青島永泰長(zhǎng)榮
標(biāo)題: 大型船舶靠泊能量計(jì)算 [打印本頁(yè)]
作者: 永泰長(zhǎng)榮 時(shí)間: 2023-12-30 17:37
標(biāo)題: 大型船舶靠泊能量計(jì)算
船舶靠泊有效撞擊能量計(jì)算和護(hù)舷設(shè)計(jì)是碼頭工程設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。護(hù)舷設(shè)施作為碼頭上重要的設(shè)備之一,關(guān) 系到碼頭工程造價(jià)和靠泊作業(yè)安全,特別是對(duì)于大型船舶在外?;蜷_敞式水域中的靠泊作業(yè)尤顯重要。結(jié)合工作實(shí)踐,就大 型船舶靠泊有效撞擊能量計(jì)算進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞:大型船舶:有效撞擊能量:計(jì)算
Abstract: Calculation of 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 effective impact energy;calculation
隨著海上運(yùn)輸?shù)男枰跋虼笮突l(fā)展, 在現(xiàn)有船舶保有量中,大型船舶數(shù)量約占30%, 而其運(yùn)力占70%。大型船舶噸位大,吃水深,靠 岸時(shí)的撞擊能量大,故對(duì)碼頭設(shè)計(jì)有一定的要 求——要有寬廣的水域,良好的水深,安全的防 撞設(shè)施。碼頭的防撞設(shè)施通常采用橡膠護(hù)舷。碼 頭護(hù)舷設(shè)施的設(shè)計(jì)既要考慮工程處的風(fēng)、浪、流 等自然因素的影響,又要考慮船舶大小和船舶操 作的熟練程度等因素,因此,碼頭護(hù)舷設(shè)施的設(shè) 計(jì)是既廣泛又復(fù)雜的問題。
國(guó)內(nèi)碼頭護(hù)舷設(shè)施設(shè)計(jì)中, 一般先按交通運(yùn) 輸部頒布的《港口工程荷載規(guī)范》口中的船舶靠岸時(shí) 有效撞擊能量公式計(jì)算,再由撞擊能量選擇合適 的護(hù)舷設(shè)施;但在承接國(guó)外碼頭工程設(shè)計(jì)中,有 業(yè)主要求按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)P進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)本人多年工 作經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為這兩個(gè)規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn))的計(jì)算有一定的
差異,按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)偏于安全。
1 大型船舶的靠泊
1.1 靠泊方式
一般大型船舶靠泊碼頭是在拖輪幫助下完成 的,其靠泊程序如下。
大型船舶進(jìn)港時(shí),距碼頭泊位不超過3 km 時(shí),其航速逐漸降低,降至5kn 左右;距碼頭1km 時(shí),船舶航速降至為3kn 左右;距碼頭泊位500m 時(shí),船舶航速降至小于1 kn, 直至停車;船舶平 行于碼頭時(shí),用拖輪在船首、船尾、船中3個(gè)點(diǎn) 上推向碼頭泊位;以適當(dāng)速度把船舶推向碼頭泊 位,并控制在碼頭泊位前1m 或 2 m 處停?。合?纜: 一般系纜次序?yàn)橄冗B首纜,次為倒纜、尾纜, 最后為橫纜,或先連尾纜,次為倒纜、首纜,最 后為橫纜。
1.2 靠泊時(shí)與碼頭接觸方式
大型船舶靠泊時(shí)與碼頭接觸方式有以下2種。
D 平行靠泊。借助拖輪,在船首、船尾、船 中以相同的速度推向碼頭泊位,這是大型船舶靠 泊的理想方式, 一般極難做到,往往一端先靠泊
碼頭。
2 船舶斜向靠泊碼頭。 一般船舶縱軸線與碼 頭前沿線夾角小于10°,船舶斜向靠泊視靠泊時(shí)的 實(shí)際情況,有船首靠泊和船尾靠泊。
