滚装直跳板码头装卸作业潮位预报方法

葛俊波，陈骏生，彭江丰

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

滚装船通过跳板进行车辆滚装装卸时，由于码头潮位不断变化，仅能在一定潮位范围内作业，作业潮位主要受跳板长度、上下极限工作角度等限制，还受到跳板背板线型、跳板通道净高、通行车辆性能、码头参数等进一步制约。若不能准确预报可作业潮位范围，车辆装卸计划将难以制定，尤其在作业码头潮差较大、装卸车辆种类多样、停靠码头不固定等情况时，易造成滚装船或车辆等待时间过长、资源浪费严重的后果。

国内外针对船靠码头进行滚装作业的潮位选择问题研究较少。仅赵俊国等[1]、刘宝新等[2]针对单节艉跳板与固定平码头的适应性，提出作业潮位和作业时间范围的计算方法，但是该方法未考虑车辆性能、船倾斜等对作业潮位的影响，且无法适用于前沿设置斜坡的平码头、斜码头、双节跳板等更加复杂的情况。在码头面高程设计时也需要考虑跳板滚装作业时间[3-5]，但是通常仅考虑跳板上下极限工作角度和船吃水的影响。

本文以滚装船普遍配置的直跳板(包括艏跳板、舷侧跳板和艉跳板)作为研究对象，在研究跳板自身技术状态、船的状态、通行车辆性能、码头参数等因素对作业潮位影响的基础上，找出影响规律，提出作业潮位预报方法，用于指导滚装船制定车辆装卸作业计划，提高作业效率。

1 作业潮位影响因素

1.1 直跳板的技术状态

直跳板技术状态对作业潮位产生限制主要在跳板长度和极限工作角度、跳板端铰链距船基线的高度、跳板背板线型、跳板通道净高等方面。滚装船确定时，跳板长度和极限工作角度、跳板端铰链距船基线的高度均为已知参数；跳板通道的净高为门框上沿到跳板表面的垂直距离，可转化为跳板工作角度的关系式。跳板背板线型的影响为：1)线接触如图1a)所示，但码头端部与跳板背板不允许线接触，可以量化为对跳板最小打开角度的限制，滚装船确定时，其跳板能搁靠平码头的最小打开角度为已知参数；2) 对于双节跳板，与船体相连的第一节跳板不能与码头相碰，须保持一定的安全距离，如图1b)所示。该距离可转化为两节跳板工作角度和码头参数的关系式。

图1 对跳板背板线型的影响

1.2 随装卸任务变化的可变因素

1.2.1船的状态

当船吃水增大或船倾斜使跳板处吃水增大时，作业潮位整体相应上涨；反之，则作业潮位整体相应下降。

对于双节跳板，第一节跳板端铰链与码头端立面的水平距离超过第一节跳板长度时，不用考虑1.1节所述第一节跳板背板与码头表面磕碰的问题，因此对作业潮位选择产生有利影响。

1.2.2通行车辆的性能

车辆影响装卸作业的性能主要包括车辆的外形尺寸、爬坡角、接近角(离去角)、纵向通过角和涉水能力等5个方面，如图2所示。

图2 影响装卸的车辆性能参数

1)外形尺寸。车辆总高小于跳板通道净高才能通行。对于长度方向有较长突出物的车辆，还要防止车辆在跳板上爬坡时，突出物撞到门框上沿或者通道顶部的船体结构，如图3所示。

图3 车辆在跳板上爬坡时长度方向突出物与结构干涉

在核算车辆的外形尺寸对跳板通道净高要求时可转化为对跳板工作角度的限制。由于车辆外形的复杂性，对跳板工作角度的限制要求有时难以直接计算得到，可采用做图法直接获取。

2)爬坡角。跳板与水平面的夹角不应大于车辆的爬坡角，即限制了跳板的工作角度。

3)接近角(离去角)。跳板与码头之间形成的凹形区域所夹锐角，跳板与车辆甲板之间可能形成的凹形区域所夹锐角，以及对于双节跳板在两节跳板之间可能形成的凹形区域所夹锐角，均不应大于车辆的接近角和离去角，即限制了跳板的工作角度。

4)纵向通过角。对于轮式车辆，要求第一节跳板与车辆甲板之间可能形成的凸形区域所夹锐角，以及对于双节跳板在两节跳板之间可能形成的凸形区域所夹锐角，均不应大于车辆的纵向通过角，即限制了跳板的工作角度。对于履带式车辆，无此限制。

