黃 建，許松喬

(大連理工大學(xué)，土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

碼頭護(hù)舷設(shè)計(jì)是港口工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，直接影響著碼頭結(jié)構(gòu)及其所受荷載，國外標(biāo)準(zhǔn)中的護(hù)舷設(shè)計(jì)多以英標(biāo)BS6349和國際航運(yùn)協(xié)會(huì)PIANC WG 33的標(biāo)準(zhǔn)為主。目前我國對(duì)于國外護(hù)舷設(shè)計(jì)的研究主要集中在基于BS6349和基于PIANC的船舶撞擊能與國內(nèi)計(jì)算公式的比較[1-4]，護(hù)舷選型、間距[5]，撞擊能在多護(hù)舷分配下的優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-7]等。然而，英標(biāo)和PIANC的撞擊能計(jì)算公式雖然相同，但在參數(shù)的選取和考慮因素上仍有出入，本文就英標(biāo)和PIANC船舶撞擊能各參數(shù)意義及取值進(jìn)行了詳細(xì)說明，并進(jìn)行比對(duì)。同時(shí)對(duì)偏心系數(shù)CE的取值影響開展了進(jìn)一步研究。

1 船舶撞擊能公式比較

英標(biāo)BS 6349-4[8]與PIANC規(guī)范[9]中船舶撞擊能公式基本相同，均從基本動(dòng)能公式(1)[10]乘以一組修正系數(shù)轉(zhuǎn)化而來，分別為式(2)、(3)。

(1)

英標(biāo)：

(2)

PIANC：

(3)

式中：M與MD為船舶排水量；v與VB為船舶靠泊時(shí)垂直泊位前沿線的靠泊速度;CM、Cm為水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)或虛擬質(zhì)量系數(shù)；CE、Ce為偏心系數(shù)；CS、Cs為柔性系數(shù)；CC、Cc為泊位形式系數(shù)。

1.1 CM、Cm——水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)或虛擬質(zhì)量系數(shù)

在計(jì)算船舶撞擊能時(shí)，考慮船舶周圍水體運(yùn)動(dòng)，因此整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量應(yīng)增加，CM、Cm也叫做附加質(zhì)量系數(shù)。它是一個(gè)放大系數(shù)，主要受船舶種類及船下水體質(zhì)量(龍骨下富裕水深)的影響。水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)基本公式如下：

(4)

式中：CM為水動(dòng)力或虛擬質(zhì)量系數(shù)；Md為船體排水量(t)；Mh為水動(dòng)力或附加質(zhì)量(t)；CHR為船體移動(dòng)相對(duì)于縱軸夾角的減小系數(shù)。原則上，開敞水域船體垂直向泊位移動(dòng)時(shí)CHR取1.0，而開敞水域船體沿其縱軸移動(dòng)則CHR取為0.1。

1.1.1英標(biāo)

BS 6349-4中采用的是葡萄牙Vasco Costa公式(5)，公式假定要滿足龍骨下富裕間距大于0.1D，船舶靠泊速度大于0.08 m/s。

(5)

式中：D為船舶吃水；B為船寬。

同時(shí)英標(biāo)中提到，用此公式計(jì)算的CM取值一般介于1.3～1.9。

1.1.2PIANC

而PIANC中除了Vasco Costa公式外，還介紹了Shigeru Ueda公式(6)，將其代入式(4)可得變形后的Cm計(jì)算值式(7)。

(6)

(7)

式中：ρ為水體密度；L為船長；Cb為船舶方形系數(shù)。

分別對(duì)不同船型套用Shigeru Ueda和Vasco Costa公式，可知前者計(jì)算的CM值一般均大于后者。在沒有其他更好的取值依據(jù)時(shí)，也可按下列推薦值選?。狠^大的船底富裕水深時(shí)(如0.5D)，Cm=1.5；較小的船底富裕水深時(shí)(如0.1D)，Cm=1.8；船底富裕水深介于0.1D～0.5D時(shí)，可插值選??；縱向靠泊即丁靠時(shí)，建議Cm取1.1。

1.2 CE、Ce—偏心系數(shù)

靠泊接觸點(diǎn)非船舶中心點(diǎn)時(shí)，船體旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致部分能量被吸收的減小系數(shù)為偏心系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮船體外形和護(hù)舷布置，準(zhǔn)確估算船舶與護(hù)舷撞擊點(diǎn)的位置。計(jì)算公式如下：

