靠泊船型噸級差距較大的碼頭橡膠護舷設計

趙 青，余 犇，王舉睿

（1.中交疏浚（集團）股份有限公司，上海 200086；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510032；3.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

碼頭橡膠護舷設計是碼頭結構設計中的一個重要環節，其設計的核心內容為船舶撞擊能的計算。本文從某3 000～75 000 DWT集裝箱碼頭護舷設計出發，通過分析噸級跨度較大的船型的靠泊計算分析，總結出了選取合適的護舷的方法，供設計人員及碼頭管理人員參考。

1 撞擊能計算

1.1 設計船型參數

碼頭需要同時滿足3 000～75 000 DWT集裝箱船舶靠泊作業，噸級跨度較大。根據規范設計船型尺度，如表1。

表1 設計船型尺寸[1]

1.2 計算公式

本項目按照歐洲標準設計，正常靠泊時船舶撞擊能按下式計算：

式中：

MD為船舶排水量（t）；

VB為垂直于泊位的靠船速度（m/s）；

CM為水動力質量系數；

CE為偏心系數；

CS為柔性系數；

CC為泊位形狀系數。

船舶靠泊時受到船員操作失誤、機械故障、自然條件（風、浪、流）等不利因素影響[2]，船舶靠泊時靠泊角度、靠泊速度有時難以操控。因此，橡膠護舷的設計需要考慮船舶非正常靠泊時的撞擊能，這點是國內《港口工程荷載規范》[3]所沒有規定的。非正常撞擊能按下式計算：

式中：

EA為非正常撞擊能（kN·m）；

FS為非正常撞擊安全系數。

上述公式中各項參數的取值均在BS 6349-4中有詳細的解釋，本文不再贅述。將各參數代入計算，各設計船型船舶撞擊能計算結果如圖1及表2所示。

圖1 不同噸級船舶撞擊能及靠泊速度對比

從表2及圖1可以看出，本項目的橡膠護舷撞擊能的控制船型為60 000 DWT船型，其次為50 000 DWT的船型，而75 000 DWT的最大設計船型撞擊能只排在第三。船舶撞擊能的大小受船舶噸位、靠船角度、靠船速度等多個變量的綜合影響，起主導作用的是船舶噸位及靠船速度這兩個變量。在面對船舶噸位等級跨度比較大的碼頭的橡膠設計時，需要理清各控制變量的關系，逐個分析才能得到正確的設計結論。

表2 船舶撞擊能計算結果

1.3 橡膠護舷的選擇

獲得上述計算結果我們可以根據工程要求及水工結構計算的需要選取合適的橡膠護舷。但需要指出的是，我們選取的橡膠護舷的性能不只是跟橡膠護舷的型式、橡膠等級有關，在多數情況下還跟靠泊時橡膠護舷偏心壓縮的角度、環境溫度、靠泊速度等有關[4]。同時，橡膠護舷廠商在制造橡膠護舷時其性能往往允許存在10 %的偏差。這些因素，均需要設計人員在選取橡膠護舷時進行考慮。以本項目選取的橡膠護舷為例，60 000 DWT船型的非正常撞擊能在考慮一系列橡膠護舷性能修正系數后的撞擊能數值見表3。

表3 60 000 t級船型橡膠護舷吸能量

根據表3的計算結果，設計取用H=1 400的錐形橡膠護舷，護舷參數見表4，性能曲線見圖2。

表4 橡膠護舷性能

圖2 橡膠護舷性能曲線

2 防沖板設計

防沖板設計主要的設計指標就是面壓，BS 6349-4中規定集裝箱碼頭防沖板的面壓不得大于200 kPa。面壓的大小取決于橡膠護舷反力及船舶與貼面板接觸面積的大小。由于橡膠護舷的反力與撞擊能的關系與橡膠護舷的型式有關，且不是線性關系，所以并不意味著撞擊能越大，反力就越大，需要具體問題具體分析。本項目選用的錐形橡膠護舷，從圖2可以看出，當橡膠護舷變形達到35 %（吸能量達到40 %）的時候橡膠護舷的反力已經達到100 %。與此同時，較小的船型由于干舷高度較小，在某些水位與防沖面板的接觸面積小，因此較小船型往往成為防沖板面壓設計的控制船型。

防沖板面壓可以按式（3）計算：

式中：

R為橡膠護舷反力；P為船體面壓；

W為貼面板寬度；H為貼面板高度。

表5 面壓計算結果

從表5的計算結果可以看出，船型越小，防沖板的面壓反而越大。造成這個現象的原因主要有兩個：

1）較小船型雖然撞擊能很小，但由于錐型橡膠護舷的吸能量達到40 %后反力就已經達到100 %，因此小船型的橡膠護舷反力并不小；

2）較小船型的干舷較低，與防沖板接觸面積較小。

3 結 語

對于兼顧多等級船型的碼頭橡膠護舷的選取，在計算橡膠護舷吸能量時要具體船型具體分析，最大的撞擊能往往不是在最大設計船型上發生。

對于橡膠護舷防沖板面壓的計算，要充分考慮橡膠護舷的性能特點與船舶干舷高度的綜合影響，綜合分析才能得到控制的面壓工況。

本文僅以某集裝箱碼頭的橡膠護舷設計為例，但對于其它船型的碼頭橡膠護舷設計僅供參考。