青島永泰長榮
標(biāo)題: 大型船舶靠泊能量計算 [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時間: 2023-12-30 17:37
標(biāo)題: 大型船舶靠泊能量計算
船舶靠泊有效撞擊能量計算和護舷設(shè)計是碼頭工程設(shè)計中的重要內(nèi)容。護舷設(shè)施作為碼頭上重要的設(shè)備之一，關(guān) 系到碼頭工程造價和靠泊作業(yè)安全，特別是對于大型船舶在外?；蜷_敞式水域中的靠泊作業(yè)尤顯重要。結(jié)合工作實踐，就大 型船舶靠泊有效撞擊能量計算進行探討。
關(guān)鍵詞：大型船舶：有效撞擊能量：計算
Abstract: Calculation of effective impact energy by vessel's berthing and fender design are important contents of wharf engineering design.Fender design relates closely to the engineering cost and safe berthing,esp. for large vessels in the open sea area.The calculation of effective impact energy of large-scale vessels is analyzed.
Key words: large-scale vessel;f effective impact energy;calculation
隨著海上運輸?shù)男枰跋虼笮突l(fā)展， 在現(xiàn)有船舶保有量中，大型船舶數(shù)量約占30%, 而其運力占70%。大型船舶噸位大，吃水深，靠 岸時的撞擊能量大，故對碼頭設(shè)計有一定的要 求——要有寬廣的水域，良好的水深，安全的防 撞設(shè)施。碼頭的防撞設(shè)施通常采用橡膠護舷。碼 頭護舷設(shè)施的設(shè)計既要考慮工程處的風(fēng)、浪、流 等自然因素的影響，又要考慮船舶大小和船舶操 作的熟練程度等因素，因此，碼頭護舷設(shè)施的設(shè) 計是既廣泛又復(fù)雜的問題。
國內(nèi)碼頭護舷設(shè)施設(shè)計中， 一般先按交通運 輸部頒布的《港口工程荷載規(guī)范》口中的船舶靠岸時 有效撞擊能量公式計算，再由撞擊能量選擇合適 的護舷設(shè)施；但在承接國外碼頭工程設(shè)計中，有 業(yè)主要求按英國標(biāo)準(zhǔn)P進行設(shè)計。根據(jù)本人多年工 作經(jīng)驗，認(rèn)為這兩個規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn))的計算有一定的
差異，按英國標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計偏于安全。
1 大型船舶的靠泊
1.1 靠泊方式
一般大型船舶靠泊碼頭是在拖輪幫助下完成 的，其靠泊程序如下。
大型船舶進港時，距碼頭泊位不超過3 km 時，其航速逐漸降低，降至5kn 左右；距碼頭1km 時，船舶航速降至為3kn 左右；距碼頭泊位500m 時，船舶航速降至小于1 kn, 直至停車；船舶平 行于碼頭時，用拖輪在船首、船尾、船中3個點 上推向碼頭泊位；以適當(dāng)速度把船舶推向碼頭泊 位，并控制在碼頭泊位前1m 或 2 m 處停住：系 纜： 一般系纜次序為先連首纜，次為倒纜、尾纜， 最后為橫纜，或先連尾纜，次為倒纜、首纜，最 后為橫纜。
1.2 靠泊時與碼頭接觸方式
大型船舶靠泊時與碼頭接觸方式有以下2種。
D 平行靠泊。借助拖輪，在船首、船尾、船 中以相同的速度推向碼頭泊位，這是大型船舶靠 泊的理想方式， 一般極難做到，往往一端先靠泊
碼頭。
2 船舶斜向靠泊碼頭。 一般船舶縱軸線與碼 頭前沿線夾角小于10°,船舶斜向靠泊視靠泊時的 實際情況，有船首靠泊和船尾靠泊。
1.3 靠岸速度
大型船舶靠泊碼頭是借助拖輪，隨著船舶逐 步移近碼頭，拖輪逐步停止推進，依靠船舶本身 的慣性靠泊碼頭，因此，船舶靠泊速度一般很小， 但由于大型船舶噸位大，其撞擊能量的大小與船 舶質(zhì)量和靠泊速度成平方關(guān)系，故船舶靠泊速度 盡管較低，但還是要控制，根據(jù)《港口工程荷載規(guī) 范凹，有掩護的港口碼頭，船舶法向靠岸速度選 用0.06~0.08 m/s, 開敞式的港口碼頭船舶法向靠 岸速度選用0.08~0.15 m/s。
1.4 靠泊碼頭所需拖輪總功率