(8)

K=(0.19Cb+0.11) LBP

(9)

式中：R為靠泊接觸點(diǎn)與船舶質(zhì)心的距離；γ為靠泊接觸點(diǎn)和質(zhì)心連線與碼頭前沿法線方向的夾角；LBP為船舶垂線間長度；x為靠泊撞擊點(diǎn)距船艏的距離；Cb為船舶方形系數(shù)。船舶靠泊過程的幾何尺寸見圖1。

圖1 船舶靠泊過程幾何尺寸

英標(biāo)中船舶方形系數(shù)Cb計(jì)算見式(10)，前期設(shè)計(jì)缺少數(shù)據(jù)時(shí)可參照BS 6349-1-1:2013取值，見表1。

(10)

表1 英標(biāo)船舶方形系數(shù)參照值范圍

油輪或氣體運(yùn)輸船靠泊布置時(shí)，由于管匯中心線未必在船舶中心，可假定管匯中心和裝卸平臺(tái)中心偏差0.1LOA，但不大于15 m?？赡茼氀芯科矫娌贾茫钥紤]船舶管匯中心與碼頭裝卸臂作業(yè)范圍的變化影響。

對(duì)5萬噸級(jí)以上船舶來說，靠泊角α最大可取6°，而無拖輪輔助靠泊的小型船舶靠泊角可取大些，如集散船或沿海船可取10°～15°；駁船可取15°。

PIANC中Ce可按圖2取值，或用公式計(jì)算。計(jì)算公式同式(8)、(9)和(10)，PIANC推薦的船舶方形系數(shù)Cb取值與英標(biāo)略有不同，見表2。

圖2 Ce與相關(guān)參數(shù)關(guān)系

表2 PIANC船舶方形系數(shù)參照值范圍

集裝箱船雜貨及散貨船油船渡船滾裝船0.60～0.800.72～0.850.850.55～0.650.70～0.80

PIANC中還規(guī)定對(duì)大型油輪，K可近似取0.25L。在缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)且簡單計(jì)算時(shí)，Ce可如下近似取值：1)對(duì)連續(xù)式泊位，四分點(diǎn)靠泊時(shí)，船舶靠泊撞擊點(diǎn)距船艏大約25%船長，Ce=0.5;2)對(duì)靠船墩，船舶靠泊撞擊點(diǎn)距船艏大約35%船長，Ce=0.7；

1.3 CS、 Cs—柔性系數(shù)

柔性系數(shù)，或者叫船體彈性系數(shù)，是指被船殼所吸收的一部分沖擊能，是個(gè)減小系數(shù)。英標(biāo)及PIANC對(duì)其描述并無差別，一般來說取為1.0。對(duì)船舶靠泊連續(xù)式橡膠護(hù)舷，或者大船靠泊固定在結(jié)構(gòu)上的硬護(hù)舷，可取0.9；大船如VLCC可取0.9。硬護(hù)舷可定義為設(shè)計(jì)船舶靠泊時(shí)，護(hù)舷壓縮量小于0.15 m的護(hù)舷。而大多數(shù)情況下，船殼所能吸收的能量有限。因此區(qū)分軟硬護(hù)舷益處不大，可不考慮，即取1.0。

1.4 CC、Cc—泊位形式系數(shù)

由于船體及碼頭岸壁間所夾的水體對(duì)船舶撞擊能起到一定的緩沖作用，引入泊位形式系數(shù)，是個(gè)減小系數(shù)。主要受碼頭結(jié)構(gòu)類型、距船側(cè)距離、靠泊角和航速、船體形狀和龍骨下間隙的影響。

英標(biāo)及PIANC認(rèn)為在岸壁式碼頭船體平行靠泊(靠泊角度< 5°)且龍骨下富裕深度小于15%吃水時(shí)，泊位形式系數(shù)可以取0.9,其他情況均為1.0。

