基于英國標準的船舶撞擊能計算研究

龔春發(fā)，肖娟

（中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

基于英國標準的船舶撞擊能計算研究

龔春發(fā)，肖娟

（中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

海外港口工程通常要求采用英國標準進行設計，船舶撞擊能是碼頭結(jié)構(gòu)設計中的重要荷載之一，以印尼KARANG TARAJE碼頭工程為例，詳細闡述了基于英國標準的船舶撞擊能計算方法，英國標準考慮了水動力質(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?，而中國標準僅考慮了有效撞擊能系數(shù)。與中國標準相比，英國標準更偏于保守。

標準；質(zhì)量偏心；船舶撞擊能

0 引言

隨著中國“走出去”、“一帶一路”等戰(zhàn)略的逐步落實，海外港口基建市場也越來越大，而中國水運工程行業(yè)規(guī)范在國外并未得到廣泛認可。目前海外港口工程仍大部分要求采用英國規(guī)范進行設計，不同的規(guī)范標準直接影響項目的工程量和造價。因此，在進行海外港口工程設計時，有必要深入了解并掌握英標的設計方法。

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

本文針對該問題，以印尼KARANG TARAJE碼頭工程為例，詳細闡述了BS 6349中的船舶撞擊能計算方法，并與現(xiàn)行的國內(nèi)水運行業(yè)的計算標準JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[4]進行對比，可供海外工程設計借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介及布置

印尼KARANG TARAJE碼頭為水泥廠專業(yè)配套碼頭，業(yè)主為印尼GAMA集團，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個重件泊位，1個30 000 DWT的泊位，2個10 000 DWT的泊位及公用配

套設施；二期規(guī)劃的主要建筑物包括：300 m加長防波堤及一個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)設計要求采用英標。

圖1 總平面布置Fig.1 Generallayout

1.2 設計水位

極端高水位：2.36 m。

設計高水位：1.85 m。

設計低水位：0.15 m。

1.3 設計船型

設計船型如表1。

表1 設計船型Table1 Design vessel

本文以70 000 DWT船型為例，詳細闡述基于英標的船舶撞擊能計算方法。

2 船舶撞擊能計算

2.1 基于英國標準的有效撞擊能計算

船舶靠岸時的有效撞擊能量可按下式計算：

式中：E01為船舶靠岸時的有效撞擊能量，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為考慮當船舶質(zhì)量中心偏心時的系數(shù)；

1）水動力質(zhì)量系數(shù)

水動力質(zhì)量系數(shù)考慮船舶周圍水體的運動，在計算船舶總能量時采用增加整個體系的質(zhì)量，BS 6349推薦的計算公式為：

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：對柔性護舷以及小船，Cs取值通常為1.0；對硬性護舷，則為0.9～1.0之間。

對柔性護舷及硬性護舷的定義，在BS 6349規(guī)范中有相應建議：硬性護舷是指護舷在受船舶碰撞時的變形，設計值小于0.15 m；在受同樣的碰撞情況下，柔性護舷的變位將大于0.15 m。

本工程擬選用鼓型護舷，變形通常大于0.15 m，因此，Cs取值為1.0。

3）偏心系數(shù)

當碰撞點并非正對船舶質(zhì)量中心時，偏心系數(shù)Ce考慮了傳遞至護舷能量的減少，可以按照下式進行計算：

式中：K為船舶回轉(zhuǎn)半徑，m；R為從質(zhì)量中心至接觸點的距離，m；γ為接觸點和質(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可按下式計算：

式中：CB為方形系數(shù)，m；R為從質(zhì)量中心至接觸點的距離，m；γ為接觸點和質(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)可按下式計算：

式中：MD為船舶滿水量；L為船長；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可按下述方法計算：

若γ=90°，式（3）可簡化為：

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)計算，當x=L/4時，Ce=0.4～0.6；x=L/3時，Ce=0.6～0.8；x=L/2時，Ce=1。

根據(jù)上述計算公式，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)的類型、龍骨下富余深度、靠泊速度及角度、護舷類型以及船型。

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

透空式高樁碼頭，Cc=1.0；

實體岸壁碼頭，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)計數(shù)據(jù)的情況下，速度取值可采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，若沒有統(tǒng)計數(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

