码头橡胶护舷的优化设计

尹春辉 ，贺军

护舷系统的设计是一个较复杂的过程，目前在世界范围内还没有一本设计规范能让护舷系统的设计标准化，大部分设计程序还是需要依赖护舷系统专业设计人员的经验来实现。目前全世界最主流的设计规范是国际航运协会（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”，此外还有英国国家标准（BIS），日本国家标准（JIS），欧洲标准（EUROCODE）等。护舷的设计一般有4个步骤，首先是收集船舶、码头、靠岸和环境因素信息，第二是确定最大船舶靠岸动能，第三是根据码头船舶的特质分别确定护舷弹性体、前部结构和运动限制装置（可以有多种方案），最后是根据设计合理性及材料安装成本从各方案中选取最佳方案。

随着我国水运行业海外业务的蓬勃发展，国内设计院对使用国际标准对船舶撞击能量的计算已完全掌握。但是，目前还没有规范规定撞击能量选取橡胶护舷的计算方法，国内水运设计行业在橡胶护舷选型时普遍只考虑撞击能量被单个橡胶护舷吸收的情况。然而中外规范[1-2]都允许靠泊时撞击能量被单个或者多个橡胶护舷吸收的情况，即橡胶护舷组进行吸能分配。本文通过对加纳某新集装箱码头橡胶护舷吸能分配进行分析计算，提出橡胶护舷的优化设计方法，可供海外水工工程设计借鉴。

1 船舶撞击能计算

根据PIANC 2002[3]，船舶靠泊对护舷的撞击能量表达式为：

式中：E为撞击能量，kJ；MD为船舶排水量，t；VB为船舶正常靠泊时的靠泊速度，m/s，根据靠泊码头是否有掩护、靠泊条件的难易，以及船舶排水量等条件查表确定；CS为柔性系数，取0.9~1.0，当护舷连续布置时取0.9，其他情况取1.0；CC为泊位形状系数，取0.8~1.0，开敞式高桩码头取1.0，实体码头取0.8~1.0，通常取1.0；CM为船舶附加水体影响系数；CE为偏心系数。

1）船舶附加水体影响系数计算公式如下：

式中：DV为船舶与计算装载度对应的吃水，m；B为船舶型宽。

2）偏心系数计算公式如下：

其中船舶回转半径K计算公式如下：

式中：Cb为方形系数；L为船舶垂线间长度，m；R为船舶质心至靠泊点的距离，m；酌为靠泊方向与R之间的锐角夹角，（毅）。

当船舶停靠发生不正确处理、发生故障或者异常的横风、水流或者异常风和水流的结合时，需要考虑非正常靠泊。非正常靠泊的能量计算是在正常靠泊能量的基础上乘以相应的安全系数实现的。其安全系数的建议值见PIANC。

2 实例

2.1 工程概况

加纳某新集装箱码头工程位于非洲西部，加纳南部沿海，濒临几内亚湾的北侧。集装箱码头岸线总长1 400m，顶标高为+4.0m。码头结构采用重力式沉箱结构。码头橡胶护舷原设计选型为SCN1800 F2.0，码头橡胶护舷结构示意图见图1。

图1 码头橡胶护舷结构示意图Fig.1 Structure diagram of thewharf rubber fender

2.2 计算条件

本项目设计条件汇总见表1。

表1 设计条件汇总表Table 1 Design parameter table list

2.3 橡胶护舷选择

考虑到锥形橡胶护舷具有高吸能低反力及船舶靠泊角度10毅内不影响其吸能性能的优点，选择锥形橡胶护舷。

2.4 橡胶护舷型号确定

考虑单个护舷吸能大于2 693 kN·m，选择SCN1800 F2.0橡胶护舷。橡胶护舷的反力和变形如图2所示[4]。

图2 SCN1800反力和变形曲线图Fig.2 SCN1800 reaction and deformation curve

由图2可知，SCN1800 F2.0橡胶护舷最大吸能2 775 kN·m，满足最大撞击能量2 693 kN·m的要求。

3 护舷优化计算和结果

3.1 橡胶护舷优化思路

1）由于非正常靠泊已考虑由温度变化、船舶本身及异常靠泊速度等因素，因此在撞击能量计算中不应再重复考虑，而只考虑橡胶护舷制造偏差，BS6349-4[3]中规定制造偏差取10%，经咨询厂家，其制造偏差能达到5%。

