碼頭橡膠護舷的優化設計

尹春輝 ，賀軍

護舷系統的設計是一個較復雜的過程，目前在世界范圍內還沒有一本設計規范能讓護舷系統的設計標準化，大部分設計程序還是需要依賴護舷系統專業設計人員的經驗來實現。目前全世界最主流的設計規范是國際航運協會（PIANC）出版的“Guidelines for the Design of Fender Systems：2002 Report of Working Group 33-MARCOM，Appendix A，Procedure to Determine and Report the Perfor原mance of Marine Fenders”，此外還有英國國家標準（BIS），日本國家標準（JIS），歐洲標準（EUROCODE）等。護舷的設計一般有4個步驟，首先是收集船舶、碼頭、靠岸和環境因素信息，第二是確定最大船舶靠岸動能，第三是根據碼頭船舶的特質分別確定護舷彈性體、前部結構和運動限制裝置（可以有多種方案），最后是根據設計合理性及材料安裝成本從各方案中選取最佳方案。

隨著我國水運行業海外業務的蓬勃發展，國內設計院對使用國際標準對船舶撞擊能量的計算已完全掌握。但是，目前還沒有規范規定撞擊能量選取橡膠護舷的計算方法，國內水運設計行業在橡膠護舷選型時普遍只考慮撞擊能量被單個橡膠護舷吸收的情況。然而中外規范[1-2]都允許靠泊時撞擊能量被單個或者多個橡膠護舷吸收的情況，即橡膠護舷組進行吸能分配。本文通過對加納某新集裝箱碼頭橡膠護舷吸能分配進行分析計算，提出橡膠護舷的優化設計方法，可供海外水工工程設計借鑒。

1 船舶撞擊能計算

根據PIANC 2002[3]，船舶靠泊對護舷的撞擊能量表達式為：

式中：E為撞擊能量，kJ；MD為船舶排水量，t；VB為船舶正常靠泊時的靠泊速度，m/s，根據靠泊碼頭是否有掩護、靠泊條件的難易，以及船舶排水量等條件查表確定；CS為柔性系數，取0.9~1.0，當護舷連續布置時取0.9，其他情況取1.0；CC為泊位形狀系數，取0.8~1.0，開敞式高樁碼頭取1.0，實體碼頭取0.8~1.0，通常取1.0；CM為船舶附加水體影響系數；CE為偏心系數。

1）船舶附加水體影響系數計算公式如下：

式中：DV為船舶與計算裝載度對應的吃水，m；B為船舶型寬。

2）偏心系數計算公式如下：

其中船舶回轉半徑K計算公式如下：

式中：Cb為方形系數；L為船舶垂線間長度，m；R為船舶質心至靠泊點的距離，m；酌為靠泊方向與R之間的銳角夾角，（毅）。

當船舶停靠發生不正確處理、發生故障或者異常的橫風、水流或者異常風和水流的結合時，需要考慮非正常靠泊。非正常靠泊的能量計算是在正常靠泊能量的基礎上乘以相應的安全系數實現的。其安全系數的建議值見PIANC。

2 實例

2.1 工程概況

加納某新集裝箱碼頭工程位于非洲西部，加納南部沿海，瀕臨幾內亞灣的北側。集裝箱碼頭岸線總長1 400m，頂標高為+4.0m。碼頭結構采用重力式沉箱結構。碼頭橡膠護舷原設計選型為SCN1800 F2.0，碼頭橡膠護舷結構示意圖見圖1。

圖1 碼頭橡膠護舷結構示意圖Fig.1 Structure diagram of thewharf rubber fender

2.2 計算條件

本項目設計條件匯總見表1。

表1 設計條件匯總表Table 1 Design parameter table list

2.3 橡膠護舷選擇

考慮到錐形橡膠護舷具有高吸能低反力及船舶靠泊角度10毅內不影響其吸能性能的優點，選擇錐形橡膠護舷。

2.4 橡膠護舷型號確定

考慮單個護舷吸能大于2 693 kN·m，選擇SCN1800 F2.0橡膠護舷。橡膠護舷的反力和變形如圖2所示[4]。

圖2 SCN1800反力和變形曲線圖Fig.2 SCN1800 reaction and deformation curve

由圖2可知，SCN1800 F2.0橡膠護舷最大吸能2 775 kN·m，滿足最大撞擊能量2 693 kN·m的要求。

3 護舷優化計算和結果

3.1 橡膠護舷優化思路

1）由于非正常靠泊已考慮由溫度變化、船舶本身及異常靠泊速度等因素，因此在撞擊能量計算中不應再重復考慮，而只考慮橡膠護舷制造偏差，BS6349-4[3]中規定制造偏差取10%，經咨詢廠家，其制造偏差能達到5%。