1.5 Cab—異?？坎茨芰肯禂?shù)

式(2)、(3)所計(jì)算的撞擊能為特征值，或者說是考慮正常撞擊所需要的吸收能。而在國外的船舶撞擊能計(jì)算理念中，除要考慮船舶正?？坎磿r(shí)產(chǎn)生的撞擊能外，還應(yīng)滿足合理的非正?？坎磿r(shí)產(chǎn)生的撞擊能。為保證合理的非正常撞擊不會(huì)損壞靠泊系統(tǒng)，應(yīng)在此基礎(chǔ)上乘以異常靠泊能量系數(shù)得到護(hù)舷要滿足的設(shè)計(jì)吸收能。見式(11)。

ED=CabEC

(11)

式中：EC為船舶撞擊能特征值；Cab為異?？坎茨芰肯禂?shù)；ED為船舶撞擊能設(shè)計(jì)值。而我國規(guī)范中沒有船舶撞擊能計(jì)算這類理念。

異?？坎粗饕怯捎谡`操作、故障或極端靠泊條件產(chǎn)生的。英標(biāo)中異常靠泊能量系數(shù)是基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估建立的，考慮到超過正?？坎茨芰康目赡苄院妥o(hù)舷系統(tǒng)超載的后果，低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)取1.5，高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)取2.0。如無統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可參照如下：裝卸常規(guī)貨物的連片式碼頭取1.5，輪渡碼頭取2.0，LPG或LNG碼頭取2.0，島式碼頭取2.0。

而PIANC在選取異?？坎茨芰肯禂?shù)時(shí)主要考慮了單護(hù)舷失效對(duì)泊位的影響、靠泊頻率、設(shè)計(jì)靠泊速度(低設(shè)計(jì)靠泊速度時(shí)，需要更高的技術(shù)，亦會(huì)較高概率地發(fā)生異?？坎?、護(hù)舷支撐結(jié)構(gòu)的脆弱程度、船舶噸級(jí)以及貨物危險(xiǎn)性等?？稍诒?中的建議值基礎(chǔ)上考慮以上因素最終確定，一般異?？坎茨芰肯禂?shù)介于1.1～2.0。

表3 PIANC異?？坎茨芰肯禂?shù)取值

1.6 英標(biāo)及PIANC船舶撞擊能比較

由式(2)、(3)知，英標(biāo)及PIANC的撞擊能計(jì)算公式相同，僅在參數(shù)選取上有所區(qū)別，不同規(guī)范參數(shù)計(jì)算的方法選取見表4。

表4 各規(guī)范撞擊能參數(shù)計(jì)算方法

由表4可知，PIANC與英標(biāo)的撞擊能計(jì)算參數(shù)基本相同，只是PIANC提供的參數(shù)選取方法較英標(biāo)更多些。

1.6.1邊界條件

選取1萬～20萬噸級(jí)集裝箱船和1萬～40萬噸級(jí)油船為例進(jìn)行比較分析。算例假定邊界條件如下：1)為比較其撞擊能計(jì)算差異，算例中PIANC規(guī)范選取與英標(biāo)不同的參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行比較分析。2)一般岸壁式碼頭靠泊撞擊點(diǎn)距船首1/4船長，墩式碼頭靠泊撞擊點(diǎn)距船首1/3船長。因此對(duì)集裝箱船撞擊能算例采用四分點(diǎn)靠泊，油船算例采用三分點(diǎn)靠泊。3)船型參數(shù)采用西班牙ROM 3.1中的船型尺度。4)本文主要比較撞擊能計(jì)算系數(shù)的不同，因此假定各噸級(jí)船型靠泊速度均為0.1 m/s。

1.6.2集裝箱船

各規(guī)范中集裝箱船不同噸級(jí)撞擊能見圖3。

圖3 各規(guī)范下不同噸級(jí)集裝箱船撞擊能對(duì)比(四分點(diǎn)靠泊)

由圖3可知，在撞擊能特征值比對(duì)中，英標(biāo)與PIANC規(guī)范計(jì)算結(jié)果相近，均略大于我國規(guī)范。而考慮了非正常撞擊工況時(shí)的撞擊能設(shè)計(jì)值計(jì)算中，英標(biāo)及PIANC規(guī)范均遠(yuǎn)大于我國規(guī)范計(jì)算結(jié)果(此時(shí)假定我國規(guī)范中異?？坎茨芰肯禂?shù)為1，下同)。

為詳細(xì)比對(duì)兩種國外規(guī)范及與我國規(guī)范間的差異，將其計(jì)算結(jié)果與我國規(guī)范結(jié)果以差值比例的形式體現(xiàn)，見圖4。即α=(E外-E國)/E國。