大型船舶靠泊碼頭需拖輪協(xié)助，不同噸級的 船舶，需配備足夠功率的拖輪進行協(xié)助，才能控 制船舶靠泊速度。在船舶靠泊過程所需拖輪的總
功率，按JTJ211—1987《 海港總平面設(shè)計規(guī)范》
中的公式計算，即 BHP=kQ (1)
式中：BHP 為所需港作拖輪總功率 kW:
K為系數(shù)，DWT≤20000t 時，取0.075; 20000t<DWT≤50000t 時，取0.060;
DWT>50000t 時，取0.050。
Q 為進出港設(shè)計船型的載重噸(D。
一般大型船舶需配備4~5艘拖輪協(xié)助靠泊。 根據(jù)碼頭工程所在區(qū)域的風(fēng)、浪、流等自然條件， 和船舶噸位以及靠泊作業(yè)工藝，選擇操作靈活， 頂、拖性能良好的拖輪。
2 船舶靠泊能量計算
2.1 船舶靠泊能量確定的方法
船舶靠泊能量的確定方法目前大致有下列5
種。
D 動力學(xué)方法。動力學(xué)是慣用方法，至今仍
被廣泛采用，其基本表達(dá)方式為
(2)
式中：
E為船舶靠泊能量4 ·m):
m為靠泊船舶的質(zhì)量 Gm=a/g,t·s2/m); v為船舶靠泊時的瞬間速度 (m/9。
還有一些動力學(xué)計算公式都是從此基本表達(dá) 式中演變過來，僅是其中的系數(shù)選取有差異。
2 統(tǒng)計學(xué)方法。該方法是以對現(xiàn)有泊位的碰 撞能量值的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析這些數(shù)據(jù)，采 用合理的方法，明確顯示出泊位能力、損壞的風(fēng) 險度以及護舷的吸能設(shè)計值三者之間的關(guān)系，來 確定設(shè)計新碼頭泊位的護舷吸能值。
3 模型試驗方法。在水力試驗或船池中，用 小比尺模型試驗來確定護舷的吸能值。
4 數(shù)學(xué)模型方法。此方法仍在發(fā)展完善中， 至今尚未見到與實船靠泊之比較，目前公開發(fā)表 的分析靠泊運動的數(shù)學(xué)模型有2種： 一種是以船 舶運動方程和脈沖函數(shù)為理論基礎(chǔ)，另一種是采 用長浪理論。
9 經(jīng)驗公式。采用簡單的能量計算標(biāo)準(zhǔn)，其 數(shù)值僅根據(jù)排水量而定，是經(jīng)驗公式，其表達(dá)式為
(3)
式中： E 為船舶靠泊能量(t·m);
W 為船舶滿載排水量(D。
在實際設(shè)計中，利用動力學(xué)方法來確定護舷 設(shè)施所吸收的能量最為常見，近乎90%的設(shè)計都 以這種計算方法為依據(jù)，但以護舷設(shè)施能量計算 方法簡要說明公式作為統(tǒng)一的設(shè)計方法存在著一 定的局限性，對于能量公式中的參數(shù)和系數(shù)值的 選定，主觀因素很大，以致各設(shè)計者對同一碼頭 計算出的能量值可以相差幾倍。正因為動力學(xué)方 法存在著一定的局限性，所以國內(nèi)外同仁都在研 究、探討或完善船舶靠泊能量計算方法。
2.2 船舶靠泊能量計算的比較
目前，船舶靠泊能量計算采用的動力學(xué)方法 國內(nèi)外常用的有2個： 一個是國內(nèi)交通運輸部頒 布的JTJ215—1998《港口工程荷載規(guī)范，另一個英國的《海工建筑物標(biāo)準(zhǔn) BS6349第一分冊》(1984 年版)同。下面以這2個計算方法進行分析比較。
D 港口工程荷載規(guī)范中有效撞擊能量計算公
式為
(4)
式中：
E?為船舶的有效撞擊能量 (kD:
p為有效動能系數(shù)，取0.7~0.8;
M為船舶質(zhì)量(D, 按滿載排水量計算：
V.為船舶靠岸法向速度(m/s)。
關(guān)于此方法，“規(guī)范”編制說明，船舶靠岸時， 以法向靠泊速度碰撞碼頭，其具有的能量由橡膠 護舷壓縮變形，碼頭本身彈性變形，船舶運動和 船殼彈性變形，船舶與岸間水體擠升及振動、摩 擦，發(fā)熱等所消耗。橡膠護舷，船殼板變形和碼 頭變形所吸收的能量為有效撞擊能量，它與全部 撞擊能量之比稱為有效撞擊能量(或有效動能 系數(shù)。根據(jù)大量觀測試驗研究，對于裝設(shè)橡膠護 舷的碼頭，有效撞擊能量系數(shù)為0.7~0.8。
② 英國標(biāo)準(zhǔn)BS6349第四分冊(1984年版)因
公式為
E=0.5CyM?·(V)CCCc (5)
式中：
E為船舶的有效撞擊能量(kN·m);
Cw 為水動力質(zhì)量系數(shù)，通常取1.3~1.8;
M?為船舶排水量);
Vg為垂直泊位的靠船速度 (m/9;
Cg為偏心系數(shù)，通常取0.7~0.8;
