大型船舶靠泊能量计算
船舶靠泊有效撞击能量计算和护舷设计是码头工程设计中的重要内容。护舷设施作为码头上重要的设备之一，关 系到码头工程造价和靠泊作业安全，特别是对于大型船舶在外海或开敞式水域中的靠泊作业尤显重要。结合工作实践，就大 型船舶靠泊有效撞击能量计算进行探讨。关键词：大型船舶：有效撞击能量：计算
Abstract: Calculationof 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 effectiveimpactenergy;calculation
随着海上运输的需要，船舶向大型化发展， 在现有船舶保有量中，大型船舶数量约占30%, 而其运力占70%。大型船舶吨位大，吃水深，靠 岸时的撞击能量大，故对码头设计有一定的要 求——要有宽广的水域，良好的水深，安全的防 撞设施。码头的防撞设施通常采用橡胶护舷。码 头护舷设施的设计既要考虑工程处的风、浪、流 等自然因素的影响，又要考虑船舶大小和船舶操 作的熟练程度等因素，因此，码头护舷设施的设 计是既广泛又复杂的问题。国内码头护舷设施设计中， 一般先按交通运 输部颁布的《港口工程荷载规范》口中的船舶靠岸时 有效撞击能量公式计算，再由撞击能量选择合适 的护舷设施；但在承接国外码头工程设计中，有 业主要求按英国标准P进行设计。根据本人多年工 作经验，认为这两个规范(标准)的计算有一定的
差异，按英国标准进行设计偏于安全。
1 大型船舶的靠泊1.1 靠泊方式一般大型船舶靠泊码头是在拖轮帮助下完成 的，其靠泊程序如下。大型船舶进港时，距码头泊位不超过3 km时，其航速逐渐降低，降至5kn 左右；距码头1km时，船舶航速降至为3kn 左右；距码头泊位500m 时，船舶航速降至小于1 kn, 直至停车；船舶平 行于码头时，用拖轮在船首、船尾、船中3个点 上推向码头泊位；以适当速度把船舶推向码头泊 位，并控制在码头泊位前1m 或 2 m 处停住：系 缆： 一般系缆次序为先连首缆，次为倒缆、尾缆， 最后为横缆，或先连尾缆，次为倒缆、首缆，最 后为横缆。1.2 靠泊时与码头接触方式大型船舶靠泊时与码头接触方式有以下2种。D 平行靠泊。借助拖轮，在船首、船尾、船 中以相同的速度推向码头泊位，这是大型船舶靠 泊的理想方式， 一般极难做到，往往一端先靠泊码头。2船舶斜向靠泊码头。 一般船舶纵轴线与码 头前沿线夹角小于10°,船舶斜向靠泊视靠泊时的 实际情况，有船首靠泊和船尾靠泊。1.3 靠岸速度大型船舶靠泊码头是借助拖轮，随着船舶逐 步移近码头，拖轮逐步停止推进，依靠船舶本身 的惯性靠泊码头，因此，船舶靠泊速度一般很小， 但由于大型船舶吨位大，其撞击能量的大小与船 舶质量和靠泊速度成平方关系，故船舶靠泊速度 尽管较低，但还是要控制，根据《港口工程荷载规 范凹，有掩护的港口码头，船舶法向靠岸速度选 用0.06~0.08 m/s,开敞式的港口码头船舶法向靠 岸速度选用0.08~0.15 m/s。1.4 靠泊码头所需拖轮总功率大型船舶靠泊码头需拖轮协助，不同吨级的 船舶，需配备足够功率的拖轮进行协助，才能控 制船舶靠泊速度。在船舶靠泊过程所需拖轮的总功率，按JTJ211—1987《 海港总平面设计规范》中的公式计算，即 BHP=kQ (1)式中：BHP 为所需港作拖轮总功率 kW:K为系数，DWT≤20000t 时，取0.075; 20000t<DWT≤50000t 时，取0.060;DWT>50000t时，取0.050。Q 为进出港设计船型的载重吨(D。一般大型船舶需配备4~5艘拖轮协助靠泊。 根据码头工程所在区域的风、浪、流等自然条件， 和船舶吨位以及靠泊作业工艺，选择操作灵活， 顶、拖性能良好的拖轮。