5)涉水能力。斜码头在高潮位时端部可能涉水，跳板搁码头点的涉水深度不应大于车辆的涉水能力。该涉水深度可转化为跳板工作角度和码头参数的关系式。

1.2.3码头参数

滚装码头形式一般有固定平码头、前沿设置斜坡的固定平码头、固定斜码头、浮码头、活动栈桥码头等。

固定斜码头由斜坡段和水平段组成，参数一般包括水平段高程、斜码头端部高程和斜码头段坡度。固定平码头可视为固定斜码头的一种特殊情况，即斜坡段坡度为0；前沿设置斜坡的固定平码头可等效为固定斜码头来考虑。当斜坡段坡度增大或者长度加长时，码头端部高程减小，可作业潮位整体下降。此外，要注意斜坡段与跳板所夹最小锐角不应超过车辆接近角(离去角)，否则车辆将无法通行。

当跳板搁靠浮码头时，船和浮码头同步沉浮，仅须考虑浮码头与固定码头的连接。

在码头上设置可调节高度的活动栈桥，船舶跳板可与之搭接形成滚装通道。由于设置栈桥相当于增加跳板长度的作用，因此能有效扩大跳板作业潮位范围。

综上，本文仅考虑对作业潮位选择最为严格、应用最普遍的固定式码头，包括固定平码头、前沿设置斜坡的固定平码头和固定斜码头，分析时可仅以固定斜码头为研究对象。

2 可作业潮位预报方法

根据上述分析，当滚装船确定时，跳板码头作业潮位限制要求可定量化为已知参数、可输入参数以及跳板工作角度的关系式，因此可得到对跳板工作角度的限制，进而预报作业潮位范围。

2.1 影响因素输入

上述影响因素可以分为两种类型：1)已知参数，包括跳板的形状和尺寸参数、跳板端铰链相对船体的位置参数、跳板极限工作角度、搁靠平码头的最小打开角度要求、双节跳板第一节背板与码头表面的最小安全距离；2)可变参数，包括船状态参数、车辆性能参数和码头参数，车辆性能参数和码头参数可根据任务要求确定，船状态参数需要输入预估值。

2.2 可作业的判断标准

需要同时满足以下条件，才能判断此时某车辆可通过跳板安全装卸：1)跳板打开角度在其极限工作角度范围内；2)跳板与码头表面的夹角应满足跳板搁靠平码头的最小打开角度要求；3)对于双节跳板，第一节跳板背板与码头表面的最小距离应不小于最小安全距离要求；4)满足本文1.2.2的要求。

2.3 可作业潮位范围的计算

根据2.2节的判断标准，可以构建仅以跳板工作角度为未知数的不等式组，理论上可以求解出跳板的工作角度范围，进而计算出可作业潮位范围。考虑到该不等式组可能较复杂、难以理论求解，可以采用数值迭代的方法求解，即选择合适的跳板工作角度初始值，以一定的步长逐步改变跳板工作角度，判断在该工作角度时2.2节的标准能否全部满足，若全部满足则求解此时的潮位值并记录，若不满足，则继续改变跳板工作角度直至超出跳板的极限工作角度范围，最后统计所记录的潮位值，得到最低潮位和最高潮位。

3 舷侧双节跳板搁靠固定斜码头案例验证

3.1 基本假设

通过以下合理假设，对模型进行简化：1) 假设各横截面上舷侧门第一节跳板背板线型为直线段；2) 假设舷侧跳板中心线与船体中心线垂直；3) 舷侧跳板沿船首尾方向宽度较小，各横截面形状和尺度变化不大，且搁靠码头装载时要求纵倾较小，因此可按照跳板中心线所在横截面进行计算。

3.2 计算模型和参数定义

假定舷侧跳板位于船漂心首部，搁靠码头时的几何模型如图4所示。

图4 船右舷侧双节跳板搁码头参数

参数分为需要输入的参数、求解的变量和已知参数3类。计算前需要输入的参数定义和取值：横倾角度(右倾为正)φ为-2°；纵倾角度(艏倾为正)θ为-1°；斜码头坡度λ为8.5°(平码头取 0°)；码头水平段高程Hm1为6.50 m；码头端部高程Hm2为5.52 m；第一节跳板端铰链中心至码头端立面的水平距离ρ为2.75 m；船漂心处所在肋位处船中线吃水dr为8.745 m。

求解的变量定义为：α为第一节跳板顶板相对水平面的夹角(逆时针为正)(°)；β为第二节跳板顶板相对水平面的夹角(逆时针为正)(°)；k为第一节跳板顶板相对车辆甲板所夹锐角(逆时针为正)(°)；Δ为第一节跳板背板与码头表面的最小距离(m)；D1为码头端部至水面的垂直距离(m)；D2为跳板端部至水面的垂直距离(m)；Td为吃水值；τ为第二节跳板搁斜码头的点沿垂直码头表面方向量至水面的距离(当搁靠码头点位于水面上方时，取τ=0)(m)。