1.3 靠岸速度
大型船舶靠泊碼頭是借助拖輪,隨著船舶逐 步移近碼頭,拖輪逐步停止推進(jìn),依靠船舶本身 的慣性靠泊碼頭,因此,船舶靠泊速度一般很小, 但由于大型船舶噸位大,其撞擊能量的大小與船 舶質(zhì)量和靠泊速度成平方關(guān)系,故船舶靠泊速度 盡管較低,但還是要控制,根據(jù)《港口工程荷載規(guī) 范凹,有掩護(hù)的港口碼頭,船舶法向靠岸速度選 用0.06~0.08 m/s, 開敞式的港口碼頭船舶法向靠 岸速度選用0.08~0.15 m/s。
1.4 靠泊碼頭所需拖輪總功率
大型船舶靠泊碼頭需拖輪協(xié)助,不同噸級(jí)的 船舶,需配備足夠功率的拖輪進(jìn)行協(xié)助,才能控 制船舶靠泊速度。在船舶靠泊過程所需拖輪的總
功率,按JTJ211—1987《 海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》
中的公式計(jì)算,即 BHP=kQ (1)
式中:BHP 為所需港作拖輪總功率 kW:
K為系數(shù),DWT≤20000t 時(shí),取0.075; 20000t<DWT≤50000t 時(shí),取0.060;
DWT>50000t 時(shí),取0.050。
Q 為進(jìn)出港設(shè)計(jì)船型的載重噸(D。
一般大型船舶需配備4~5艘拖輪協(xié)助靠泊。 根據(jù)碼頭工程所在區(qū)域的風(fēng)、浪、流等自然條件, 和船舶噸位以及靠泊作業(yè)工藝,選擇操作靈活, 頂、拖性能良好的拖輪。
2 船舶靠泊能量計(jì)算
2.1 船舶靠泊能量確定的方法
船舶靠泊能量的確定方法目前大致有下列5
種。
D 動(dòng)力學(xué)方法。動(dòng)力學(xué)是慣用方法,至今仍
被廣泛采用,其基本表達(dá)方式為
(2)
式中:
E為船舶靠泊能量4 ·m):
m為靠泊船舶的質(zhì)量 Gm=a/g,t·s2/m); v為船舶靠泊時(shí)的瞬間速度 (m/9。
還有一些動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式都是從此基本表達(dá) 式中演變過來,僅是其中的系數(shù)選取有差異。
2 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。該方法是以對(duì)現(xiàn)有泊位的碰 撞能量值的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析這些數(shù)據(jù),采 用合理的方法,明確顯示出泊位能力、損壞的風(fēng) 險(xiǎn)度以及護(hù)舷的吸能設(shè)計(jì)值三者之間的關(guān)系,來 確定設(shè)計(jì)新碼頭泊位的護(hù)舷吸能值。
3 模型試驗(yàn)方法。在水力試驗(yàn)或船池中,用 小比尺模型試驗(yàn)來確定護(hù)舷的吸能值。
4 數(shù)學(xué)模型方法。此方法仍在發(fā)展完善中, 至今尚未見到與實(shí)船靠泊之比較,目前公開發(fā)表 的分析靠泊運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型有2種: 一種是以船 舶運(yùn)動(dòng)方程和脈沖函數(shù)為理論基礎(chǔ),另一種是采 用長(zhǎng)浪理論。
9 經(jīng)驗(yàn)公式。采用簡(jiǎn)單的能量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),其 數(shù)值僅根據(jù)排水量而定,是經(jīng)驗(yàn)公式,其表達(dá)式為
(3)
式中: E 為船舶靠泊能量(t·m);