Cs為柔性系數(shù)；
Ce為泊位形狀系數(shù)。
此種計算方法，將船舶靠泊運動中各種狀況 進行細(xì)化，考慮了船舶周圍水體的運動、船舶碰 撞點的偏心、泊位形狀等，其中影響船舶的有效 撞擊能量的系數(shù)是水動力質(zhì)量系數(shù) Cw和偏心系
數(shù) Cg, 按此計算，船舶靠泊時的有效撞擊能量，
一般要比國內(nèi)規(guī)范計算的大1.3~1.8,據(jù)筆者工作
實踐經(jīng)驗認(rèn)為：在外海或開敞式水域，影響船舶 靠泊的因素比較多，且復(fù)雜，這個數(shù)值是可以考 慮的。
我國在1987年頒布JTJ214—1987《港口工
程技術(shù)規(guī)范》第四篇《荷載》時，國內(nèi)僅建成2個 10萬噸級碼頭，在外?；蜷_敞式水域中建造港口 還是剛剛起步，至1998年頒布JTJ215—1998 《港口工程荷載規(guī)范》口咐，短短10年間，國內(nèi)陸
續(xù)建造一批大型碼頭，有10萬噸級碼頭泊位9
個，20萬噸碼頭泊位4個，成績斐然。隨著國內(nèi) 港口建設(shè)的快速發(fā)展，港口工程技術(shù)得到迅速提
高，在此基礎(chǔ)上，對1987年的《荷載》規(guī)范作了
修訂，修訂主要變更情況有“全部采用以分項系
數(shù)表達(dá)的概率極限狀態(tài)設(shè)計方法，規(guī)定了本規(guī)范
所列荷載的分項系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值。明確指出了兩種 極限狀態(tài)，三種相應(yīng)狀況和相應(yīng)組合，對有關(guān)荷 載盡可能在適用范圍內(nèi)，向深水、大噸位和開敞 式的泊位方面延伸?！盝TJ215—1998《港口工程荷 載規(guī)范》,對我國的港口工程設(shè)計和建設(shè)具有規(guī) 范性和指導(dǎo)性意義，推動了我國港口工程建設(shè)， 但該規(guī)范在船舶靠泊有效撞擊能量計算方面修訂 變更情況不多，僅在船舶法向靠泊速度方面作了
分類和細(xì)化，詳見表1和表2。
從表1和2中明顯看出，對于海船的法向靠 岸速度取值，JTJ214—1987 版規(guī)范中沒有分有掩 護港口和開敞式港口，僅有一類情況的法向靠岸 速度，且船舶噸位在30000 t 以下細(xì)化，而JTJ
215—1998版規(guī)范中分成2類，即有掩護的港口和
開敞式港口。在有掩護的港口，船舶法向靠岸速 度取值下限較JTJ214—1987 版規(guī)范有所提高，且 船舶噸位也細(xì)化到100000t 以內(nèi)，體現(xiàn)“向深 水、大噸位和開敞式的泊位方面延伸”。
表1 船舶靠岸時撞擊的法向速度網(wǎng)
注：表中較大的數(shù)值適用于靠船條件比較惡劣的情況。
表2 海船的法向靠岸速度叫
注：表中較大的數(shù)值適用于靠船條件較為惡劣及海船進入流 速較大的河港時的情況。
在JTJ 215—1998 版《港口工程荷載規(guī)范》中， 船舶靠岸時的有效撞擊能量計算公式中的 p 是有 效動能系數(shù)，可以認(rèn)為是綜合系數(shù)，綜合考慮了 橡膠護舷壓縮變形、碼頭本身彈性變形、船殼彈 性變形、水體運動等壓縮，其值取為0.7~0.8,與 JTJ214—1987 規(guī)范田相同，沒有修訂，筆者認(rèn)為偏 小。在碼頭工程設(shè)計中，遇船舶靠泊能量計算時， 感到1998年版《港口工程荷載規(guī)范》中的計算公 式在有效動能系數(shù)和安全儲備方面考慮尚不夠完 善，與國外船舶靠泊能量計算結(jié)果有差異，由于 船舶噸位大和船舶操作熟練程度有關(guān)，規(guī)范中對 意外情況下的安全儲備沒有提及，參考有關(guān)國家 的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在船舶靠泊能量計算和護舷選擇 時應(yīng)考慮安全儲備或安全系數(shù)。因此，筆者認(rèn)為 在儲備靠泊能量計算中應(yīng)考慮安全系數(shù)，安全系 數(shù)的選取視碼頭工程處的實際情況而定，也可根 據(jù)統(tǒng)計資料和設(shè)計實例確定一個范圍。
3 關(guān)于系數(shù)，修正系數(shù)、安全系數(shù)
在船舶靠泊計算其撞擊能量和護舷選型時， 考慮的參數(shù)、系數(shù)，修正系數(shù)和安全系數(shù)，都有 其一定的含義。
在進行船舶靠泊能量計算時，能量計算公式 中所需的參數(shù)和系數(shù)，如 W,V,Cw,Cg,Cs,Cc