靠泊船型噸級(jí)差距較大的碼頭橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)

趙 青，余 犇，王舉睿

（1.中交疏浚（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200086；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510032；3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

碼頭橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容為船舶撞擊能的計(jì)算。本文從某3 000～75 000 DWT集裝箱碼頭護(hù)舷設(shè)計(jì)出發(fā)，通過(guò)分析噸級(jí)跨度較大的船型的靠泊計(jì)算分析，總結(jié)出了選取合適的護(hù)舷的方法，供設(shè)計(jì)人員及碼頭管理人員參考。

1 撞擊能計(jì)算

1.1 設(shè)計(jì)船型參數(shù)

碼頭需要同時(shí)滿足3 000～75 000 DWT集裝箱船舶靠泊作業(yè)，噸級(jí)跨度較大。根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)船型尺度，如表1。

表1 設(shè)計(jì)船型尺寸[1]

1.2 計(jì)算公式

本項(xiàng)目按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，正?？坎磿r(shí)船舶撞擊能按下式計(jì)算：

式中：

MD為船舶排水量（t）；

VB為垂直于泊位的靠船速度（m/s）；

CM為水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)；

CE為偏心系數(shù)；

CS為柔性系數(shù)；

CC為泊位形狀系數(shù)。

船舶靠泊時(shí)受到船員操作失誤、機(jī)械故障、自然條件（風(fēng)、浪、流）等不利因素影響[2]，船舶靠泊時(shí)靠泊角度、靠泊速度有時(shí)難以操控。因此，橡膠護(hù)舷的設(shè)計(jì)需要考慮船舶非正?？坎磿r(shí)的撞擊能，這點(diǎn)是國(guó)內(nèi)《港口工程荷載規(guī)范》[3]所沒(méi)有規(guī)定的。非正常撞擊能按下式計(jì)算：

式中：

EA為非正常撞擊能（kN·m）；

FS為非正常撞擊安全系數(shù)。

上述公式中各項(xiàng)參數(shù)的取值均在BS 6349-4中有詳細(xì)的解釋，本文不再贅述。將各參數(shù)代入計(jì)算，各設(shè)計(jì)船型船舶撞擊能計(jì)算結(jié)果如圖1及表2所示。

圖1 不同噸級(jí)船舶撞擊能及靠泊速度對(duì)比

從表2及圖1可以看出，本項(xiàng)目的橡膠護(hù)舷撞擊能的控制船型為60 000 DWT船型，其次為50 000 DWT的船型，而75 000 DWT的最大設(shè)計(jì)船型撞擊能只排在第三。船舶撞擊能的大小受船舶噸位、靠船角度、靠船速度等多個(gè)變量的綜合影響，起主導(dǎo)作用的是船舶噸位及靠船速度這兩個(gè)變量。在面對(duì)船舶噸位等級(jí)跨度比較大的碼頭的橡膠設(shè)計(jì)時(shí)，需要理清各控制變量的關(guān)系，逐個(gè)分析才能得到正確的設(shè)計(jì)結(jié)論。

表2 船舶撞擊能計(jì)算結(jié)果

1.3 橡膠護(hù)舷的選擇

獲得上述計(jì)算結(jié)果我們可以根據(jù)工程要求及水工結(jié)構(gòu)計(jì)算的需要選取合適的橡膠護(hù)舷。但需要指出的是，我們選取的橡膠護(hù)舷的性能不只是跟橡膠護(hù)舷的型式、橡膠等級(jí)有關(guān)，在多數(shù)情況下還跟靠泊時(shí)橡膠護(hù)舷偏心壓縮的角度、環(huán)境溫度、靠泊速度等有關(guān)[4]。同時(shí)，橡膠護(hù)舷廠商在制造橡膠護(hù)舷時(shí)其性能往往允許存在10 %的偏差。這些因素，均需要設(shè)計(jì)人員在選取橡膠護(hù)舷時(shí)進(jìn)行考慮。以本項(xiàng)目選取的橡膠護(hù)舷為例，60 000 DWT船型的非正常撞擊能在考慮一系列橡膠護(hù)舷性能修正系數(shù)后的撞擊能數(shù)值見表3。

表3 60 000 t級(jí)船型橡膠護(hù)舷吸能量

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)取用H=1 400的錐形橡膠護(hù)舷，護(hù)舷參數(shù)見表4，性能曲線見圖2。

表4 橡膠護(hù)舷性能

圖2 橡膠護(hù)舷性能曲線

2 防沖板設(shè)計(jì)

防沖板設(shè)計(jì)主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)就是面壓，BS 6349-4中規(guī)定集裝箱碼頭防沖板的面壓不得大于200 kPa。面壓的大小取決于橡膠護(hù)舷反力及船舶與貼面板接觸面積的大小。由于橡膠護(hù)舷的反力與撞擊能的關(guān)系與橡膠護(hù)舷的型式有關(guān)，且不是線性關(guān)系，所以并不意味著撞擊能越大，反力就越大，需要具體問(wèn)題具體分析。本項(xiàng)目選用的錐形橡膠護(hù)舷，從圖2可以看出，當(dāng)橡膠護(hù)舷變形達(dá)到35 %（吸能量達(dá)到40 %）的時(shí)候橡膠護(hù)舷的反力已經(jīng)達(dá)到100 %。與此同時(shí)，較小的船型由于干舷高度較小，在某些水位與防沖面板的接觸面積小，因此較小船型往往成為防沖板面壓設(shè)計(jì)的控制船型。

防沖板面壓可以按式（3）計(jì)算：

式中：

R為橡膠護(hù)舷反力；P為船體面壓；

W為貼面板寬度；H為貼面板高度。

表5 面壓計(jì)算結(jié)果

從表5的計(jì)算結(jié)果可以看出，船型越小，防沖板的面壓反而越大。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)：

1）較小船型雖然撞擊能很小，但由于錐型橡膠護(hù)舷的吸能量達(dá)到40 %后反力就已經(jīng)達(dá)到100 %，因此小船型的橡膠護(hù)舷反力并不?。?/p>

2）較小船型的干舷較低，與防沖板接觸面積較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于兼顧多等級(jí)船型的碼頭橡膠護(hù)舷的選取，在計(jì)算橡膠護(hù)舷吸能量時(shí)要具體船型具體分析，最大的撞擊能往往不是在最大設(shè)計(jì)船型上發(fā)生。

對(duì)于橡膠護(hù)舷防沖板面壓的計(jì)算，要充分考慮橡膠護(hù)舷的性能特點(diǎn)與船舶干舷高度的綜合影響，綜合分析才能得到控制的面壓工況。

本文僅以某集裝箱碼頭的橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)為例，但對(duì)于其它船型的碼頭橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)僅供參考。