W 為船舶滿載排水量(D。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中,利用動(dòng)力學(xué)方法來確定護(hù)舷 設(shè)施所吸收的能量最為常見,近乎90%的設(shè)計(jì)都 以這種計(jì)算方法為依據(jù),但以護(hù)舷設(shè)施能量計(jì)算 方法簡(jiǎn)要說明公式作為統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法存在著一 定的局限性,對(duì)于能量公式中的參數(shù)和系數(shù)值的 選定,主觀因素很大,以致各設(shè)計(jì)者對(duì)同一碼頭 計(jì)算出的能量值可以相差幾倍。正因?yàn)閯?dòng)力學(xué)方 法存在著一定的局限性,所以國(guó)內(nèi)外同仁都在研 究、探討或完善船舶靠泊能量計(jì)算方法。
2.2 船舶靠泊能量計(jì)算的比較
目前,船舶靠泊能量計(jì)算采用的動(dòng)力學(xué)方法 國(guó)內(nèi)外常用的有2個(gè): 一個(gè)是國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸部頒 布的JTJ215—1998《港口工程荷載規(guī)范,另一個(gè)英國(guó)的《海工建筑物標(biāo)準(zhǔn) BS6349第一分冊(cè)》(1984 年版)同。下面以這2個(gè)計(jì)算方法進(jìn)行分析比較。
D 港口工程荷載規(guī)范中有效撞擊能量計(jì)算公
式為
(4)
式中:
E?為船舶的有效撞擊能量 (kD:
p為有效動(dòng)能系數(shù),取0.7~0.8;
M為船舶質(zhì)量(D, 按滿載排水量計(jì)算:
V.為船舶靠岸法向速度(m/s)。
關(guān)于此方法,“規(guī)范”編制說明,船舶靠岸時(shí), 以法向靠泊速度碰撞碼頭,其具有的能量由橡膠 護(hù)舷壓縮變形,碼頭本身彈性變形,船舶運(yùn)動(dòng)和 船殼彈性變形,船舶與岸間水體擠升及振動(dòng)、摩 擦,發(fā)熱等所消耗。橡膠護(hù)舷,船殼板變形和碼 頭變形所吸收的能量為有效撞擊能量,它與全部 撞擊能量之比稱為有效撞擊能量(或有效動(dòng)能 系數(shù)。根據(jù)大量觀測(cè)試驗(yàn)研究,對(duì)于裝設(shè)橡膠護(hù) 舷的碼頭,有效撞擊能量系數(shù)為0.7~0.8。
② 英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6349第四分冊(cè)(1984年版)因
公式為
E=0.5CyM?·(V)CCCc (5)
式中:
E為船舶的有效撞擊能量(kN·m);
Cw 為水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù),通常取1.3~1.8;
M?為船舶排水量);
Vg為垂直泊位的靠船速度 (m/9;
Cg為偏心系數(shù),通常取0.7~0.8;
Cs為柔性系數(shù);
Ce為泊位形狀系數(shù)。
此種計(jì)算方法,將船舶靠泊運(yùn)動(dòng)中各種狀況 進(jìn)行細(xì)化,考慮了船舶周圍水體的運(yùn)動(dòng)、船舶碰 撞點(diǎn)的偏心、泊位形狀等,其中影響船舶的有效 撞擊能量的系數(shù)是水動(dòng)力質(zhì)量系數(shù) Cw和偏心系
數(shù) Cg, 按此計(jì)算,船舶靠泊時(shí)的有效撞擊能量,
一般要比國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算的大1.3~1.8,據(jù)筆者工作
實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為:在外海或開敞式水域,影響船舶 靠泊的因素比較多,且復(fù)雜,這個(gè)數(shù)值是可以考 慮的。
我國(guó)在1987年頒布JTJ214—1987《港口工
程技術(shù)規(guī)范》第四篇《荷載》時(shí),國(guó)內(nèi)僅建成2個(gè) 10萬噸級(jí)碼頭,在外?;蜷_敞式水域中建造港口 還是剛剛起步,至1998年頒布JTJ215—1998 《港口工程荷載規(guī)范》口咐,短短10年間,國(guó)內(nèi)陸
續(xù)建造一批大型碼頭,有10萬噸級(jí)碼頭泊位9
