滾裝直跳板碼頭裝卸作業(yè)潮位預(yù)報(bào)方法

葛俊波，陳駿生，彭江豐

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

滾裝船通過(guò)跳板進(jìn)行車輛滾裝裝卸時(shí)，由于碼頭潮位不斷變化，僅能在一定潮位范圍內(nèi)作業(yè)，作業(yè)潮位主要受跳板長(zhǎng)度、上下極限工作角度等限制，還受到跳板背板線型、跳板通道凈高、通行車輛性能、碼頭參數(shù)等進(jìn)一步制約。若不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)可作業(yè)潮位范圍，車輛裝卸計(jì)劃將難以制定，尤其在作業(yè)碼頭潮差較大、裝卸車輛種類多樣、停靠碼頭不固定等情況時(shí)，易造成滾裝船或車輛等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、資源浪費(fèi)嚴(yán)重的后果。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)船靠碼頭進(jìn)行滾裝作業(yè)的潮位選擇問(wèn)題研究較少。僅趙俊國(guó)等[1]、劉寶新等[2]針對(duì)單節(jié)艉跳板與固定平碼頭的適應(yīng)性，提出作業(yè)潮位和作業(yè)時(shí)間范圍的計(jì)算方法，但是該方法未考慮車輛性能、船傾斜等對(duì)作業(yè)潮位的影響，且無(wú)法適用于前沿設(shè)置斜坡的平碼頭、斜碼頭、雙節(jié)跳板等更加復(fù)雜的情況。在碼頭面高程設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮跳板滾裝作業(yè)時(shí)間[3-5]，但是通常僅考慮跳板上下極限工作角度和船吃水的影響。

本文以滾裝船普遍配置的直跳板(包括艏跳板、舷側(cè)跳板和艉跳板)作為研究對(duì)象，在研究跳板自身技術(shù)狀態(tài)、船的狀態(tài)、通行車輛性能、碼頭參數(shù)等因素對(duì)作業(yè)潮位影響的基礎(chǔ)上，找出影響規(guī)律，提出作業(yè)潮位預(yù)報(bào)方法，用于指導(dǎo)滾裝船制定車輛裝卸作業(yè)計(jì)劃，提高作業(yè)效率。

1 作業(yè)潮位影響因素

1.1 直跳板的技術(shù)狀態(tài)

直跳板技術(shù)狀態(tài)對(duì)作業(yè)潮位產(chǎn)生限制主要在跳板長(zhǎng)度和極限工作角度、跳板端鉸鏈距船基線的高度、跳板背板線型、跳板通道凈高等方面。滾裝船確定時(shí)，跳板長(zhǎng)度和極限工作角度、跳板端鉸鏈距船基線的高度均為已知參數(shù)；跳板通道的凈高為門框上沿到跳板表面的垂直距離，可轉(zhuǎn)化為跳板工作角度的關(guān)系式。跳板背板線型的影響為：1)線接觸如圖1a)所示，但碼頭端部與跳板背板不允許線接觸，可以量化為對(duì)跳板最小打開(kāi)角度的限制，滾裝船確定時(shí)，其跳板能擱靠平碼頭的最小打開(kāi)角度為已知參數(shù)；2) 對(duì)于雙節(jié)跳板，與船體相連的第一節(jié)跳板不能與碼頭相碰，須保持一定的安全距離，如圖1b)所示。該距離可轉(zhuǎn)化為兩節(jié)跳板工作角度和碼頭參數(shù)的關(guān)系式。

圖1 對(duì)跳板背板線型的影響

1.2 隨裝卸任務(wù)變化的可變因素

1.2.1船的狀態(tài)

