龔春發(fā)，肖娟

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的船舶撞擊能計(jì)算研究

龔春發(fā)，肖娟

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

海外港口工程通常要求采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，船舶撞擊能是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要荷載之一，以印尼KARANG TARAJE碼頭工程為例，詳細(xì)闡述了基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的船舶撞擊能計(jì)算方法，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)考慮了水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)、船舶質(zhì)量偏心、船體本身的吸能、水墊的緩沖作用以及非正?？坎吹纫蛩兀袊?guó)標(biāo)準(zhǔn)僅考慮了有效撞擊能系數(shù)。與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)更偏于保守。

標(biāo)準(zhǔn)；質(zhì)量偏心；船舶撞擊能

0 引言

隨著中國(guó)“走出去”、“一帶一路”等戰(zhàn)略的逐步落實(shí)，海外港口基建市場(chǎng)也越來(lái)越大，而中國(guó)水運(yùn)工程行業(yè)規(guī)范在國(guó)外并未得到廣泛認(rèn)可。目前海外港口工程仍大部分要求采用英國(guó)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)直接影響項(xiàng)目的工程量和造價(jià)。因此，在進(jìn)行海外港口工程設(shè)計(jì)時(shí)，有必要深入了解并掌握英標(biāo)的設(shè)計(jì)方法。

船舶撞擊荷載在港口工程中是主要荷載之一，尤其對(duì)高樁梁板碼頭樁基布置影響較大，目前英國(guó)規(guī)范中該荷載的計(jì)算方法通常采用BS 6349[1-3]系列規(guī)范的規(guī)定，以下簡(jiǎn)稱(chēng)BS 6349。

本文針對(duì)該問(wèn)題，以印尼KARANG TARAJE碼頭工程為例，詳細(xì)闡述了BS 6349中的船舶撞擊能計(jì)算方法，并與現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)水運(yùn)行業(yè)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[4]進(jìn)行對(duì)比，可供海外工程設(shè)計(jì)借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介及布置

印尼KARANG TARAJE碼頭為水泥廠專(zhuān)業(yè)配套碼頭，業(yè)主為印尼GAMA集團(tuán)，位于印尼Bayah區(qū)。根據(jù)業(yè)主規(guī)劃，一期需修建的建筑物包括：550 m防波堤、1個(gè)重件泊位，1個(gè)30 000 DWT的泊位，2個(gè)10 000 DWT的泊位及公用配

套設(shè)施；二期規(guī)劃的主要建筑物包括：300 m加長(zhǎng)防波堤及一個(gè)70 000 DWT碼頭泊位。

碼頭總平面布置如圖1所示。碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求采用英標(biāo)。

圖1 總平面布置Fig.1 Generallayout

1.2 設(shè)計(jì)水位

極端高水位：2.36 m。

設(shè)計(jì)高水位：1.85 m。

設(shè)計(jì)低水位：0.15 m。

1.3 設(shè)計(jì)船型

設(shè)計(jì)船型如表1。

表1 設(shè)計(jì)船型Table1 Design vessel

本文以70 000 DWT船型為例，詳細(xì)闡述基于英標(biāo)的船舶撞擊能計(jì)算方法。

2 船舶撞擊能計(jì)算

2.1 基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的有效撞擊能計(jì)算

船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量可按下式計(jì)算：

式中：E01為船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量，kJ；M為船舶滿載排水量，t；V為船舶靠岸的法向速度，m/s；Cm為水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)；Cs為考慮船體吸收能量的柔性系數(shù)；Cc為考慮水墊緩沖作用的泊位形狀系數(shù)；Ce為考慮當(dāng)船舶質(zhì)量中心偏心時(shí)的系數(shù)；

1）水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)

水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)考慮船舶周?chē)w的運(yùn)動(dòng)，在計(jì)算船舶總能量時(shí)采用增加整個(gè)體系的質(zhì)量，BS 6349推薦的計(jì)算公式為：

式中：D為船舶吃水，m；B為船寬，m。

利用此式，本工程70 000 DWT船型Cm值為1.867。

2）柔性系數(shù)