2 船舶靠泊能量计算2.1 船舶靠泊能量确定的方法船舶靠泊能量的确定方法目前大致有下列5种。D 动力学方法。动力学是惯用方法，至今仍被广泛采用，其基本表达方式为(2)式中：E为船舶靠泊能量4 ·m):m为靠泊船舶的质量 Gm=a/g,t·s²/m); v为船舶靠泊时的瞬间速度 (m/9。还有一些动力学计算公式都是从此基本表达 式中演变过来，仅是其中的系数选取有差异。2统计学方法。该方法是以对现有泊位的碰 撞能量值的实测数据为基础，分析这些数据，采 用合理的方法，明确显示出泊位能力、损坏的风 险度以及护舷的吸能设计值三者之间的关系，来 确定设计新码头泊位的护舷吸能值。3 模型试验方法。在水力试验或船池中，用 小比尺模型试验来确定护舷的吸能值。4 数学模型方法。此方法仍在发展完善中， 至今尚未见到与实船靠泊之比较，目前公开发表的分析靠泊运动的数学模型有2种： 一种是以船舶运动方程和脉冲函数为理论基础，另一种是采用长浪理论。9 经验公式。采用简单的能量计算标准，其 数值仅根据排水量而定，是经验公式，其表达式为(3)式中： E 为船舶靠泊能量(t·m);W 为船舶满载排水量(D。在实际设计中，利用动力学方法来确定护舷 设施所吸收的能量最为常见，近乎90%的设计都 以这种计算方法为依据，但以护舷设施能量计算 方法简要说明公式作为统一的设计方法存在着一 定的局限性，对于能量公式中的参数和系数值的 选定，主观因素很大，以致各设计者对同一码头 计算出的能量值可以相差几倍。正因为动力学方 法存在着一定的局限性，所以国内外同仁都在研 究、探讨或完善船舶靠泊能量计算方法。2.2 船舶靠泊能量计算的比较目前，船舶靠泊能量计算采用的动力学方法 国内外常用的有2个： 一个是国内交通运输部颁 布的JTJ215—1998《港口工程荷载规范，另一个英国的《海工建筑物标准 BS6349第一分册》(1984 年版)同。下面以这2个计算方法进行分析比较。D 港口工程荷载规范中有效撞击能量计算公式为(4)式中：E₀为船舶的有效撞击能量 (kD:p为有效动能系数，取0.7~0.8;M为船舶质量(D,按满载排水量计算：V.为船舶靠岸法向速度(m/s)。关于此方法，“规范”编制说明，船舶靠岸时， 以法向靠泊速度碰撞码头，其具有的能量由橡胶护舷压缩变形，码头本身弹性变形，船舶运动和 船壳弹性变形，船舶与岸间水体挤升及振动、摩 擦，发热等所消耗。橡胶护舷，船壳板变形和码 头变形所吸收的能量为有效撞击能量，它与全部 撞击能量之比称为有效撞击能量(或有效动能系数。根据大量观测试验研究，对于装设橡胶护 舷的码头，有效撞击能量系数为0.7~0.8。
② 英国标准BS6349第四分册(1984年版)因公式为E=0.5CyM₀·(V)CCCc (5)式中：E为船舶的有效撞击能量(kN·m);Cw 为水动力质量系数，通常取1.3~1.8;M₀为船舶排水量);Vg为垂直泊位的靠船速度 (m/9;Cg为偏心系数，通常取0.7~0.8;Cs为柔性系数；Ce为泊位形状系数。此种计算方法，将船舶靠泊运动中各种状况 进行细化，考虑了船舶周围水体的运动、船舶碰 撞点的偏心、泊位形状等，其中影响船舶的有效 撞击能量的系数是水动力质量系数 Cw和偏心系数 Cg, 按此计算，船舶靠泊时的有效撞击能量，一般要比国内规范计算的大1.3~1.8,据笔者工作实践经验认为：在外海或开敞式水域，影响船舶 靠泊的因素比较多，且复杂，这个数值是可以考 虑的。我国在1987年颁布JTJ214—1987《港口工程技术规范》第四篇《荷载》时，国内仅建成2个 10万吨级码头，在外海或开敞式水域中建造港口 还是刚刚起步，至1998年颁布JTJ215—1998 《港口工程荷载规范》口咐，短短10年间，国内陆续建造一批大型码头，有10万吨级码头泊位9个，20万吨码头泊位4个，成绩斐然。