當(dāng)船吃水增大或船傾斜使跳板處吃水增大時(shí)，作業(yè)潮位整體相應(yīng)上漲；反之，則作業(yè)潮位整體相應(yīng)下降。

對(duì)于雙節(jié)跳板，第一節(jié)跳板端鉸鏈與碼頭端立面的水平距離超過(guò)第一節(jié)跳板長(zhǎng)度時(shí)，不用考慮1.1節(jié)所述第一節(jié)跳板背板與碼頭表面磕碰的問(wèn)題，因此對(duì)作業(yè)潮位選擇產(chǎn)生有利影響。

1.2.2通行車輛的性能

車輛影響裝卸作業(yè)的性能主要包括車輛的外形尺寸、爬坡角、接近角(離去角)、縱向通過(guò)角和涉水能力等5個(gè)方面，如圖2所示。

圖2 影響裝卸的車輛性能參數(shù)

1)外形尺寸。車輛總高小于跳板通道凈高才能通行。對(duì)于長(zhǎng)度方向有較長(zhǎng)突出物的車輛，還要防止車輛在跳板上爬坡時(shí)，突出物撞到門框上沿或者通道頂部的船體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 車輛在跳板上爬坡時(shí)長(zhǎng)度方向突出物與結(jié)構(gòu)干涉

在核算車輛的外形尺寸對(duì)跳板通道凈高要求時(shí)可轉(zhuǎn)化為對(duì)跳板工作角度的限制。由于車輛外形的復(fù)雜性，對(duì)跳板工作角度的限制要求有時(shí)難以直接計(jì)算得到，可采用做圖法直接獲取。

2)爬坡角。跳板與水平面的夾角不應(yīng)大于車輛的爬坡角，即限制了跳板的工作角度。

3)接近角(離去角)。跳板與碼頭之間形成的凹形區(qū)域所夾銳角，跳板與車輛甲板之間可能形成的凹形區(qū)域所夾銳角，以及對(duì)于雙節(jié)跳板在兩節(jié)跳板之間可能形成的凹形區(qū)域所夾銳角，均不應(yīng)大于車輛的接近角和離去角，即限制了跳板的工作角度。

4)縱向通過(guò)角。對(duì)于輪式車輛，要求第一節(jié)跳板與車輛甲板之間可能形成的凸形區(qū)域所夾銳角，以及對(duì)于雙節(jié)跳板在兩節(jié)跳板之間可能形成的凸形區(qū)域所夾銳角，均不應(yīng)大于車輛的縱向通過(guò)角，即限制了跳板的工作角度。對(duì)于履帶式車輛，無(wú)此限制。

5)涉水能力。斜碼頭在高潮位時(shí)端部可能涉水，跳板擱碼頭點(diǎn)的涉水深度不應(yīng)大于車輛的涉水能力。該涉水深度可轉(zhuǎn)化為跳板工作角度和碼頭參數(shù)的關(guān)系式。

1.2.3碼頭參數(shù)

滾裝碼頭形式一般有固定平碼頭、前沿設(shè)置斜坡的固定平碼頭、固定斜碼頭、浮碼頭、活動(dòng)棧橋碼頭等。

固定斜碼頭由斜坡段和水平段組成，參數(shù)一般包括水平段高程、斜碼頭端部高程和斜碼頭段坡度。固定平碼頭可視為固定斜碼頭的一種特殊情況，即斜坡段坡度為0；前沿設(shè)置斜坡的固定平碼頭可等效為固定斜碼頭來(lái)考慮。當(dāng)斜坡段坡度增大或者長(zhǎng)度加長(zhǎng)時(shí)，碼頭端部高程減小，可作業(yè)潮位整體下降。此外，要注意斜坡段與跳板所夾最小銳角不應(yīng)超過(guò)車輛接近角(離去角)，否則車輛將無(wú)法通行。

當(dāng)跳板擱靠浮碼頭時(shí)，船和浮碼頭同步沉浮，僅須考慮浮碼頭與固定碼頭的連接。

在碼頭上設(shè)置可調(diào)節(jié)高度的活動(dòng)棧橋，船舶跳板可與之搭接形成滾裝通道。由于設(shè)置棧橋相當(dāng)于增加跳板長(zhǎng)度的作用，因此能有效擴(kuò)大跳板作業(yè)潮位范圍。