柔性系數(shù)考慮了船體吸收部分的碰撞能量，BS 6349建議采用以下數(shù)值：對(duì)柔性護(hù)舷以及小船，Cs取值通常為1.0；對(duì)硬性護(hù)舷，則為0.9～1.0之間。

對(duì)柔性護(hù)舷及硬性護(hù)舷的定義，在BS 6349規(guī)范中有相應(yīng)建議：硬性護(hù)舷是指護(hù)舷在受船舶碰撞時(shí)的變形，設(shè)計(jì)值小于0.15 m；在受同樣的碰撞情況下，柔性護(hù)舷的變位將大于0.15 m。

本工程擬選用鼓型護(hù)舷，變形通常大于0.15 m，因此，Cs取值為1.0。

3）偏心系數(shù)

當(dāng)碰撞點(diǎn)并非正對(duì)船舶質(zhì)量中心時(shí)，偏心系數(shù)Ce考慮了傳遞至護(hù)舷能量的減少，可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：K為船舶回轉(zhuǎn)半徑，m；R為從質(zhì)量中心至接觸點(diǎn)的距離，m；γ為接觸點(diǎn)和質(zhì)量中心的連線與船舶速度矢量的夾角。

靠泊示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 靠泊示意圖Fig.2 Sketch of berthing

式（3）中船舶回轉(zhuǎn)半徑K可按下式計(jì)算：

式中：CB為方形系數(shù)，m；R為從質(zhì)量中心至接觸點(diǎn)的距離，m；γ為接觸點(diǎn)和質(zhì)量中心的連線與船舶速度矢量的夾角。

式（4）中方形系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：MD為船舶滿水量；L為船長(zhǎng)；B為型寬；D為船舶吃水；ρSW為海水密度，海水密度取值為1.025 t/m3。

若沒(méi)有船型相關(guān)資料，BS 6349給出各種船型的方形系數(shù)如表2所示。

表2 方形系數(shù)Table2 Shape factor

式（3）中R可按下述方法計(jì)算：

若γ=90°，式（3）可簡(jiǎn)化為：

若γ=0°，則Ce=1，而這種特殊情況，也就是船舶丁靠的靠泊工況。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)x=L/4時(shí)，Ce=0.4～0.6；x=L/3時(shí)，Ce=0.6～0.8；x=L/2時(shí)，Ce=1。

根據(jù)上述計(jì)算公式，本工程70 000 DWT船型Ce值為0.591。

4）泊位形狀系數(shù)

泊位形狀系數(shù)考慮了船舶的一部分能量系由船體與岸壁之間的水墊的緩沖作用所吸收。泊位形狀系數(shù)受以下因素影響：碼頭結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、龍骨下富余深度、靠泊速度及角度、護(hù)舷類(lèi)型以及船型。

通常，對(duì)于透空式高樁碼頭、船舶速度慢或者富余水深大的情形，船體及護(hù)舷間的水體更容易消散，難以形成水墊效應(yīng)，因此BS 6349規(guī)范對(duì)形狀系數(shù)的建議取值為：

透空式高樁碼頭，Cc=1.0；

實(shí)體岸壁碼頭，Cc=0.8～1.0。

本工程碼頭結(jié)構(gòu)形式為透空式高樁梁板結(jié)構(gòu)，因此Cc取值為1.0。

5）靠泊速度

BS 6349規(guī)范中建議在有足夠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，速度取值可采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，若沒(méi)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可采用曲線取值法：即Brolsma等1977推薦的取值曲線，如圖3所示。

圖3 取值曲線Fig.3 Value curve

該曲線對(duì)應(yīng)了5種靠泊條件：

a有掩護(hù)，很好的靠泊條件；

b有掩護(hù)，稍好的靠泊條件；

c無(wú)掩護(hù)，容易的靠泊條件；

d無(wú)掩護(hù)，很好的靠泊條件；

e無(wú)掩護(hù)，困難的航行條件。

從該曲線圖中可看出，d和e條件下速度取值過(guò)大，在計(jì)算時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