該曲線對應了5種靠泊條件：

a有掩護，很好的靠泊條件；

b有掩護，稍好的靠泊條件；

c無掩護，容易的靠泊條件；

d無掩護，很好的靠泊條件；

e無掩護，困難的航行條件。

從該曲線圖中可看出，d和e條件下速度取值過大，在計算時應謹慎采用。

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

6）非正?？坎?/p>

BS 6349中要求設計護舷設施和支撐它的靠泊建筑物時，應確定兩種等級的撞擊能量，即正常撞擊能量和非正常撞擊能量。對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船舶或拖船機器損壞。

②系船纜索或拖纜斷裂。

③風或潮流突然變化。

④人為的過失。

為了對于上述幾類難以估量的風險提供足夠的安全儲備，BS 6349建議，除非確已標明在類似的情況下，較低的撞擊能量也能滿足，否則，每個護舷的極限容量最大應按照正常撞擊能量的2倍計算。

考慮到經(jīng)濟性，該系數(shù)可根據(jù)工程的重要性程度與業(yè)主進行討論協(xié)商，主要應衡量以下幾點因素：

①護舷損壞對泊位運營的影響。

②靠泊頻率。通常對于業(yè)務繁忙的港口，高頻率的靠泊作業(yè)出現(xiàn)非正常靠泊的概率更大，因此需考慮一個更高的安全系數(shù)。

③設計靠泊速度。如果1個泊位的設計靠泊速度低于0.1 m/s的要求，船員在實際操船時由于操縱水平的差異極易導致靠船速度大于設計要求，這同樣屬于非正常靠泊。

④靠泊船型的范圍。當泊位靠泊船型范圍較大，若主要使用船型為小船，大船偶爾停靠，非正常靠泊系數(shù)可取小值；相反，若主要使用船型為大船，小船偶爾?？浚钦？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)不應考慮的過大而導致使用的護舷反力過大，從而非常不利于小船靠泊。對于非正?？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，考慮將來運營期船舶靠泊較為頻繁，非正?？坎聪禂?shù)取為1.5。

2.2 中國規(guī)范的計算方法

中國標準的碼頭橫向有效撞擊能計算公式為：

式中：E0為船舶靠岸時的有效撞擊能量，kJ；ρ為有效動能系數(shù)，取0.8；M為船舶質(zhì)量，t，按設計船型滿載排水量計算；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根據(jù)風、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 中國標準海船靠泊速度Table4 Berthing velocity of Chinese standard

3 對比研究

3.1 公式對比

為直觀反映基于兩種標準的公式差異，對比分析如表5所示。根據(jù)表5中兩種規(guī)范的計算公式，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E1/E2≈Cm，即在正?？坎吹墓r下，中英標準船舶撞擊能計算的差異大小主要取決于水動力質(zhì)量系數(shù)的取值。同時，由于中國標準不考慮非正常靠泊，在此特殊情況下，中英標準的差別則接近Cm×Fs倍。

表5 BS 6349及中國標準的撞擊能對比分析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因素，應予以特別關(guān)注。從以上兩種標準的速度建議值（圖3和表4）可看出，在有利的靠泊條件下，中國標準取值范圍為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0.7 m/s，與中國標準相比，差異較大。因此，在國外工程技術(shù)合同條款談判時，應明確其取值，以免施工圖審查階段引發(fā)爭議。

4 結(jié)語

1）基于英標的有效撞擊能，英國標準考慮了水質(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常靠泊等因素，而中國標準僅考慮了有效動能系數(shù)，因此，英標的撞擊能計算更為安全保守。

2）船舶靠岸時的有效撞擊能，在正?？坎磿r，中英標準計算方法結(jié)果比值主要取決于水動力質(zhì)量系數(shù)，非正?？坎磿r，其差別還取決于非正?？坎聪禂?shù)。

3）在有利的靠泊條件下，中國標準取值范圍為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0.7 m/s，與中國標準相比，差異較大。

4）由于非正?？坎聪禂?shù)Fs及靠泊速度取值對撞擊能計算結(jié)果影響最大，在進行國外工程技術(shù)合同談判時，應該綜合考慮靠泊安全及項目經(jīng)濟性，明確其取值，以避免施工圖審查階段引發(fā)爭議。

[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開發(fā)、采購、施工及設計管理工作。E-mail：1442698079@qq.com