英標(biāo)及PIANC規(guī)范船舶撞擊能量計(jì)算比較

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PIANC WG 33的標(biāo)準(zhǔn)為主。目前我國對于國外護(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。同時對偏心系數(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為船舶靠泊時垂直泊位前沿線的靠泊速度;CM、Cm為水動力質(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，考慮船舶周圍水體運(yùn)動，因此整個系統(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。水動力質(zhì)量系數(shù)基本公式如下：

(4)

式中：CM為水動力或虛擬質(zhì)量系數(shù)；Md為船體排水量(t)；Mh為水動力或附加質(zhì)量(t)；CHR為船體移動相對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時CHR取1.0，而開敞水域船體沿其縱軸移動則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，也可按下列推薦值選?。狠^大的船底富裕水深時(如0.5D)，Cm=1.5；較小的船底富裕水深時(如0.1D)，Cm=1.8；船底富裕水深介于0.1D～0.5D時，可插值選?。豢v向靠泊即丁靠時，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，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，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5萬噸級以上船舶來說，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，Ce可如下近似取值：1)對連續(xù)式泊位，四分點(diǎn)靠泊時，船舶靠泊撞擊點(diǎn)距船艏大約25%船長，Ce=0.5;2)對靠船墩，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，是個減小系數(shù)。英標(biāo)及PIANC對其描述并無差別，一般來說取為1.0。對船舶靠泊連續(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，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，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，除要考慮船舶正常靠泊時產(chǎn)生的撞擊能外，還應(yīng)滿足合理的非正?？坎磿r產(chǎn)生的撞擊能。為保證合理的非正常撞擊不會損壞靠泊系統(tǒng)，應(yīng)在此基礎(chǔ)上乘以異?？坎茨芰肯禂?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?？坎茨芰肯禂?shù)是基于風(fēng)險(xiǎn)評估建立的，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)時取1.5，高風(fēng)險(xiǎn)時取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)時主要考慮了單護(hù)舷失效對泊位的影響、靠泊頻率、設(shè)計(jì)靠泊速度(低設(shè)計(jì)靠泊速度時，需要更高的技術(shù)，亦會較高概率地發(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，一般異常靠泊能量系數(shù)介于1.1～2.0。

表3 PIANC異常靠泊能量系數(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1萬～20萬噸級集裝箱船和1萬～40萬噸級油船為例進(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撞擊能見圖3。

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

由圖3可知，在撞擊能特征值比對中，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(此時假定我國規(guī)范中異常靠泊能量系數(shù)為1，下同)。

為詳細(xì)比對兩種國外規(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)范中油船不同噸級撞擊能見圖5。

圖5 各規(guī)范下不同噸級油船撞擊能對比(三分點(diǎn)靠泊)

由圖5可知，在撞擊能特征值對比中，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%。對于5萬噸級及以下船舶，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)位置對船舶偏心系數(shù)的影響

對于靠泊撞擊點(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)范下不同噸級油船撞擊能對比(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)靠泊時的撞擊能與三分點(diǎn)靠泊時進(jìn)行比較，可知對于各噸級油船，英標(biāo)規(guī)范采用三分點(diǎn)靠泊時撞擊能是四分點(diǎn)靠泊時的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中心偏差對船舶偏心系數(shù)的影響

對于管匯中心和裝卸平臺中心偏差影響，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中對管匯中心和裝卸平臺中心偏差的限制來比較分析。假定油船以三分點(diǎn)靠泊，對各噸級油船裝卸中心(船舶管匯中心線和碼頭對應(yīng)輸油臂對齊時的位置)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，并與不偏移時的計(jì)算結(jié)果做對比，見圖9。

圖9 管匯中心和裝卸平臺中心偏差對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??；離靠泊撞擊點(diǎn)越近，CE越大，基本呈對稱影響。船舶越小，管匯中心和裝卸平臺中心偏差對CE的影響越大。對于40萬噸級油船，CE影響幅度為-11.7% ～ 11.5%；對于1萬噸級油船，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常靠泊時產(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，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，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CE減小，反之則增大。管匯偏中對大船CE影響小，對小船CE影響大。