圖4 英標(biāo)及PIANC集裝箱船撞擊能與國標(biāo)差值比例(四分點(diǎn)靠泊)

由圖4可知：對(duì)于撞擊能特征值，英標(biāo)及PIANC的撞擊能計(jì)算值均略大于我國規(guī)范。由于小船靠泊角度增大，隨著船舶噸級(jí)減小，撞擊能比國標(biāo)大得多。英標(biāo)與PIANC分別比我國規(guī)范大出8%～40%和1%～34%。對(duì)于撞擊能設(shè)計(jì)值，兩種規(guī)范計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)超出我國規(guī)范，其中英標(biāo)撞擊能設(shè)計(jì)值超出我國63%～110%，PIANC中異于英標(biāo)的參數(shù)取值方法所得的撞擊能設(shè)計(jì)值超出我國53%～168%。PIANC撞擊能設(shè)計(jì)值大于英標(biāo)的原因在于其異?？坎茨芰肯禂?shù)大于英標(biāo)。

1.6.3油船

各規(guī)范中油船不同噸級(jí)撞擊能見圖5。

圖5 各規(guī)范下不同噸級(jí)油船撞擊能對(duì)比(三分點(diǎn)靠泊)

由圖5可知，在撞擊能特征值對(duì)比中，計(jì)算結(jié)果英標(biāo)>PIANC>我國規(guī)范。而考慮了非正常撞擊工況時(shí)的撞擊能設(shè)計(jì)值計(jì)算中，英標(biāo)計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于PIANC及我國規(guī)范。

將其計(jì)算結(jié)果與我國規(guī)范結(jié)果以差值比例的形式體現(xiàn)，見圖6。

圖6 英標(biāo)及PIANC油船撞擊能與國標(biāo)差值比例(三分點(diǎn)靠泊)

由圖6可知，對(duì)于撞擊能特征值，英標(biāo)計(jì)算結(jié)果超出我國72%～90%，PIANC計(jì)算結(jié)果超出我國49%～80%。而對(duì)于撞擊能設(shè)計(jì)值，英標(biāo)計(jì)算結(jié)果超出我國243%～279%，PIANC計(jì)算結(jié)果超出我國86%～187%。對(duì)于5萬噸級(jí)及以下船舶，由于靠泊角度增大，計(jì)算結(jié)果差值更大。英標(biāo)撞擊能設(shè)計(jì)值大于PIANC的原因在于其異?？坎茨芰肯禂?shù)大于英標(biāo)。

2 船舶偏心系數(shù)對(duì)船舶撞擊能的影響

從BS 6349-4及PIANC規(guī)范中知，船舶偏心系數(shù)取值范圍較大，直接影響船舶撞擊能的計(jì)算。其差異產(chǎn)生的主要原因在于：1)受具體船型及碼頭結(jié)構(gòu)形式、平面布置的影響，船舶實(shí)際靠泊撞擊點(diǎn)位置具有差異性;2)液體散貨船由于管匯偏中及裝卸臂位置偏差影響，使得船舶中心在1)影響的基礎(chǔ)上進(jìn)一步偏移，影響靠泊接觸點(diǎn)與船舶中心的距離。

2.1 靠泊撞擊點(diǎn)位置對(duì)船舶偏心系數(shù)的影響

對(duì)于靠泊撞擊點(diǎn)位置的影響，因?yàn)樵谇捌谠O(shè)計(jì)階段可能缺乏具體船舶尺寸及平面布置資料，因此一般假定船舶采用三分點(diǎn)或四分點(diǎn)靠泊的形式來計(jì)算R值。

為比較三分點(diǎn)與四分點(diǎn)靠泊兩種假設(shè)對(duì)偏心系數(shù)的影響。將1.6算例中油船改為采用四分點(diǎn)靠泊，得出撞擊能結(jié)果見圖7、8。

圖7 各規(guī)范下不同噸級(jí)油船撞擊能對(duì)比(四分點(diǎn)靠泊)

圖8 英標(biāo)及PIANC油船撞擊能與國標(biāo)差值比例(四分點(diǎn)靠泊)

