國外海上登乘廊橋結構設計規范比對分析

杜杰 劉碧燕 錢正宏 許靖 孫耀剛

摘 要：海上登乘廊橋可對船舶艏搖、橫搖、縱搖、升沉等運動進行補償，保障人員安全，提高登乘效率。本文通過對挪威德國勞氏船級社（DNVGL）、美國船級社（ABS）、法國船級社（BV）關于登乘廊橋結構設計規范比對，研究各國規范對登乘廊橋分類、結構材料、設計載荷、典型工況及載荷組合、結構強度評估的具體要求，分析不同規范的異同，為我國海上登乘廊橋的設計開發提供參考和借鑒。

關鍵詞：登乘廊橋，結構設計，規范

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.01.028

Comparative Analysis of Classifi cation Society Rules for Offshore Gangway Structure Design

DU Jie1 LIU Bi-yan1 QIAN Zheng-hong1 XU Jing2 SUN Yao-gang3

（1.Jiangsu Longyuan offshore wind power Co.， Ltd.； 2. Beijing Kyotta New Energy Technology Development Co.， Ltd； 3.China Institute of Marine Technology and Economy）

Abstract： Offshore gangway can compensate ships yaw， roll， pitch and heave motion， ensure personnel safety and improve boarding effi ciency. By comparing and analyzing the structure design rules for offshore gangway that proposed by classifi cation societies， such as DNVGL， ABS and BV， this paper investigates the specifi c requirements of gangway categories， structural materials， design loads， typical load cases， structural strength assessment. The differences and similarities of these rules are summarized to provide references for the design and development of domestic offshore gangway.

Keywords： gangway， structure design， rules

1 引 言

全球經濟社會快速發展，能源需求持續攀升，煤、石油等傳統化石能源長期大量使用導致環境惡化且不可持續，發展清潔低碳可再生能源是未來必然趨勢。風能資源豐富、分布廣泛，開發技術相對成熟，是當前眾多可再生能源中被廣泛利用的能源[1，2]。經過多年開發，陸上可開發風電資源日趨減少，相較于陸上，海上風電具有風速高且持續穩定、不占用陸地資源、適宜大規模開發等特點，近年來發展勢頭迅猛，其中中國和歐洲的海上風電開發居于世界前列[3-5]。

受海洋氣象、環境等條件制約，海上風電場的運維較之陸上難度更大、風險更高[6]。隨著海上風電規模化開發，并不斷投入運營，海上風電場的運維作業任務日益繁重。國內外海上風電場運維通達主要采用運維船，船體在風、浪、流等環境因素作用下會發生升沉、縱搖、橫搖等多自由度運動，運維人員和物資在船舶與風機之間的安全、快速轉移是海上風電運維迫切需要解決的問題[7]。為運維船配置專業輔助裝備是有效的解決途徑，因此，研發海上登乘廊橋對于服務保障海上風電可持續健康發展具有十分重要的意義。

目前，國內對海上風電運維登乘廊橋的研究尚處于探索階段。歐美在相關裝備的研發方面起步較早，已經開發了多型登乘廊橋產品，并在海上風電場運維中發揮積極作用[8-10]。為了保障登乘廊橋產品的安全、可靠，近年來挪威德國勞氏船級社（DNVGL）、美國船級社（ABS）、法國船級社（BV）陸續發布了登乘廊橋標準規范用于指導產品的設計開發[11-13]。本文對挪威、美國、法國等船級社規范內容進行對比研究，為我國登乘廊橋研發設計提供參考。

2 海上登乘廊橋結構設計規范比對分析

正是因為登乘廊橋對于保障人員、貨物的安全、快速轉移非常重要，各先進國家高度重視登乘廊橋的研發及其標準化，相關的船級社也發布了規范或指南。在2016年5月，法國船級社發布629-NI《海上通道系統認證》[11]，對海上通道系統的適用范圍、安全原則、設計要求、結構評價、機械、電氣設備和控制系統、檢測和試驗等進行了規定。2016年8月，美國船級社發布《海上登乘廊橋認證指南》[12]，對海上登乘廊橋的適用范圍和認證條件、結構要求、機械和系統、試驗和檢測、風險評估等進行了規定。2017年9月，挪威德國勞氏船級社發布DNVGL-ST-0358《海上登乘廊橋》[13]，對登乘廊橋的適用范圍、認證和檢驗、材料和制造、結構設計和強度、功能要求、安全和安全設備、試驗和標志等進行了規定。