2）BS6349-4[3]中明確指出，在船舶靠泊過程中可同時考慮多個護舷吸能的工況。因此，本優化方案主要考慮船舶靠泊時2個和3個橡膠護舷單元共同作用下的護舷型號選取。

3.2 橡膠護舷優化計算

1）船艏圓弧半徑計算，其結果見表2。

表2 設計船型船艏圓弧半徑和護舷吸能要求計算結果Table2 Bow radiusand fender absorption requirement calculation resultsof the design ship type

2）橡膠護舷推薦

根據前面的分析，可知最大撞擊能量為設計撞擊能量再考慮依5%的偏差。因此，橡膠護舷能效吸能要求如表2。

初步推薦橡膠護舷為錐形橡膠護舷SPC 1300 G3.0，其額定吸能1 402 kN·m，額定反力2 048 kN。

3）撞擊時護舷組的工作原理

護舷設計時還需將跟船舶舷側板壓力相關的船艏圓弧半徑、靠泊角度、護舷布置間距、非正常靠泊及靠泊時撞擊多個橡膠護舷的因素都考慮在內。同時，進行護舷設計時，BS6349-4規定船舶靠泊需假定為船舶船艏接觸單個或者多個護舷、船舶縱軸線與碼頭前沿線形成一個向右的角度（靠泊角度在規范規定范圍內）并繞接觸點向右旋轉以完成靠泊，一般考慮參與撞擊能吸能的護舷個數為2個或者3個。當參與吸能的護舷為2個和3個單元時，船舶靠泊初始狀態及撞擊能完全吸能時的示意圖見圖3。船舶靠泊幾何圖示見圖4。

4）護舷吸能能力復核

所選護舷為SPC1300 G3.0，其產品性能曲線如圖5[5]所示。

根據護舷性能參考表和曲線圖，可得出不同工況下護舷組的實際吸能能力見表3。

由此可知，設計船型均是護舷組（每組2個護舷單元或者3個護舷單元）吸能，且均能滿足設計船型靠泊時的吸能要求。

5）船舶靠泊時船體與碼頭結構最小距離復核

根據產品設計手冊[6]，船舶靠泊時，橡膠護舷吸能后會產生變形，船體至碼頭結構的距離會因此縮小，過小的凈距將給船舶及碼頭結構帶來被破壞的風險，結合護舷的吸能大小和性能曲線圖（圖5），可得出正常靠泊及非正常靠泊情況下船體與碼頭結構的凈距最小值為680mm，其凈距示意圖見圖6，計算結果滿足規范[2]最小凈距250mm的要求。

6）船舶舷側板壓強復核

靠泊時船舶舷側板壓強大小可通過調整護舷防沖板的面積實現，本項目配備的防沖板尺度為寬度2.1 m和高度5.12 m，經計算其對舷側板的壓強為200 kPa，在允許范圍內。

7） 結論

SPC 1300 G3.0護舷滿足本項目船舶靠泊的設計要求和使用要求。

圖3 護舷吸能及變形的靠泊示意圖Fig.3 Berthing schematic of energy absorption and deform ation of fenders

圖4 船舶靠泊幾何圖示（渡船及滾裝船靠泊除外，另有規定）Fig.4 Vesselberthing geometry illustration(Except the ferry and ro-ro berthing,otherw ise specified)

圖5 SPC 1300G3.0性能曲線圖Fig.5 SPC 1300G3.0 performance curve

表3 護舷組吸能能力校核Table3 Fender absorption capacity checking

圖6 非正常靠泊時船舷側板與碼頭結構凈距示意圖Fig.6 Vesselhull to quay wallclearance atabnormalberthing energy

4 結語

1）基于國外標準和規范計算出的撞擊能量，需根據設計船型及護舷產品手冊和設計指南對船舶靠泊時作用的護舷個數進行分析，避免將所有能量分配在一個護舷單元上。

2）本項目因為護舷優化后本體尺度變小，能安裝在胸墻上，因此取消了碼頭靠船構件，經成本分析，優化節省約250萬美元。另外，在本項目工期壓力較大的情況下，靠船構件的取消也節省了工期，意義非凡。

3）若非設計條件限制，本項目護舷優化時還可組合護舷布置間距（可增大），對比分析后合理選擇護舷型號及間距，將進一步降低造價。

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[1]JTJ297—2001，碼頭附屬設施技術規范[S].JTJ 297—2001,The technical code of subsidiary facilities for wharf[S].

[2] BS6349-4—2014,Maritime works-code of practice fordesign of fendering and mooring systems[S].

[3] PIANC 2002,Guidelines for the design of fender system[M].Bel-gium:International Navigation Association,2002.

[4] Fender systems product brochure[K]. Trelleborg.

[5] Shibata fender team product[K].Shibata.

[6] Shibata fender team design manual[K].Trelleborg.