個(gè),20萬噸碼頭泊位4個(gè),成績(jī)斐然。隨著國(guó)內(nèi) 港口建設(shè)的快速發(fā)展,港口工程技術(shù)得到迅速提
高,在此基礎(chǔ)上,對(duì)1987年的《荷載》規(guī)范作了
修訂,修訂主要變更情況有“全部采用以分項(xiàng)系
數(shù)表達(dá)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,規(guī)定了本規(guī)范
所列荷載的分項(xiàng)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值。明確指出了兩種 極限狀態(tài),三種相應(yīng)狀況和相應(yīng)組合,對(duì)有關(guān)荷 載盡可能在適用范圍內(nèi),向深水、大噸位和開敞 式的泊位方面延伸?!盝TJ215—1998《港口工程荷 載規(guī)范》,對(duì)我國(guó)的港口工程設(shè)計(jì)和建設(shè)具有規(guī) 范性和指導(dǎo)性意義,推動(dòng)了我國(guó)港口工程建設(shè), 但該規(guī)范在船舶靠泊有效撞擊能量計(jì)算方面修訂 變更情況不多,僅在船舶法向靠泊速度方面作了
分類和細(xì)化,詳見表1和表2。
從表1和2中明顯看出,對(duì)于海船的法向靠 岸速度取值,JTJ214—1987 版規(guī)范中沒有分有掩 護(hù)港口和開敞式港口,僅有一類情況的法向靠岸 速度,且船舶噸位在30000 t 以下細(xì)化,而JTJ
215—1998版規(guī)范中分成2類,即有掩護(hù)的港口和
開敞式港口。在有掩護(hù)的港口,船舶法向靠岸速 度取值下限較JTJ214—1987 版規(guī)范有所提高,且 船舶噸位也細(xì)化到100000t 以內(nèi),體現(xiàn)“向深 水、大噸位和開敞式的泊位方面延伸”。
表1 船舶靠岸時(shí)撞擊的法向速度網(wǎng)
注:表中較大的數(shù)值適用于靠船條件比較惡劣的情況。
表2 海船的法向靠岸速度叫
注:表中較大的數(shù)值適用于靠船條件較為惡劣及海船進(jìn)入流 速較大的河港時(shí)的情況。
在JTJ 215—1998 版《港口工程荷載規(guī)范》中, 船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量計(jì)算公式中的 p 是有 效動(dòng)能系數(shù),可以認(rèn)為是綜合系數(shù),綜合考慮了 橡膠護(hù)舷壓縮變形、碼頭本身彈性變形、船殼彈 性變形、水體運(yùn)動(dòng)等壓縮,其值取為0.7~0.8,與 JTJ214—1987 規(guī)范田相同,沒有修訂,筆者認(rèn)為偏 小。在碼頭工程設(shè)計(jì)中,遇船舶靠泊能量計(jì)算時(shí), 感到1998年版《港口工程荷載規(guī)范》中的計(jì)算公 式在有效動(dòng)能系數(shù)和安全儲(chǔ)備方面考慮尚不夠完 善,與國(guó)外船舶靠泊能量計(jì)算結(jié)果有差異,由于 船舶噸位大和船舶操作熟練程度有關(guān),規(guī)范中對(duì) 意外情況下的安全儲(chǔ)備沒有提及,參考有關(guān)國(guó)家 的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),在船舶靠泊能量計(jì)算和護(hù)舷選擇 時(shí)應(yīng)考慮安全儲(chǔ)備或安全系數(shù)。因此,筆者認(rèn)為 在儲(chǔ)備靠泊能量計(jì)算中應(yīng)考慮安全系數(shù),安全系 數(shù)的選取視碼頭工程處的實(shí)際情況而定,也可根 據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和設(shè)計(jì)實(shí)例確定一個(gè)范圍。
3 關(guān)于系數(shù),修正系數(shù)、安全系數(shù)
在船舶靠泊計(jì)算其撞擊能量和護(hù)舷選型時(shí), 考慮的參數(shù)、系數(shù),修正系數(shù)和安全系數(shù),都有 其一定的含義。