2.1 分類

為便于規定對應要求和方便用戶選用， DNVGL、ABS、BV的規范中首先對海上登乘廊橋進行了分類。三家船級社規范中均從運動補償方式、換乘是否限制兩個方面對登乘廊橋進行分類劃分。在運動補償方式方面，DNVGL、BV將登乘廊橋歸為被動系統、主動系統兩類，ABS則將其分為被動補償系統、主動補償系統、全主動補償系統三類，但DNVGL、BV的主動系統包含1～6自由度的補償，所以本質上三家船級社在運動補償方式方面的劃分是一致的。在換乘限制方面，DNVGL、ABS將登乘廊橋劃分為人員流動不限和限制兩類，BV則認為登乘廊橋上換乘人員需要限制。通過比較可以看出，DNVGL、ABS對登乘廊橋的分類劃分描述比較細致，其中，DNVGL不僅對換乘限制類型進行更詳細劃分，還明確了適用條件。

2.2 結構材料

經過對比分析，DNVGL、ABS、BV規范中均認可鋼材、鋁合金作為登乘廊橋的結構材料。其中，DNVGL將DNVGL-OS-B101《金屬材料》[14]、DNVGL-OS-C101《海上鋼結構設計（LRFD法）》[15]對材料的要求應用于登乘廊橋，同時接受與之要求相當的規范；ABS將《起重設備認證指南》[16]、公認的國際認證標準EN1090《鋼結構和鋁結構施工》[17]等應用于登乘廊橋鋼、鋁合金結構設計；BV將NR445《海上裝置分級規范》[18]、NR561《鋁合金船體設計原理、建造及測量規范》[19]分別應用于指導登乘廊橋鋼、鋁合金結構設計。DNVGL、ABS除應用已有規范外，還給出了針對性要求，BV則不然。相比較而言，鋼材在海洋工程領域應用比鋁合金更為普遍，在各國船級社規范中也有較為詳細的規定，其中，DNVGL更是用了大量篇幅對鋼質構件進行分類闡述，要求更為明確具體。

2.3 設計載荷

DNVGL規范中將海上登乘廊橋的載荷類型分為主要載荷、操作運動引起的垂向載荷、操作運動引起的水平載荷、氣象引起的載荷、船體運動引起的載荷、特殊載荷。ABS規范中將海上登乘廊橋的載荷類型分為恒載荷、活載荷、運動引起的載荷、功能載荷、風載荷、冰雪載荷、砰擊載荷、意外載荷、其他載荷。BV規范中將海上登乘廊橋的載荷類型分為恒載荷、動態載荷、操作載荷、環境載荷、意外載荷。

經過對比分析，DNVGL、ABS、BV規范中對海上登乘廊橋設計載荷的分類方法不同：DNVGL規范從重要程度、起因等方面將設計載荷歸為六類，ABS規范從性質、起因等方面將設計載荷分為九類，BV規范從性質、特征等方面將設計載荷分為五類。各規范中設計載荷主要區別如下：

活載荷：對于常規廊橋，ABS規范整體設計時取4.51kN/m2，局部設計時取5kN/m2；BV規范取4.0kN/m2，DNVGL規范無論何種廊橋均取400kg/ m2（<4.0kN/m2），ABS規范中活載荷設計取值偏于安全。

風荷載：廊橋正常作業時，DNVGL、BV規范中均取20m/s，ABS對受限廊橋設計取值20m/s，對非受限廊橋設計風速不低于25.7m/s；遷移時，DNVGL、ABS、BV規范中分別取44m/s、36m/s、51.5m/s，BV規范中風載荷設計取值偏于安全。

上浪載荷：DNVGL、ABS規范中考慮到設備在遷移或嚴重風暴條件下可能遭受上浪（砰擊）載荷，而BV規范中則未提及。

船舶運動載荷：BV規范中將其歸為環境載荷，而DNVGL、ABS規范中則將其歸為運動引起的載荷，DNVGL、ABS規范中的劃分更易理解。

此外，與DNVGL、BV規范不同，ABS規范專門劃分了一類其他載荷，用于考慮遷移和極端風暴條件下登乘廊橋受到的系留載荷。

總體來看，雖然劃分的視角不同，但DNVGL、ABS、BV規范中均將自重、活載荷、設備及船舶運動載荷、環境載荷、意外載荷等考慮在設計載荷范圍內，ABS規范中考慮的載荷最為全面。DNVGL、ABS規范兩者對登乘廊橋設計載荷劃分較為接近，闡述內容也更為詳細。