本工程在投標(biāo)階段經(jīng)與咨工商定，考慮靠泊時(shí)有防波堤的掩護(hù)，靠泊條件為b類(lèi)型，取值為0.1 m/s。

6）非正?？坎?/p>

BS 6349中要求設(shè)計(jì)護(hù)舷設(shè)施和支撐它的靠泊建筑物時(shí)，應(yīng)確定兩種等級(jí)的撞擊能量，即正常撞擊能量和非正常撞擊能量。對(duì)于非正常撞擊通常指發(fā)生意外的情形，BS 6349中列舉了以下幾種情況：

①船舶或拖船機(jī)器損壞。

②系船纜索或拖纜斷裂。

③風(fēng)或潮流突然變化。

④人為的過(guò)失。

為了對(duì)于上述幾類(lèi)難以估量的風(fēng)險(xiǎn)提供足夠的安全儲(chǔ)備，BS 6349建議，除非確已標(biāo)明在類(lèi)似的情況下，較低的撞擊能量也能滿足，否則，每個(gè)護(hù)舷的極限容量最大應(yīng)按照正常撞擊能量的2倍計(jì)算。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，該系數(shù)可根據(jù)工程的重要性程度與業(yè)主進(jìn)行討論協(xié)商，主要應(yīng)衡量以下幾點(diǎn)因素：

①護(hù)舷損壞對(duì)泊位運(yùn)營(yíng)的影響。

②靠泊頻率。通常對(duì)于業(yè)務(wù)繁忙的港口，高頻率的靠泊作業(yè)出現(xiàn)非正?？坎吹母怕矢?，因此需考慮一個(gè)更高的安全系數(shù)。

③設(shè)計(jì)靠泊速度。如果1個(gè)泊位的設(shè)計(jì)靠泊速度低于0.1 m/s的要求，船員在實(shí)際操船時(shí)由于操縱水平的差異極易導(dǎo)致靠船速度大于設(shè)計(jì)要求，這同樣屬于非正?？坎?。

④靠泊船型的范圍。當(dāng)泊位靠泊船型范圍較大，若主要使用船型為小船，大船偶爾?？?，非正?？坎聪禂?shù)可取小值；相反，若主要使用船型為大船，小船偶爾?？?，非正?？坎聪禂?shù)則取大值更合適。

值得注意的是，任何情形下非正?？坎聪禂?shù)不應(yīng)考慮的過(guò)大而導(dǎo)致使用的護(hù)舷反力過(guò)大，從而非常不利于小船靠泊。對(duì)于非正?？坎聪禂?shù)具體取值，根據(jù)不同船型，更為詳盡的建議值如表3所示。

表3 非正?？坎聪禂?shù)Table3 Abnormalfactor ofberthing

本工程70 000 DWT散貨船為最大船型，考慮將來(lái)運(yùn)營(yíng)期船舶靠泊較為頻繁，非正?？坎聪禂?shù)取為1.5。

2.2 中國(guó)規(guī)范的計(jì)算方法

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的碼頭橫向有效撞擊能計(jì)算公式為：

式中：E0為船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量，kJ；ρ為有效動(dòng)能系數(shù)，取0.8；M為船舶質(zhì)量，t，按設(shè)計(jì)船型滿載排水量計(jì)算；V為船舶靠岸法向速度，取值為0.1 m/s。

其中，船舶法向靠船速度應(yīng)根據(jù)風(fēng)、浪和水流條件，靠泊的船舶及拖船情況等綜合考慮確定，中國(guó)規(guī)范給出了海船靠泊速度的推薦值，如表4所示。

表4 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)海船靠泊速度Table4 Berthing velocity of Chinese standard