在進(jìn)行船舶靠泊能量計(jì)算時(shí),能量計(jì)算公式 中所需的參數(shù)和系數(shù),如 W,V,Cw,Cg,Cs,Cc
等,都是公式計(jì)算本身的需要,沒有考慮安全和 修正的因素。根據(jù)實(shí)踐中護(hù)舷設(shè)計(jì)和選型時(shí)的體 會(huì)及國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料,認(rèn)為修正系數(shù)和安全系數(shù) 是兩個(gè)不同的概念;修正系數(shù)是在護(hù)舷選型時(shí), 從護(hù)舷本身所考慮;安全系數(shù)是考慮船舶正???/div>
泊以外的其他不利因素。
修正系數(shù)考慮的因素如下。
D 護(hù)舷材料在制造上的誤差,經(jīng)年變化等影 響因素——護(hù)舷本體使用的性能公差:
2 護(hù)舷材料的物理性能產(chǎn)生的差異——護(hù)舷 材質(zhì)性能公差:
3 由船舶靠泊角度變化而需要進(jìn)行修正。 安全系數(shù)考慮的因素如下。
D 船舶在靠泊過程中,碼頭泊位區(qū)域的風(fēng)、 流、浪等自然因素瞬間聚然變化,容易產(chǎn)生過大
的撞擊力:
2 在靠泊過程中,船舶由于拖輪之拖纜突然 斷裂而失去平衡,產(chǎn)生超出設(shè)計(jì)范圍的靠泊速度;
3 幾艘拖纜協(xié)助大型船舶靠泊過程中,由于 通訊聯(lián)系和意圖領(lǐng)會(huì)之間的誤差,難免出現(xiàn)瞬間 不協(xié)調(diào),而產(chǎn)生過大的撞擊力;
4 由于船舶駕駛員熟悉程度造成人為操作的 失誤,容易產(chǎn)生過大的撞擊力。
關(guān)于安全系數(shù)問題,雖在我國(guó)的《港口工程 技術(shù)規(guī)范》中未有明確的條文和說明,但國(guó)內(nèi)外 許多資料都有這方面的論述,現(xiàn)摘錄如下圖。
D 靠船結(jié)構(gòu)和碰墊的安全系數(shù)——碰墊或靠 船結(jié)構(gòu)因破壞引起的后果越嚴(yán)重,則安全系數(shù)也 應(yīng)越大。
2 某些港口也許只有一個(gè)泊位能接納設(shè)計(jì)船 型,倘若這個(gè)泊位因碰墊損壞不能使用,則這個(gè) 港口的裝卸能力將受嚴(yán)重影響,在這種情況下, 適當(dāng)增加碰墊吸能量是必要的。
3 碰墊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)——研究委員 會(huì)既不希望定一個(gè)具體的安全系數(shù),又不允許 有一定程度的潛在危險(xiǎn),研究委員會(huì)認(rèn)為應(yīng)讓 工程師為他自己設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)考慮選擇合適的安 全系數(shù)。
4 確定大型船舶碰墊系統(tǒng)的能力吸收能力的 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,應(yīng)當(dāng)基于以下條件。
正常作業(yè)條件——碰墊設(shè)計(jì)要保證在工作應(yīng) 力范圍以內(nèi)能夠吸收正常靠泊作業(yè)中發(fā)生的撞擊 能量:
事故條件——鑒于碰墊系統(tǒng)比碼頭結(jié)構(gòu)便宜得多,因此,可以認(rèn)為碰墊的損壞遠(yuǎn)不如碼頭結(jié) 構(gòu)或船的損壞那么危急,所以在設(shè)計(jì)上要賦予碰 墊盡可能高的能量吸收能力。
注:碰墊系統(tǒng)即防撞設(shè)施或橡膠護(hù)舷。
5 計(jì)算的靠船能量適用于正常情況,而發(fā)生 意外時(shí),則靠船能量可能過大,例如:
①船舶或拖輪機(jī)器損壞;
②系船纜繩或拖纜斷裂;
③風(fēng)和潮流突然變化;
④人為的過失。
為了對(duì)這類難以估量的風(fēng)險(xiǎn)提供一定的安全 儲(chǔ)備,建議:除非已確定在類似的情況下,較低 值的撞擊能量也能滿足,否則每個(gè)護(hù)舷的極限能 量應(yīng)按正常撞擊能量的2倍進(jìn)行計(jì)算。
