)，橡膠護(hù)舷吸能后會(huì)產(chǎn)生變形，船體至碼頭結(jié)構(gòu)的距離會(huì)因此縮小，過(guò)小的凈距將給船舶及碼頭結(jié)構(gòu)帶來(lái)被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合護(hù)舷的吸能大小和性能曲線圖（圖5），可得出正?？坎醇胺钦？坎辞闆r下船體與碼頭結(jié)構(gòu)的凈距最小值為680mm，其凈距示意圖見(jiàn)圖6，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范[2]最小凈距250mm的要求。

6）船舶舷側(cè)板壓強(qiáng)復(fù)核

靠泊時(shí)船舶舷側(cè)板壓強(qiáng)大小可通過(guò)調(diào)整護(hù)舷防沖板的面積實(shí)現(xiàn)，本項(xiàng)目配備的防沖板尺度為寬度2.1 m和高度5.12 m，經(jīng)計(jì)算其對(duì)舷側(cè)板的壓強(qiáng)為200 kPa，在允許范圍內(nèi)。

7） 結(jié)論

SPC 1300 G3.0護(hù)舷滿足本項(xiàng)目船舶靠泊的設(shè)計(jì)要求和使用要求。

圖3 護(hù)舷吸能及變形的靠泊示意圖Fig.3 Berthing schematic of energy absorption and deform ation of fenders

圖4 船舶靠泊幾何圖示（渡船及滾裝船靠泊除外，另有規(guī)定）Fig.4 Vesselberthing geometry illustration(Except the ferry and ro-ro berthing,otherw ise specified)

圖5 SPC 1300G3.0性能曲線圖Fig.5 SPC 1300G3.0 performance curve

表3 護(hù)舷組吸能能力校核Table3 Fender absorption capacity checking

圖6 非正?？坎磿r(shí)船舷側(cè)板與碼頭結(jié)構(gòu)凈距示意圖Fig.6 Vesselhull to quay wallclearance atabnormalberthing energy

4 結(jié)語(yǔ)

1）基于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范計(jì)算出的撞擊能量，需根據(jù)設(shè)計(jì)船型及護(hù)舷產(chǎn)品手冊(cè)和設(shè)計(jì)指南對(duì)船舶靠泊時(shí)作用的護(hù)舷個(gè)數(shù)進(jìn)行分析，避免將所有能量分配在一個(gè)護(hù)舷單元上。

2）本項(xiàng)目因?yàn)樽o(hù)舷優(yōu)化后本體尺度變小，能安裝在胸墻上，因此取消了碼頭靠船構(gòu)件，經(jīng)成本分析，優(yōu)化節(jié)省約250萬(wàn)美元。另外，在本項(xiàng)目工期壓力較大的情況下，靠船構(gòu)件的取消也節(jié)省了工期，意義非凡。

3）若非設(shè)計(jì)條件限制，本項(xiàng)目護(hù)舷優(yōu)化時(shí)還可組合護(hù)舷布置間距（可增大），對(duì)比分析后合理選擇護(hù)舷型號(hào)及間距，將進(jìn)一步降低造價(jià)。

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[1]JTJ297—2001，碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范[S].JTJ 297—2001,The technical code of subsidiary facilities for wharf[S].

[2] BS6349-4—2014,Maritime works-code of practice fordesign of fendering and mooring systems[S].

[3] PIANC 2002,Guidelines for the design of fender system[M].Bel-gium:International Navigation Association,2002.

[4] Fender systems product brochure[K]. Trelleborg.

[5] Shibata fender team product[K].Shibata.

[6] Shibata fender team design manual[K].Trelleborg.