2.4 典型工況及載荷組合

DNVGL規范中將海上登乘廊橋的典型工況及載荷組合分為正常工作工況、升舉工況、緊急脫離工況、存放/遷移/生存工況、測試工況。ABS規范中將海上登乘廊橋的典型工況及載荷組合分為操作工況、遷移工況、嚴重風暴工況、意外工況。BV規范中將海上登乘廊橋的典型工況及載荷組合分為工況Ⅰ（正常操作無環境載荷）、工況Ⅱ（正常操作有環境載荷）、工況Ⅲ（特殊工況）、工況Ⅳ（測試工況）、工況Ⅴ（意外工況）。

經過對比分析，DNVGL、BV規范中將登乘廊橋典型工況分為五類，ABS規范中將登乘廊橋典型工況歸為四類。DNVGL規范中的工作工況僅指人員換乘作業工況，ABS、BV規范中定義的操作工況同時包含人員換乘、廊橋展開/回收操作工況；ABS、BV規范中的意外、特殊工況，對應DNVGL規范中的緊急脫離和升舉工況，但DNVGL規范中沒有考慮碰撞情況，BV規范中意外工況僅考慮碰撞載荷；DNVGL、BV規范中將測試工況作為典型工況，ABS規范則不然。與DNVGL、BV規范不同，ABS規范中將嚴重風暴工況作為獨立典型工況考慮，并考慮了砰擊載荷工況。雖然DNVGL、ABS、BV規范中均給出了典型工況及載荷組合列表，但DNVGL、ABS規范給出的列表內容較為詳細，并附加了具體說明內容，而BV規范的內容偏于簡單。

2.5 結構強度評估

DNVGL規范要求對廊橋結構的屈服、屈曲、疲勞強度進行評估，評估可采用許用工作應力法（WSD）和載荷抗力系數法（LRFD）。當彈性分析不適于驗證安全性時，可以使用塑性分析方法。ABS規范要求采用適當的線彈性方法對廊橋的所有結構件進行強度評估，評估分為最終極限狀態和意外極限狀態評估、疲勞極限狀態評估、使用極限狀態評估。BV規范要求對登乘廊橋結構的屈服、屈曲、疲勞強度進行評估。

通過對上述登乘廊橋結構強度評估相關規范內容對比可知，DNVGL、ABS、BV規范均要求對結構進行屈服、屈曲和疲勞強度進行評估，各方面的區別主要如下：

對于結構屈服檢驗，DNVGL、ABS、BV規范均認可采用許用工作應力法進行檢驗。其中，DNVGL規范認為當彈性分析不適用時可采用塑性分析法。DNVGL規范將構件檢驗接受標準分為三種情況，彈性時安全系數分別為1.5、1.33、1.1，分別對應ABS、BV規范中許用應力系數0.67、0.75、0.90，即三者對結構屈服檢驗要求一致。DNVGL規范規定，當σy超過材料強度σu的0.8倍時，取σy=0.8σu；ABS規范規定，σy不超過355MPa時，σy≤0.72σu，意外工況下材料的許用應力可以提高33%。

對于屈曲檢驗，DNVGL規范規定可采用規范給定的方法，也可以使用國際公認的方法，并給出了彈性屈曲和彈塑性屈曲檢驗安全系數；ABS規范規定使用《海洋結構物屈曲和極限強度評估指南》[20]，針對不同工況給出了參考案例，并規定組合工況、嚴重風暴工況下許用應力可增加10%，意外工況下許用應力可增至結構特征強度的80%；BV規范規定，結構屈曲檢驗參照NR526《船舶和海上裝置用起重設備分級規范》[21]執行。可見，DNVGL規范可接受的屈曲檢驗衡準范圍更廣。

對于疲勞檢驗，DNVGL、ABS、BV規范均認可采用國際公認的方法，同時，DNVGL規范要求結構疲勞計算要考慮不同工況下的綜合疲勞損傷，且安全系數不小于2；ABS規范建議對主要構件細節疲勞進行評估，采用線性累積損傷理論計算疲勞損傷，并根據構件重要程度、可否檢修分別給出疲勞設計安全系數，最小安全系數2，最大安全系數10；BV規范要求結構的疲勞累積損傷度不超過0.5。可見，三者對登乘廊橋結構疲勞的最低要求一致，其中，ABS規范對不同構件給出了更為具體的要求。