已知参数定义和取值：第一节跳板端铰链中心沿船高度方向至基线的距离H为11.760 m；第一节跳板端铰链中心沿船宽当下至船中线面的距离M为15.891 m；舷侧跳板中心线所在横截面沿船长方向至船漂心的距离S为21.3 m；第二节跳板能够搁到平码头时，β的代数最大值β0为-7.714°；第一节跳板背板与码头表面的最小安全距离Δs为0.4 m；第一节跳板承载机构拉直而能够承载时，k的代数最大值k0为8°；第一节跳板端铰链中心与中间铰链中心间距L1为4.352 m；第二节跳板搁码头端部圆钢圆心与中间铰链中心间距L2为3.439 m；第二节跳板搁码头端部圆钢的半径R为0.052 m；第一节跳板端铰链中心与中间铰链中心连线与顶板所夹锐角σ1为1.922 3°；第二节跳板搁码头端部圆钢圆心与中间铰链中心连线与顶板所夹锐角σ2为1.671 4°；第一节跳板端铰链中心至背板的垂线长度g1为0.574 m；第一节跳板端铰链中心与中间铰链中心连线与背板所夹锐角σ3为1.952 9°；第一节跳板端铰链中心至背板外端点沿着背板的距离L3为4.804 m。

3.3 通行车辆性能参数

车辆性能参数根据预计的装载对象进行输入：A为最大爬坡角，取15°；B为接近角和离去角的较小值，取18°；C为纵向通过角(对于履带式车辆C=∞)，取10°；P为最大涉水深度，取0.2 m。

3.4 判断可作业的衡准

判断该车辆可通过舷侧跳板安全装卸的标准，根据2.2节归纳为式(1)～(5)联立的不等式组：

Δ≥Δs

(1)

τ≤P

(2)

max{[max(kd,-C,-18°)-φ],-A,-18°}≤

α≤ min(ku,k0,B)-φ

(3)

max(-A,λ-B,-18°) ≤β≤λ+β0

(4)

-B≤(α-β)≤min(C,18°)

(5)

式中：ku、kd分别为跳板通道满足车辆通行高度要求时k的代数最大值、最小值，ku和kd的取值需要通过做图得到，取ku= 8°、kd= -16°。

3.5 不等式组未知数简化

式(1)的Δ和式(2)的τ，以及潮位值Td均可转化为仅包含α和β两个未知数的代数式。

3.5.1Δ的转化

根据图5可知，当ρ>L3cos(α+σ1+σ3)时，Δ=∞；当ρ≤L3cos(α+σ1+σ3)时，Δ的取值又有两种情况：1) 当α≥ (λ-σ1-σ3)时，Δ=Δ1，即码头端点距离舷侧第一节跳板背板的垂线距离；2) 当α< (λ-σ1-σ3)时，Δ=Δ2，即舷侧第一节跳板背板前端点距离码头表面的垂线距离。

根据几何关系，可以得到：

Δ1=x4cos(α+σ1+σ3-λ)

(6)

Δ2=g3-L4sin(λ-α-σ1-σ3)

(7)

式(6)、(7)的等式右边均可转化为仅包含α和β两个未知数的代数式，此处略。

3.5.2τ的转化

根据几何关系，可以得到当λ> 0时，有：

τ=max(0,Lttanλ-D1cosλ)

(8)

式(8)右边可转化为仅包含α和β两个未知数的代数式，此处略。

3.5.3Td的转化

根据几何关系，可以得到：

Td=Hm2-D2

(9)

式(9)右边均可转化为仅包含α和β两个未知数的代数式，此处略。

3.6 数值迭代法求解

由于3.4节的不等式组包含5个不等式，且其中式(1)、(2)嵌套了大量三角函数，理论求解难以实现，故采用数值迭代方法求解。求解流程如图5所示。

取两节跳板工作角度的迭代增大的步长为0.1°，计算结果为：可作业最低潮位2.240 7 m，此时第一节跳板与水平夹角3.6°，第二节跳板与水平夹角-6.3°；可作业最高潮位3.307 4 m，此时第一节跳板与水平夹角-8°，第二节跳板与水平夹角-9.5°。

对计算结果采用做图法易验证其准确性。

图5 数值迭代法求解可作业潮位范围流程

4 结论

1)通过对滚装直跳板码头作业潮位影响因素分析发现，当滚装船确定时，码头作业潮位限制要求均可定量化为已知参数、可输入参数以及跳板工作角度的关系式，使得作业潮位预报具备理论基础。

2) 滚装直跳板码头可作业的判断衡准涉及较多不等式，嵌套了大量三角函数，理论求解可作业潮位范围难以实现，本文采用数值迭代方法求解，经实例验证具有较强的准确性和便捷性。

3) 基于通用化原则的分析，本文提出的潮位预报方法适用于各种形式的直跳板，固定平码头(包括前沿设置斜坡情况)和固定斜码头等普通码头，以及履带式、轮式等类型的车辆。