綜上，本文僅考慮對(duì)作業(yè)潮位選擇最為嚴(yán)格、應(yīng)用最普遍的固定式碼頭，包括固定平碼頭、前沿設(shè)置斜坡的固定平碼頭和固定斜碼頭，分析時(shí)可僅以固定斜碼頭為研究對(duì)象。

2 可作業(yè)潮位預(yù)報(bào)方法

根據(jù)上述分析，當(dāng)滾裝船確定時(shí)，跳板碼頭作業(yè)潮位限制要求可定量化為已知參數(shù)、可輸入?yún)?shù)以及跳板工作角度的關(guān)系式，因此可得到對(duì)跳板工作角度的限制，進(jìn)而預(yù)報(bào)作業(yè)潮位范圍。

2.1 影響因素輸入

上述影響因素可以分為兩種類型：1)已知參數(shù)，包括跳板的形狀和尺寸參數(shù)、跳板端鉸鏈相對(duì)船體的位置參數(shù)、跳板極限工作角度、擱靠平碼頭的最小打開(kāi)角度要求、雙節(jié)跳板第一節(jié)背板與碼頭表面的最小安全距離；2)可變參數(shù)，包括船狀態(tài)參數(shù)、車輛性能參數(shù)和碼頭參數(shù)，車輛性能參數(shù)和碼頭參數(shù)可根據(jù)任務(wù)要求確定，船狀態(tài)參數(shù)需要輸入預(yù)估值。

2.2 可作業(yè)的判斷標(biāo)準(zhǔn)

需要同時(shí)滿足以下條件，才能判斷此時(shí)某車輛可通過(guò)跳板安全裝卸：1)跳板打開(kāi)角度在其極限工作角度范圍內(nèi)；2)跳板與碼頭表面的夾角應(yīng)滿足跳板擱靠平碼頭的最小打開(kāi)角度要求；3)對(duì)于雙節(jié)跳板，第一節(jié)跳板背板與碼頭表面的最小距離應(yīng)不小于最小安全距離要求；4)滿足本文1.2.2的要求。

2.3 可作業(yè)潮位范圍的計(jì)算

根據(jù)2.2節(jié)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以構(gòu)建僅以跳板工作角度為未知數(shù)的不等式組，理論上可以求解出跳板的工作角度范圍，進(jìn)而計(jì)算出可作業(yè)潮位范圍?？紤]到該不等式組可能較復(fù)雜、難以理論求解，可以采用數(shù)值迭代的方法求解，即選擇合適的跳板工作角度初始值，以一定的步長(zhǎng)逐步改變跳板工作角度，判斷在該工作角度時(shí)2.2節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)能否全部滿足，若全部滿足則求解此時(shí)的潮位值并記錄，若不滿足，則繼續(xù)改變跳板工作角度直至超出跳板的極限工作角度范圍，最后統(tǒng)計(jì)所記錄的潮位值，得到最低潮位和最高潮位。

3 舷側(cè)雙節(jié)跳板擱靠固定斜碼頭案例驗(yàn)證

3.1 基本假設(shè)

通過(guò)以下合理假設(shè)，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：1) 假設(shè)各橫截面上舷側(cè)門第一節(jié)跳板背板線型為直線段；2) 假設(shè)舷側(cè)跳板中心線與船體中心線垂直；3) 舷側(cè)跳板沿船首尾方向?qū)挾容^小，各橫截面形狀和尺度變化不大，且擱靠碼頭裝載時(shí)要求縱傾較小，因此可按照跳板中心線所在橫截面進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算模型和參數(shù)定義

假定舷側(cè)跳板位于船漂心首部，擱靠碼頭時(shí)的幾何模型如圖4所示。

圖4 船右舷側(cè)雙節(jié)跳板擱碼頭參數(shù)