2）BS6349-4[3]中明确指出，在船舶靠泊过程中可同时考虑多个护舷吸能的工况。因此，本优化方案主要考虑船舶靠泊时2个和3个橡胶护舷单元共同作用下的护舷型号选取。

3.2 橡胶护舷优化计算

1）船艏圆弧半径计算，其结果见表2。

表2 设计船型船艏圆弧半径和护舷吸能要求计算结果Table2 Bow radiusand fender absorption requirement calculation resultsof the design ship type

2）橡胶护舷推荐

根据前面的分析，可知最大撞击能量为设计撞击能量再考虑依5%的偏差。因此，橡胶护舷能效吸能要求如表2。

初步推荐橡胶护舷为锥形橡胶护舷SPC 1300 G3.0，其额定吸能1 402 kN·m，额定反力2 048 kN。

3）撞击时护舷组的工作原理

护舷设计时还需将跟船舶舷侧板压力相关的船艏圆弧半径、靠泊角度、护舷布置间距、非正常靠泊及靠泊时撞击多个橡胶护舷的因素都考虑在内。同时，进行护舷设计时，BS6349-4规定船舶靠泊需假定为船舶船艏接触单个或者多个护舷、船舶纵轴线与码头前沿线形成一个向右的角度（靠泊角度在规范规定范围内）并绕接触点向右旋转以完成靠泊，一般考虑参与撞击能吸能的护舷个数为2个或者3个。当参与吸能的护舷为2个和3个单元时，船舶靠泊初始状态及撞击能完全吸能时的示意图见图3。船舶靠泊几何图示见图4。

4）护舷吸能能力复核

所选护舷为SPC1300 G3.0，其产品性能曲线如图5[5]所示。

根据护舷性能参考表和曲线图，可得出不同工况下护舷组的实际吸能能力见表3。

由此可知，设计船型均是护舷组（每组2个护舷单元或者3个护舷单元）吸能，且均能满足设计船型靠泊时的吸能要求。

5）船舶靠泊时船体与码头结构最小距离复核

根据产品设计手册[6]，船舶靠泊时，橡胶护舷吸能后会产生变形，船体至码头结构的距离会因此缩小，过小的净距将给船舶及码头结构带来被破坏的风险，结合护舷的吸能大小和性能曲线图（图5），可得出正常靠泊及非正常靠泊情况下船体与码头结构的净距最小值为680mm，其净距示意图见图6，计算结果满足规范[2]最小净距250mm的要求。

6）船舶舷侧板压强复核

靠泊时船舶舷侧板压强大小可通过调整护舷防冲板的面积实现，本项目配备的防冲板尺度为宽度2.1 m和高度5.12 m，经计算其对舷侧板的压强为200 kPa，在允许范围内。

7） 结论

SPC 1300 G3.0护舷满足本项目船舶靠泊的设计要求和使用要求。

图3 护舷吸能及变形的靠泊示意图Fig.3 Berthing schematic of energy absorption and deform ation of fenders

图4 船舶靠泊几何图示（渡船及滚装船靠泊除外，另有规定）Fig.4 Vesselberthing geometry illustration(Except the ferry and ro-ro berthing,otherw ise specified)

图5 SPC 1300G3.0性能曲线图Fig.5 SPC 1300G3.0 performance curve

表3 护舷组吸能能力校核Table3 Fender absorption capacity checking

图6 非正常靠泊时船舷侧板与码头结构净距示意图Fig.6 Vesselhull to quay wallclearance atabnormalberthing energy

4 结语

1）基于国外标准和规范计算出的撞击能量，需根据设计船型及护舷产品手册和设计指南对船舶靠泊时作用的护舷个数进行分析，避免将所有能量分配在一个护舷单元上。

2）本项目因为护舷优化后本体尺度变小，能安装在胸墙上，因此取消了码头靠船构件，经成本分析，优化节省约250万美元。另外，在本项目工期压力较大的情况下，靠船构件的取消也节省了工期，意义非凡。

3）若非设计条件限制，本项目护舷优化时还可组合护舷布置间距（可增大），对比分析后合理选择护舷型号及间距，将进一步降低造价。

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[1]JTJ297—2001，码头附属设施技术规范[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.