随着国内 港口建设的快速发展，港口工程技术得到迅速提高，在此基础上，对1987年的《荷载》规范作了修订，修订主要变更情况有“全部采用以分项系数表达的概率极限状态设计方法，规定了本规范所列荷载的分项系数和标准值。明确指出了两种 极限状态，三种相应状况和相应组合，对有关荷 载尽可能在适用范围内，向深水、大吨位和开敞 式的泊位方面延伸。”JTJ215—1998《港口工程荷 载规范》,对我国的港口工程设计和建设具有规 范性和指导性意义，推动了我国港口工程建设， 但该规范在船舶靠泊有效撞击能量计算方面修订变更情况不多，仅在船舶法向靠泊速度方面作了分类和细化，详见表1和表2。从表1和2中明显看出，对于海船的法向靠 岸速度取值，JTJ214—1987 版规范中没有分有掩 护港口和开敞式港口，仅有一类情况的法向靠岸 速度，且船舶吨位在30000 t 以下细化，而JTJ215—1998版规范中分成2类，即有掩护的港口和开敞式港口。在有掩护的港口，船舶法向靠岸速 度取值下限较JTJ214—1987 版规范有所提高，且 船舶吨位也细化到100000t 以内，体现“向深 水、大吨位和开敞式的泊位方面延伸”。
表1 船舶靠岸时撞击的法向速度网
船舶排水量W/t法向靠岸速度Vn/(m-s-)船舶排水量Wh法向靠岸速度Vn/(m-s-)
W≤10000.15-0.2510000<W≤300000.06-0.15
100kW≤50000.10-0.20W>30000.05-0.10
5000<IW≤100000.07-0.17
注：表中较大的数值适用于靠船条件比较恶劣的情况。
表2 海船的法向靠岸速度叫
船舶满载排水量Wt法向靠岸速度V dm
有掩护开散式
W≤10000.20-0250.25-0.45
00kW≤50000.15-0.200.20-0.40
5000kW≤100000.12-0.170.17-0.35
10000<W≤300000.10-0.150.15-0.30
30000<W≤500000.10-0.120.12-0.25
50000<W≤1000000.08-0.100.10-0.20
W>1000000.06-0.080.08-0.15
注：表中较大的数值适用于靠船条件较为恶劣及海船进入流 速较大的河港时的情况。在JTJ 215—1998 版《港口工程荷载规范》中， 船舶靠岸时的有效撞击能量计算公式中的 p 是有 效动能系数，可以认为是综合系数，综合考虑了 橡胶护舷压缩变形、码头本身弹性变形、船壳弹 性变形、水体运动等压缩，其值取为0.7~0.8,与 JTJ214—1987 规范田相同，没有修订，笔者认为偏 小。在码头工程设计中，遇船舶靠泊能量计算时， 感到1998年版《港口工程荷载规范》中的计算公式在有效动能系数和安全储备方面考虑尚不够完 善，与国外船舶靠泊能量计算结果有差异，由于 船舶吨位大和船舶操作熟练程度有关，规范中对 意外情况下的安全储备没有提及，参考有关国家 的规范和标准，在船舶靠泊能量计算和护舷选择 时应考虑安全储备或安全系数。因此，笔者认为 在储备靠泊能量计算中应考虑安全系数，安全系 数的选取视码头工程处的实际情况而定，也可根 据统计资料和设计实例确定一个范围。
3 关于系数，修正系数、安全系数在船舶靠泊计算其撞击能量和护舷选型时， 考虑的参数、系数，修正系数和安全系数，都有 其一定的含义。在进行船舶靠泊能量计算时，能量计算公式 中所需的参数和系数，如 W,V,Cw,Cg,Cs,Cc等，都是公式计算本身的需要，没有考虑安全和 修正的因素。根据实践中护舷设计和选型时的体 会及国内外相关资料，认为修正系数和安全系数 是两个不同的概念；修正系数是在护舷选型时， 从护舷本身所考虑；安全系数是考虑船舶正常靠泊以外的其他不利因素。修正系数考虑的因素如下。