參數(shù)分為需要輸入的參數(shù)、求解的變量和已知參數(shù)3類。計(jì)算前需要輸入的參數(shù)定義和取值：橫傾角度(右傾為正)φ為-2°；縱傾角度(艏傾為正)θ為-1°；斜碼頭坡度λ為8.5°(平碼頭取 0°)；碼頭水平段高程Hm1為6.50 m；碼頭端部高程Hm2為5.52 m；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心至碼頭端立面的水平距離ρ為2.75 m；船漂心處所在肋位處船中線吃水dr為8.745 m。

求解的變量定義為：α為第一節(jié)跳板頂板相對(duì)水平面的夾角(逆時(shí)針為正)(°)；β為第二節(jié)跳板頂板相對(duì)水平面的夾角(逆時(shí)針為正)(°)；k為第一節(jié)跳板頂板相對(duì)車輛甲板所夾銳角(逆時(shí)針為正)(°)；Δ為第一節(jié)跳板背板與碼頭表面的最小距離(m)；D1為碼頭端部至水面的垂直距離(m)；D2為跳板端部至水面的垂直距離(m)；Td為吃水值；τ為第二節(jié)跳板擱斜碼頭的點(diǎn)沿垂直碼頭表面方向量至水面的距離(當(dāng)擱靠碼頭點(diǎn)位于水面上方時(shí)，取τ=0)(m)。

已知參數(shù)定義和取值：第一節(jié)跳板端鉸鏈中心沿船高度方向至基線的距離H為11.760 m；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心沿船寬當(dāng)下至船中線面的距離M為15.891 m；舷側(cè)跳板中心線所在橫截面沿船長(zhǎng)方向至船漂心的距離S為21.3 m；第二節(jié)跳板能夠擱到平碼頭時(shí)，β的代數(shù)最大值β0為-7.714°；第一節(jié)跳板背板與碼頭表面的最小安全距離Δs為0.4 m；第一節(jié)跳板承載機(jī)構(gòu)拉直而能夠承載時(shí)，k的代數(shù)最大值k0為8°；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心與中間鉸鏈中心間距L1為4.352 m；第二節(jié)跳板擱碼頭端部圓鋼圓心與中間鉸鏈中心間距L2為3.439 m；第二節(jié)跳板擱碼頭端部圓鋼的半徑R為0.052 m；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心與中間鉸鏈中心連線與頂板所夾銳角σ1為1.922 3°；第二節(jié)跳板擱碼頭端部圓鋼圓心與中間鉸鏈中心連線與頂板所夾銳角σ2為1.671 4°；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心至背板的垂線長(zhǎng)度g1為0.574 m；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心與中間鉸鏈中心連線與背板所夾銳角σ3為1.952 9°；第一節(jié)跳板端鉸鏈中心至背板外端點(diǎn)沿著背板的距離L3為4.804 m。

3.3 通行車輛性能參數(shù)

車輛性能參數(shù)根據(jù)預(yù)計(jì)的裝載對(duì)象進(jìn)行輸入：A為最大爬坡角，取15°；B為接近角和離去角的較小值，取18°；C為縱向通過(guò)角(對(duì)于履帶式車輛C=∞)，取10°；P為最大涉水深度，取0.2 m。

3.4 判斷可作業(yè)的衡準(zhǔn)

判斷該車輛可通過(guò)舷側(cè)跳板安全裝卸的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)2.2節(jié)歸納為式(1)～(5)聯(lián)立的不等式組：

Δ≥Δs

(1)

τ≤P

(2)

max{[max(kd,-C,-18°)-φ],-A,-18°}≤

α≤ min(ku,k0,B)-φ

(3)

max(-A,λ-B,-18°) ≤β≤λ+β0

(4)

-B≤(α-β)≤min(C,18°)

(5)