將油船四分點(diǎn)靠泊時(shí)的撞擊能與三分點(diǎn)靠泊時(shí)進(jìn)行比較，可知對(duì)于各噸級(jí)油船，英標(biāo)規(guī)范采用三分點(diǎn)靠泊時(shí)撞擊能是四分點(diǎn)靠泊時(shí)的1.26～1.30倍，PIANC規(guī)范則為1.32～1.38倍?？坎醋矒酎c(diǎn)越接近船舶質(zhì)心，CE越大，撞擊能越大。

2.2 管匯中心和裝卸平臺(tái)中心偏差對(duì)船舶偏心系數(shù)的影響

對(duì)于管匯中心和裝卸平臺(tái)中心偏差影響，根據(jù)OCIMF和CDI于2017年底聯(lián)合出版的《油輪和化學(xué)品船管匯布置新指南》(該指南已由中國船級(jí)社簽發(fā)，2019年1月1日起啟用)，新船管匯偏中應(yīng)不超過3 m，但碼頭裝卸臂數(shù)量及間距統(tǒng)計(jì)難度及差異性較大。

因此，按BS 6349中對(duì)管匯中心和裝卸平臺(tái)中心偏差的限制來比較分析。假定油船以三分點(diǎn)靠泊，對(duì)各噸級(jí)油船裝卸中心(船舶管匯中心線和碼頭對(duì)應(yīng)輸油臂對(duì)齊時(shí)的位置)按靠近和遠(yuǎn)離靠泊撞擊點(diǎn)5、10、15 m分別計(jì)算其CE變化幅度，并與不偏移時(shí)的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比，見圖9。

圖9 管匯中心和裝卸平臺(tái)中心偏差對(duì)CE的影響

由圖9可知，裝卸中心離靠泊撞擊點(diǎn)越遠(yuǎn)，CE越小；離靠泊撞擊點(diǎn)越近，CE越大，基本呈對(duì)稱影響。船舶越小，管匯中心和裝卸平臺(tái)中心偏差對(duì)CE的影響越大。對(duì)于40萬噸級(jí)油船，CE影響幅度為-11.7% ～ 11.5%；對(duì)于1萬噸級(jí)油船，CE影響幅度為-28.6% ～ 25.9%。

3 結(jié)論

1)英標(biāo)及PIANC規(guī)范中船舶撞擊能計(jì)算公式相同，不同之處在于PIANC除與英標(biāo)相同的參數(shù)計(jì)算方法外還提供了其他方法，如Cm、Ce等參數(shù)。此外兩本規(guī)范的異?？坎茨芰肯禂?shù)取值及原則不同。

2)英標(biāo)及PIANC規(guī)范的護(hù)舷設(shè)計(jì)均考慮要滿足合理的異?？坎磿r(shí)產(chǎn)生的撞擊能，而我國規(guī)范船舶撞擊能計(jì)算中沒有這類理念，進(jìn)而導(dǎo)致了以上兩種規(guī)范護(hù)舷設(shè)計(jì)吸收能要大于我國規(guī)范。

3)假定集裝箱船采用四分點(diǎn)靠泊時(shí)，英標(biāo)及PIANC中選取異于英標(biāo)參數(shù)計(jì)算的船舶撞擊能特征值相近，超出我國規(guī)范結(jié)果在40%以內(nèi)，船型越大與我國規(guī)范計(jì)算值越接近。撞擊能設(shè)計(jì)值PIANC大多大于英標(biāo)。

4)假定油船采用三分點(diǎn)靠泊時(shí)，英標(biāo)船舶撞擊能特征值大于PIANC，兩規(guī)范分別超出我國規(guī)范結(jié)果70%～90%和50%～80%。撞擊能設(shè)計(jì)值英標(biāo)要大于PIANC。

5)靠泊撞擊點(diǎn)越接近船舶質(zhì)心，CE越大，撞擊能越大。因此英標(biāo)中油船采用三分點(diǎn)靠泊的撞擊能約為采用四分點(diǎn)靠泊的1.26～1.30倍，PIANC規(guī)范則為1.32～1.38倍。

6)油船及氣體運(yùn)輸船存在管匯偏中，計(jì)算CE時(shí)要考慮裝卸中心點(diǎn)與靠泊撞擊點(diǎn)距離的偏移。距離增加時(shí)CE減小，反之則增大。管匯偏中對(duì)大船CE影響小，對(duì)小船CE影響大。