D 护舷材料在制造上的误差，经年变化等影 响因素——护舷本体使用的性能公差：2 护舷材料的物理性能产生的差异——护舷 材质性能公差：3由船舶靠泊角度变化而需要进行修正。 安全系数考虑的因素如下。D 船舶在靠泊过程中，码头泊位区域的风、 流、浪等自然因素瞬间聚然变化，容易产生过大的撞击力：2 在靠泊过程中，船舶由于拖轮之拖缆突然 断裂而失去平衡，产生超出设计范围的靠泊速度；3 几艘拖缆协助大型船舶靠泊过程中，由于 通讯联系和意图领会之间的误差，难免出现瞬间 不协调，而产生过大的撞击力；4由于船舶驾驶员熟悉程度造成人为操作的 失误，容易产生过大的撞击力。关于安全系数问题，虽在我国的《港口工程 技术规范》中未有明确的条文和说明，但国内外 许多资料都有这方面的论述，现摘录如下图。D 靠船结构和碰垫的安全系数——碰垫或靠 船结构因破坏引起的后果越严重，则安全系数也 应越大。2 某些港口也许只有一个泊位能接纳设计船 型，倘若这个泊位因碰垫损坏不能使用，则这个 港口的装卸能力将受严重影响，在这种情况下， 适当增加碰垫吸能量是必要的。3 碰垫系统的设计安全系数——研究委员 会既不希望定一个具体的安全系数，又不允许 有一定程度的潜在危险，研究委员会认为应让 工程师为他自己设计的结构考虑选择合适的安 全系数。4 确定大型船舶碰垫系统的能力吸收能力的 设计准则，应当基于以下条件。正常作业条件——碰垫设计要保证在工作应 力范围以内能够吸收正常靠泊作业中发生的撞击 能量：事故条件——鉴于碰垫系统比码头结构便宜得多，因此，可以认为碰垫的损坏远不如码头结 构或船的损坏那么危急，所以在设计上要赋予碰 垫尽可能高的能量吸收能力。注：碰垫系统即防撞设施或橡胶护舷。5 计算的靠船能量适用于正常情况，而发生 意外时，则靠船能量可能过大，例如：①船舶或拖轮机器损坏；②系船缆绳或拖缆断裂；③风和潮流突然变化；④人为的过失。为了对这类难以估量的风险提供一定的安全 储备，建议：除非已确定在类似的情况下，较低 值的撞击能量也能满足，否则每个护舷的极限能 量应按正常撞击能量的2倍进行计算。
4 结语D 我国《港口工程荷载规范》中，有效撞击能量计算公式中的有效动能系数p 考虑到码头橡胶 护舷、船壳板变形和码头变形等因素，可以认为 是个综合系数，若没有考虑船舶与码头之间的水 体运动， p 取0.7~0.8是合适的；若包括船舶与码 头之间的水体运动，这个数值偏小。》 从《港口工程荷载规范》条文说明中理 解，船舶靠岸时的部分撞击能量被船舶与岸间水 体挤升以及振动、摩擦、发热等所消耗，但从英国标准和国外一些资料中看出，水动力质量运动 不是随着船舶运动而耗散(吸能,而是随着船舶 动力相应增加，因此在计算船舶靠岸时的撞击能 量时应考虑水动力质量的参与，特别是在外海或 开敞水域的码头设计应予以考虑。3) 在护舷设计选型时，建议考虑修正系数和 安全系数(修正系数由护舷本身的性能和靠船角 度确定，安全系数是考虑船舶正常靠泊作业以外 的因素) 作为一种安全储备，安全系数的选取视 码头工程处的实际情况而定。
参考文献：TJ 215—1998 港口工程荷载规范S]JTJ 211—1987 海港总平面设计规范.BS6349 护舷和系泊装置设计TJ 214—1987 港口工程技术规范S] 交通部第一航务工程局设计研究院.海港码头结构设计手 册.北京：人民交通出版社，1975:112-120.16]圭因(美).海港工程设计和施工M],北京：人民交通出版社，1980: 206-25617]全国水运工程标准技术委员会，交通部水运规划设计院，交通部 第三航务工程勘测设计院.码头岸壁建筑物委员会的建议S. 交通部水运工程科技情报1988.国际航运会议常设协会专题 国际委员会报告：碰垫系统设计.北京：交通部水运规划设 计院.
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