大型船舶靠泊能量計(jì)算

永泰長(zhǎng)榮

船舶靠泊有效撞擊能量計(jì)算和護(hù)舷設(shè)計(jì)是碼頭工程設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。護(hù)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(jià)和靠泊作業(yè)安全，特別是對(duì)于大型船舶在外海或開(kāi)敞式水域中的靠泊作業(yè)尤顯重要。結(jié)合工作實(shí)踐，就大 型船舶靠泊有效撞擊能量計(jì)算進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：大型船舶：有效撞擊能量：計(jì)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(yùn)輸?shù)男枰?，船舶向大型化發(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(yùn)力占70%。大型船舶噸位大，吃水深，靠 岸時(shí)的撞擊能量大，故對(duì)碼頭設(shè)計(jì)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(hù)舷。碼 頭護(hù)舷設(shè)施的設(shè)計(jì)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(hù)舷設(shè)施的設(shè) 計(jì)是既廣泛又復(fù)雜的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)碼頭護(hù)舷設(shè)施設(shè)計(jì)中， 一般先按交通運(yùn) 輸部頒布的《港口工程荷載規(guī)范》口中的船舶靠岸時(shí) 有效撞擊能量公式計(jì)算，再由撞擊能量選擇合適 的護(hù)舷設(shè)施；但在承接國(guó)外碼頭工程設(shè)計(jì)中，有 業(yè)主要求按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)P進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)本人多年工 作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為這兩個(gè)規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn))的計(jì)算有一定的

差異，按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)港時(shí)，距碼頭泊位不超過(guò)3 km  時(shí)，其航速逐漸降低，降至5kn 左右；距碼頭1km  時(shí)，船舶航速降至為3kn 左右；距碼頭泊位500m   時(shí)，船舶航速降至小于1 kn,   直至停車(chē)；船舶平 行于碼頭時(shí)，用拖輪在船首、船尾、船中3個(gè)點(diǎn) 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?。合?纜： 一般系纜次序?yàn)橄冗B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(shí)與碼頭接觸方式

大型船舶靠泊時(shí)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(xiàn)與碼 頭前沿線(xiàn)夾角小于10°,船舶斜向靠泊視靠泊時(shí)的 實(shí)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(jìn)，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(hù)的港口碼頭，船舶法向靠岸速度選 用0.06~0.08 m/s,  開(kāi)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(jí)的 船舶，需配備足夠功率的拖輪進(jìn)行協(xié)助，才能控 制船舶靠泊速度。在船舶靠泊過(guò)程所需拖輪的總

功率，按JTJ211—1987《 海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》

中的公式計(jì)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(shí)，取0.075; 20000t<DWT≤50000t       時(shí)，取0.060;

DWT>50000t  時(shí)，取0.050。

Q 為進(jìn)出港設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)力學(xué)方法。動(dòng)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(shí)的瞬間速度 (m/9。

還有一些動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式都是從此基本表達(dá) 式中演變過(guò)來(lái)，僅是其中的系數(shù)選取有差異。

2  統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。該方法是以對(duì)現(xiàn)有泊位的碰 撞能量值的實(shí)測(cè)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(xiǎn)度以及護(hù)舷的吸能設(shè)計(jì)值三者之間的關(guān)系，來(lái) 確定設(shè)計(jì)新碼頭泊位的護(hù)舷吸能值。

3 模型試驗(yàn)方法。在水力試驗(yàn)或船池中，用 小比尺模型試驗(yàn)來(lái)確定護(hù)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(jiàn)到與實(shí)船靠泊之比較，目前公開(kāi)發(fā)表  的分析靠泊運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型有2種： 一種是以船  舶運(yùn)動(dòng)方程和脈沖函數(shù)為理論基礎(chǔ)，另一種是采  用長(zhǎng)浪理論。

9 經(jīng)驗(yàn)公式。采用簡(jiǎn)單的能量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其 數(shù)值僅根據(jù)排水量而定，是經(jīng)驗(yàn)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(mǎn)載排水量(D。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，利用動(dòng)力學(xué)方法來(lái)確定護(hù)舷 設(shè)施所吸收的能量最為常見(jiàn)，近乎90%的設(shè)計(jì)都 以這種計(jì)算方法為依據(jù)，但以護(hù)舷設(shè)施能量計(jì)算 方法簡(jiǎn)要說(shuō)明公式作為統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法存在著一 定的局限性，對(duì)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(jì)者對(duì)同一碼頭 計(jì)算出的能量值可以相差幾倍。正因?yàn)閯?dòng)力學(xué)方 法存在著一定的局限性，所以國(guó)內(nèi)外同仁都在研 究、探討或完善船舶靠泊能量計(jì)算方法。

2.2 船舶靠泊能量計(jì)算的比較

目前，船舶靠泊能量計(jì)算采用的動(dòng)力學(xué)方法 國(guó)內(nèi)外常用的有2個(gè)： 一個(gè)是國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸部頒 布的JTJ215—1998《港口工程荷載規(guī)范，另一個(gè)英國(guó)的《海工建筑物標(biāo)準(zhǔn) BS6349第一分冊(cè)》(1984 年版)同。下面以這2個(gè)計(jì)算方法進(jìn)行分析比較。

D   港口工程荷載規(guī)范中有效撞擊能量計(jì)算公

式為

(4)

式中：

E?為船舶的有效撞擊能量 (kD:

p為有效動(dòng)能系數(shù)，取0.7~0.8;

M為船舶質(zhì)量(D,  按滿(mǎn)載排水量計(jì)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(shuō)明，船舶靠岸時(shí)， 以法向靠泊速度碰撞碼頭，其具有的能量由橡膠  護(hù)舷壓縮變形，碼頭本身彈性變形，船舶運(yùn)動(dòng)和 船殼彈性變形，船舶與岸間水體擠升及振動(dòng)、摩 擦，發(fā)熱等所消耗。橡膠護(hù)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(chēng)為有效撞擊能量(或有效動(dòng)能  系數(shù)。根據(jù)大量觀測(cè)試驗(yàn)研究，對(duì)于裝設(shè)橡膠護(hù) 舷的碼頭，有效撞擊能量系數(shù)為0.7~0.8。