尹春輝 ，賀軍

護舷系統(tǒng)的設(shè)計是一個較復雜的過程，目前在世界范圍內(nèi)還沒有一本設(shè)計規(guī)范能讓護舷系統(tǒng)的設(shè)計標準化，大部分設(shè)計程序還是需要依賴護舷系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計人員的經(jīng)驗來實現(xiàn)。目前全世界最主流的設(shè)計規(guī)范是國際航運協(xié)會（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”，此外還有英國國家標準（BIS），日本國家標準（JIS），歐洲標準（EUROCODE）等。護舷的設(shè)計一般有4個步驟，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能，第三是根據(jù)碼頭船舶的特質(zhì)分別確定護舷彈性體、前部結(jié)構(gòu)和運動限制裝置（可以有多種方案），最后是根據(jù)設(shè)計合理性及材料安裝成本從各方案中選取最佳方案。

隨著我國水運行業(yè)海外業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)設(shè)計院對使用國際標準對船舶撞擊能量的計算已完全掌握。但是，目前還沒有規(guī)范規(guī)定撞擊能量選取橡膠護舷的計算方法，國內(nèi)水運設(shè)計行業(yè)在橡膠護舷選型時普遍只考慮撞擊能量被單個橡膠護舷吸收的情況。然而中外規(guī)范[1-2]都允許靠泊時撞擊能量被單個或者多個橡膠護舷吸收的情況，即橡膠護舷組進行吸能分配。本文通過對加納某新集裝箱碼頭橡膠護舷吸能分配進行分析計算，提出橡膠護舷的優(yōu)化設(shè)計方法，可供海外水工工程設(shè)計借鑒。

1 船舶撞擊能計算

根據(jù)PIANC 2002[3]，船舶靠泊對護舷的撞擊能量表達式為：

式中：E為撞擊能量，kJ；MD為船舶排水量，t；VB為船舶正常靠泊時的靠泊速度，m/s，根據(jù)靠泊碼頭是否有掩護、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，當護舷連續(xù)布置時取0.9，其他情況取1.0；CC為泊位形狀系數(shù)，取0.8~1.0，開敞式高樁碼頭取1.0，實體碼頭取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)計算公式如下：

式中：DV為船舶與計算裝載度對應的吃水，m；B為船舶型寬。

2）偏心系數(shù)計算公式如下：

其中船舶回轉(zhuǎn)半徑K計算公式如下：

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

當船舶停靠發(fā)生不正確處理、發(fā)生故障或者異常的橫風、水流或者異常風和水流的結(jié)合時，需要考慮非正?？坎?。非正?？坎吹哪芰坑嬎闶窃谡？坎茨芰康幕A(chǔ)上乘以相應的安全系數(shù)實現(xiàn)的。其安全系數(shù)的建議值見PIANC。

2 實例

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1 400m，頂標高為+4.0m。碼頭結(jié)構(gòu)采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)。碼頭橡膠護舷原設(shè)計選型為SCN1800 F2.0，碼頭橡膠護舷結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

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

2.2 計算條件

本項目設(shè)計條件匯總見表1。

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

2.3 橡膠護舷選擇

考慮到錐形橡膠護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，選擇錐形橡膠護舷。

2.4 橡膠護舷型號確定

考慮單個護舷吸能大于2 693 kN·m，選擇SCN1800 F2.0橡膠護舷。橡膠護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 護舷優(yōu)化計算和結(jié)果

3.1 橡膠護舷優(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?？坎此俣鹊纫蛩兀虼嗽谧矒裟芰坑嬎阒胁粦僦貜涂紤]，而只考慮橡膠護舷制造偏差，BS6349-4[3]中規(guī)定制造偏差取10%，經(jīng)咨詢廠家，其制造偏差能達到5%。

2）BS6349-4[3]中明確指出，在船舶靠泊過程中可同時考慮多個護舷吸能的工況。因此，本優(yōu)化方案主要考慮船舶靠泊時2個和3個橡膠護舷單元共同作用下的護舷型號選取。

3.2 橡膠護舷優(yōu)化計算

1）船艏圓弧半徑計算，其結(jié)果見表2。

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

2）橡膠護舷推薦

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

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

3）撞擊時護舷組的工作原理

護舷設(shè)計時還需將跟船舶舷側(cè)板壓力相關(guān)的船艏圓弧半徑、靠泊角度、護舷布置間距、非正?？坎醇翱坎磿r撞擊多個橡膠護舷的因素都考慮在內(nèi)。同時，進行護舷設(shè)計時，BS6349-4規(guī)定船舶靠泊需假定為船舶船艏接觸單個或者多個護舷、船舶縱軸線與碼頭前沿線形成一個向右的角度（靠泊角度在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)）并繞接觸點向右旋轉(zhuǎn)以完成靠泊，一般考慮參與撞擊能吸能的護舷個數(shù)為2個或者3個。當參與吸能的護舷為2個和3個單元時，船舶靠泊初始狀態(tài)及撞擊能完全吸能時的示意圖見圖3。船舶靠泊幾何圖示見圖4。

4）護舷吸能能力復核

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

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

由此可知，設(shè)計船型均是護舷組（每組2個護舷單元或者3個護舷單元）吸能，且均能滿足設(shè)計船型靠泊時的吸能要求。

5）船舶靠泊時船體與碼頭結(jié)構(gòu)最小距離復核

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計手冊[6]，船舶靠泊時，橡膠護舷吸能后會產(chǎn)生變形，船體至碼頭結(jié)構(gòu)的距離會因此縮小，過小的凈距將給船舶及碼頭結(jié)構(gòu)帶來被破壞的風險，結(jié)合護舷的吸能大小和性能曲線圖（圖5），可得出正常靠泊及非正?？坎辞闆r下船體與碼頭結(jié)構(gòu)的凈距最小值為680mm，其凈距示意圖見圖6，計算結(jié)果滿足規(guī)范[2]最小凈距250mm的要求。

6）船舶舷側(cè)板壓強復核

靠泊時船舶舷側(cè)板壓強大小可通過調(diào)整護舷防沖板的面積實現(xiàn)，本項目配備的防沖板尺度為寬度2.1 m和高度5.12 m，經(jīng)計算其對舷側(cè)板的壓強為200 kPa，在允許范圍內(nèi)。

7） 結(jié)論

SPC 1300 G3.0護舷滿足本項目船舶靠泊的設(shè)計要求和使用要求。

圖3 護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 護舷組吸能能力校核Table3 Fender absorption capacity checking

圖6 非正?？坎磿r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

1）基于國外標準和規(guī)范計算出的撞擊能量，需根據(jù)設(shè)計船型及護舷產(chǎn)品手冊和設(shè)計指南對船舶靠泊時作用的護舷個數(shù)進行分析，避免將所有能量分配在一個護舷單元上。

2）本項目因為護舷優(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250萬美元。另外，在本項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)計條件限制，本項目護舷優(yōu)化時還可組合護舷布置間距（可增大），對比分析后合理選擇護舷型號及間距，將進一步降低造價。

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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.