3 對(duì)比研究

3.1 公式對(duì)比

為直觀反映基于兩種標(biāo)準(zhǔn)的公式差異，對(duì)比分析如表5所示。根據(jù)表5中兩種規(guī)范的計(jì)算公式，若假定靠泊速度取值相同，則有效撞擊能E1/E2=CeCmCsCc/ρ。而根據(jù)本文2.1節(jié)所作介紹，柔性系數(shù)和泊位形狀系數(shù)的影響最小，可以考慮Cs=1，Cc=1；對(duì)于偏心系數(shù)，若考慮其平均值Ce=0.75，ρ也取0.7～0.8的中間值0.75，此時(shí)E1/E2≈Cm，即在正?？坎吹墓r下，中英標(biāo)準(zhǔn)船舶撞擊能計(jì)算的差異大小主要取決于水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)的取值。同時(shí)，由于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不考慮非正?？坎?，在此特殊情況下，中英標(biāo)準(zhǔn)的差別則接近Cm×Fs倍。

表5 BS 6349及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的撞擊能對(duì)比分析Table5 Contrast of impact energy between Chinese standard and BS 6349

3.2 靠泊速度取值

靠泊速度是影響船舶撞擊能最為敏感的一個(gè)因素，應(yīng)予以特別關(guān)注。從以上兩種標(biāo)準(zhǔn)的速度建議值（圖3和表4）可看出，在有利的靠泊條件下，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)取值范圍為0.06～0.25 m/s，BS 6349取值范圍為0.05～0.20 m/s，兩者較為接近。而在不利的靠泊條件下，BS 6349中速度建議取值非常大，甚至超過(guò)0.7 m/s，與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比，差異較大。因此，在國(guó)外工程技術(shù)合同條款談判時(shí)，應(yīng)明確其取值，以免施工圖審查階段引發(fā)爭(zhēng)議。

4 結(jié)語(yǔ)

1）基于英標(biāo)的有效撞擊能，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)考慮了水質(zhì)量系數(shù)、船舶質(zhì)量偏心、船體本身的吸能、水墊的緩沖作用以及非正?？坎吹纫蛩兀袊?guó)標(biāo)準(zhǔn)僅考慮了有效動(dòng)能系數(shù)，因此，英標(biāo)的撞擊能計(jì)算更為安全保守。

2）船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能，在正?？坎磿r(shí)，中英標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法結(jié)果比值主要取決于水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù)，非正常靠泊時(shí)，其差別還取決于非正?？坎聪禂?shù)。

3）在有利的靠泊條件下，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)取值范圍為0.06～0.25 m/s，BS 6349取值范圍為0.05～0.20 m/s，兩者較為接近，而在不利的靠泊條件下，BS 6349中速度建議取值非常大，甚至超過(guò)0.7 m/s，與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比，差異較大。

4）由于非正?？坎聪禂?shù)Fs及靠泊速度取值對(duì)撞擊能計(jì)算結(jié)果影響最大，在進(jìn)行國(guó)外工程技術(shù)合同談判時(shí)，應(yīng)該綜合考慮靠泊安全及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，明確其取值，以避免施工圖審查階段引發(fā)爭(zhēng)議。

[1]BS:6349-1:2000,Code ofpractice forgeneralcriteria[S].

[2]BS:6349-2:2010,Code ofpractice for the design ofquay walls,jetties and dolphins[S].

[3]BS:6349-4:1994,Design offendering and mooring systems[S].

[4]JTS 144-1—2010，港口工程荷載規(guī)范[S]. JTS 144-1—2010,Load code for harbourengineering[S].

Study against the ship impact energy calculation based on British Standard

GONG Chun-fa,XIAO Juan
（China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

British Standard is generally required in the design of overseas port engineering.The ship impact loading is one of the most important structural design loads.As a typical example of KARANG TARAJE terminal project in Indonesia,we described the impact energy calculation based on the British Standard.British Standard has considered several factors such as water added mass factor,eccentric mass ofvessel,energy absorption ofvessel body,water cushioning pad and abnormal impact. But the Chinese standard only has considered the coefficient of effective impact energy.The British Standard is much higher compared with the Chinese standard.

standard;eccentric mass;ship impact energy

U656.1

A

2095-7874（2015）12-0011-05

10.7640/zggwjs201512003

2015-06-18

2015-08-04

龔春發(fā)（1983—），男，江蘇南通市人，工程師，主要從事海外港口工程市場(chǎng)開(kāi)發(fā)、采購(gòu)、施工及設(shè)計(jì)管理工作。E-mail：1442698079@qq.com