式中：ku、kd分別為跳板通道滿足車輛通行高度要求時(shí)k的代數(shù)最大值、最小值，ku和kd的取值需要通過(guò)做圖得到，取ku= 8°、kd= -16°。

3.5 不等式組未知數(shù)簡(jiǎn)化

式(1)的Δ和式(2)的τ，以及潮位值Td均可轉(zhuǎn)化為僅包含α和β兩個(gè)未知數(shù)的代數(shù)式。

3.5.1Δ的轉(zhuǎn)化

根據(jù)圖5可知，當(dāng)ρ>L3cos(α+σ1+σ3)時(shí)，Δ=∞；當(dāng)ρ≤L3cos(α+σ1+σ3)時(shí)，Δ的取值又有兩種情況：1) 當(dāng)α≥ (λ-σ1-σ3)時(shí)，Δ=Δ1，即碼頭端點(diǎn)距離舷側(cè)第一節(jié)跳板背板的垂線距離；2) 當(dāng)α< (λ-σ1-σ3)時(shí)，Δ=Δ2，即舷側(cè)第一節(jié)跳板背板前端點(diǎn)距離碼頭表面的垂線距離。

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到：

Δ1=x4cos(α+σ1+σ3-λ)

(6)

Δ2=g3-L4sin(λ-α-σ1-σ3)

(7)

式(6)、(7)的等式右邊均可轉(zhuǎn)化為僅包含α和β兩個(gè)未知數(shù)的代數(shù)式，此處略。

3.5.2τ的轉(zhuǎn)化

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到當(dāng)λ> 0時(shí)，有：

τ=max(0,Lttanλ-D1cosλ)

(8)

式(8)右邊可轉(zhuǎn)化為僅包含α和β兩個(gè)未知數(shù)的代數(shù)式，此處略。

3.5.3Td的轉(zhuǎn)化

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到：

Td=Hm2-D2

(9)

式(9)右邊均可轉(zhuǎn)化為僅包含α和β兩個(gè)未知數(shù)的代數(shù)式，此處略。

3.6 數(shù)值迭代法求解

由于3.4節(jié)的不等式組包含5個(gè)不等式，且其中式(1)、(2)嵌套了大量三角函數(shù)，理論求解難以實(shí)現(xiàn)，故采用數(shù)值迭代方法求解。求解流程如圖5所示。

取兩節(jié)跳板工作角度的迭代增大的步長(zhǎng)為0.1°，計(jì)算結(jié)果為：可作業(yè)最低潮位2.240 7 m，此時(shí)第一節(jié)跳板與水平夾角3.6°，第二節(jié)跳板與水平夾角-6.3°；可作業(yè)最高潮位3.307 4 m，此時(shí)第一節(jié)跳板與水平夾角-8°，第二節(jié)跳板與水平夾角-9.5°。

對(duì)計(jì)算結(jié)果采用做圖法易驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

圖5 數(shù)值迭代法求解可作業(yè)潮位范圍流程

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)滾裝直跳板碼頭作業(yè)潮位影響因素分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滾裝船確定時(shí)，碼頭作業(yè)潮位限制要求均可定量化為已知參數(shù)、可輸入?yún)?shù)以及跳板工作角度的關(guān)系式，使得作業(yè)潮位預(yù)報(bào)具備理論基礎(chǔ)。

2) 滾裝直跳板碼頭可作業(yè)的判斷衡準(zhǔn)涉及較多不等式，嵌套了大量三角函數(shù)，理論求解可作業(yè)潮位范圍難以實(shí)現(xiàn)，本文采用數(shù)值迭代方法求解，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和便捷性。

3) 基于通用化原則的分析，本文提出的潮位預(yù)報(bào)方法適用于各種形式的直跳板，固定平碼頭(包括前沿設(shè)置斜坡情況)和固定斜碼頭等普通碼頭，以及履帶式、輪式等類型的車輛。