4 結(jié)語
D 我國(guó)《港口工程荷載規(guī)范》中,有效撞擊能
量計(jì)算公式中的有效動(dòng)能系數(shù)p 考慮到碼頭橡膠 護(hù)舷、船殼板變形和碼頭變形等因素,可以認(rèn)為 是個(gè)綜合系數(shù),若沒有考慮船舶與碼頭之間的水 體運(yùn)動(dòng), p 取0.7~0.8是合適的;若包括船舶與碼 頭之間的水體運(yùn)動(dòng),這個(gè)數(shù)值偏小。
》 從《港口工程荷載規(guī)范》條文說明中理 解,船舶靠岸時(shí)的部分撞擊能量被船舶與岸間水 體擠升以及振動(dòng)、摩擦、發(fā)熱等所消耗,但從英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外一些資料中看出,水動(dòng)力質(zhì)量運(yùn)動(dòng) 不是隨著船舶運(yùn)動(dòng)而耗散(吸能,而是隨著船舶 動(dòng)力相應(yīng)增加,因此在計(jì)算船舶靠岸時(shí)的撞擊能 量時(shí)應(yīng)考慮水動(dòng)力質(zhì)量的參與,特別是在外?;?開敞水域的碼頭設(shè)計(jì)應(yīng)予以考慮。
3) 在護(hù)舷設(shè)計(jì)選型時(shí),建議考慮修正系數(shù)和 安全系數(shù)(修正系數(shù)由護(hù)舷本身的性能和靠船角 度確定,安全系數(shù)是考慮船舶正常靠泊作業(yè)以外 的因素) 作為一種安全儲(chǔ)備,安全系數(shù)的選取視 碼頭工程處的實(shí)際情況而定。
參考文獻(xiàn):
[1]TJ 215—1998 港口工程荷載規(guī)范S]
[2]JTJ 211—1987 海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3] BS6349 護(hù)舷和系泊裝置設(shè)計(jì)[S]
[4]TJ 214—1987 港口工程技術(shù)規(guī)范S]
[5] 交通部第一航務(wù)工程局設(shè)計(jì)研究院.海港碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手 冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,1975:112-120.
16]圭因(美).海港工程設(shè)計(jì)和施工M],北京:人民交通出版社,1980: 206-256
17]全國(guó)水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì),交通部水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院,交通部 第三航務(wù)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院.碼頭岸壁建筑物委員會(huì)的建議S.
[8] 交通部水運(yùn)工程科技情報(bào)1988.國(guó)際航運(yùn)會(huì)議常設(shè)協(xié)會(huì)專題 國(guó)際委員會(huì)報(bào)告:碰墊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[R].北京:交通部水運(yùn)規(guī)劃設(shè) 計(jì)院.
[attach]7496[/attach]
聲明:以上有關(guān)船用氣囊和橡膠護(hù)舷的資料部分會(huì)青島永泰長(zhǎng)榮工廠技術(shù)資料,也有網(wǎng)絡(luò)上搜集下載所得,本著氣囊護(hù)舷行業(yè)資料共享的精神,我們拿出來分享,如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系0532-84592888刪除,謝謝
歡迎光臨 青島永泰長(zhǎng)榮 (http://www.uz51.cn/) |
Powered by Discuz! X3.4 |