此外，ABS規范對登乘廊橋的使用極限狀態提出了檢驗要求，避免使用過程中結構整體發生過大變形，影響設備正常功能。

3 海上登乘廊橋結構設計規范比對結論

通過本文第2章對比可以看出，DNVGL、ABS、BV規范對登乘廊橋結構設計相關要求大體上相似，但在具體規定上存在一定差異。從內容上看，DNVGL規范內容較為詳細，ABS規范內容次之，BV規范內容較為簡略。主要結論如下：

（1）DNVGL、ABS、BV規范均從運動補償方式、換乘是否限制兩個方面對登乘廊橋進行分類劃分，方法一致。DNVGL、ABS規范根據登乘廊橋類型確定換乘人員是否需要限制，BV規范則認為所有登乘廊橋均需對換乘人員進行限制；

（2）DNVGL、ABS、BV規范贊同鋼材、鋁合金作為登乘廊橋結構材料。DNVGL、BV規范將海洋工程規范用于指導材料選擇。同時，DNVGL規范認可與其規范相當的國際公認規范，ABS規范應用《起重設備認證指南》[16]、國際認證標準EN1090《鋼結構和鋁結構施工》[17]；

（3）DNVGL、ABS、BV規范從不同角度對登乘廊橋設計載荷進行劃分，具體載荷內容基本相同，其中，DNVGL、ABS規范對設計載荷的劃分較為接近，內容較為詳細。ABS規范考慮載荷最為全面，要求相對偏于安全；

（4）DNVGL、ABS、BV規范規定的登乘廊橋的典型工況所包含的載荷組合內容相近，其中，DNVGL、BV規范將測試工況作為典型工況，ABS規范將嚴重風暴工況作為典型工況，并考慮了砰擊載荷工況。DNVGL、ABS規范給出了詳細的典型工況及載荷組合列表，并附加了具體說明，便于應用；

（5）DNVGL、ABS、BV規范均要求對登乘廊橋結構屈服、屈曲及疲勞強度進行檢驗，三者對屈服檢驗接受標準一致。DNVGL規范允許使用塑性分析法；對于屈曲檢驗，還允許使用國際公認的標準規范；對于疲勞檢驗，三者對登乘廊橋結構的最低要求相同，ABS規范給出了不同構件疲勞設計安全系數。

4 對我國制定海上登乘廊橋標準規范的建議

隨著我國對海洋資源大規模的開發，對于用于保障人員和物資在船舶與港口、海洋結構物等之間安全、快速轉移的海上登乘廊橋的需求日益迫切。國外先進國家對于海上登乘廊橋的研發和應用實踐較早，并形成了較為成熟的標準規范系列，我國對于海上登乘廊橋研發和應用較晚，還尚未制定對應的標準規范，應及時填補該領域空白。

通過研究挪威、美國、法國等船舶和海洋裝備及其相關標準先進國家的規范，可以為我國海上登乘廊橋規范的制定提供良好的參考和借鑒。在我國后續的對應標準規范布局中，建議也按運動補償方式、換乘是否限制進行分類，結構材料重點選用GB/T 712-2011《船舶及海洋工程用結構鋼》[22]等，設計載荷可以分為恒載荷、活載荷、運動引起的載荷、功能載荷、風載荷、冰雪載荷、砰擊載荷、意外載荷、其他載荷，典型工況及載荷組合分為正常工作工況、升舉工況、緊急脫離工況、存放/遷移/生存工況、測試工況，結構強度評估時采用國際公認的許用工作應力法（WSD）和載荷抗力系數法（LRFD）評估廊橋結構的屈服、屈曲、疲勞強度。

海上登乘廊橋標準規范制定之后應盡快推廣實施，使之成為規范我國海上登乘廊橋產品標準化設計生產的基本依據，成為相關機構開展產品檢驗的主要衡準，成為推動產品國際化的重要抓手。以該產品標準規范為橋梁和紐帶，可以迅速推動海上登乘廊橋關鍵技術的突破和實際裝備的產業化制造，補齊我國船舶產業鏈短板弱項，使我國從造船大國邁向造船強國的步伐更加堅實有力。

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[22]國家標準化管理委員會.船舶及海洋工程用結構鋼：GB/T 712-2011[S].2011

作者簡介

杜杰，碩士，高級工程師，研究方向為電氣工程及海上風電開發、建設、運營。

劉碧燕，碩士，高級工程師，研究方向為應用化學，海上風電工程及生產安全科技。

錢正宏，本科，高級工程師，研究方向為金屬焊接，海上風電工程及生產安全科技。

許靖，博士，高級工程師，研究方向為船舶與海洋工程裝備設計開發。

孫耀剛，碩士，高級工程師，研究方向為船舶及海洋工程標準化。

（責任編輯：趙子軍）