面向24000 TEU超大型集装箱船的岸桥参数

张连钢，李传浩，王延春，张 卫，张艳伟，张 震

（1.山东省港口集团有限公司技术中心，山东 青岛 266034；2.青岛港国际股份有限公司技术中心，山东 青岛 266500；3.青岛新前湾集装箱码头有限责任公司技术中心，山东 青岛 266500；4.武汉理工大学交通与物流工程学院，湖北 武汉 430063）

自20世纪至今，集装箱运输一直是进行国际贸易最主要的运输方式［1］。从开始几千个20 英尺标准（twenty-feet equivalent unit，TEU）集装箱船，到10 000TEU 集装箱船，再到目前的24 000 TEU 超大型集装箱船［2］。未来集装箱船运载量的增加，一直是船运公司及造船企业关注的热点问题［3］。例如：汉堡港和安特卫普港河道较长，即便受到吃水和潮汐限制，船舶依旧处于大型化趋势中［4］。Son 等［5］对船舶长度变量、吨位变量等进行K-means聚类分析，预测了大型船舶尺寸的发展趋势；Garrido 等［6］根据规模经济、港口基础设施等因素估算了船舶尺寸限制，得出30 000 TEU 集装箱船可能会出现在2030年。

随着集装箱船舶持续向大型化发展，岸边集装箱起重机（又称岸桥）亦呈现大型化发展趋势。Martin 等［7］研究了船舶大型化对于岸桥部署数量和岸桥工作周期的影响；Huang 等［8］提出了一种规划双40 英尺（1 英尺=0.304 8 m）岸桥的操作方法，优化了岸桥性能；Choi 等［9］研究了使用双40 英尺岸桥对集装箱码头操作系统的优化问题。

岸桥装卸工作过程中会受到码头潮汐影响［10］。潮汐限制是指在低潮时会降低岸桥的工作效率［11］。张泽国等［12］提出了一种自适应变异的粒子群优化算法SAPSO，与BP 神经网络结合，实时预报潮汐水位。

综上，目前尚缺乏结合船舶与港口潮汐等数据对岸桥选型进行系统分析研究。本文结合超大型集装箱船舶及现有港口岸桥数据，用双立方插值法拟合青岛港潮汐数据，研究24 000 TEU 超大型集装箱船的岸桥主要参数（岸桥轨上起升高度、前伸距、起重量、作业效率）。对船舶发展趋势进行分析得出，集装箱船舶尺寸在较短时间内不会继续增大，同时为超大型集装箱码头岸桥配置提供了决策依据和方法。

1 岸桥轨上起升高度研究

1.1 24 000 TEU集装箱船舶相关数据

岸桥轨上起升高度越大，适应能力越强，但同时意味着岸桥稳定性及作业效率降低。图1为岸桥轨上起升高度计算示意图。图中：Hn为船舶舱口围板高度；Hcv为船舶舱盖板高度；Hc为船舶甲板上集装箱总高度；DS为船舶型深；Dm为船舶吃水深度；WF为码头前沿岸壁高程；WH为码头前沿水域潮高值。

图1 轨上起升高度计算Fig.1 Schematic diagram for calculation of lifting height on rail

由于超大型船舶有着较好的稳定性，在实际计算过程中可不予考虑，则岸桥轨上起升高度Hu为

式中：S为船舶甲板至码头海侧轨面高度；Hj为集装箱超高箱高度；C为甲板上集装箱层数量；Hα为船舶横倾到允许值[α]时，最外侧箱子的升高量。

从船运公司统计得到24 000 TEU 超大型集装箱船舶数据：船舶型深33.200 m、船舶轻载吃水15.000 m、舱口围板高度2.500 m、舱盖板高度0.800 m、超高箱高度2.896 m。青岛自动化码头前沿岸壁高程5.800 m。

1.2 岸桥轨上高度敏感性分析

24 000 TEU集装箱船甲板上堆高10层超高箱。综合考虑准确性和计算量，对青岛港2021年6月1—16日30个潮汐周期（共计371 h）数据进行拟合，发现使用遗传算法及粒子群算法等算法拟合时无法得到确切的函数关系。相对而言，双立方插值法可以通过拟合模型得到具体时间的潮高值，此潮高值虽不能代表具体时间潮高准确性，但由于1 h内潮高差值较小，拟合结果仍具备一定准确性。考虑到国内大型集装箱码头岸桥实际参数，分别对岸桥轨上起升高度50、51、52 及53 m 4 种情况作敏感性分析，依据式（1）、式（2）和式（3）及船舶数据，计算得到不同轨上起升高度时的临界潮高值，见表1。

表1 岸桥起升高度与临界潮高关系Tab.1 The relationship between the lifting height of the quay crane and the critical tide height

图2为岸桥轨上起升高度50、51、52 及53 m 时的临界潮高示意图。

图2 不同起升高度临界潮高Fig.2 Schematic diagram of critical tide height at different lifting heights

当实时潮高位于潮高分界线以上，岸桥无法进行装卸作业；位于潮高分界线以下，岸桥可以进行装卸作业。以岸桥轨上起升高度50 m 为例，通过对拟合模型进行数据分析，约有62.75 h 的潮高处于临界分界线值以下，即有16.91%的时间岸桥可进行装卸作业，有83.09%的时间岸桥无法进行装卸作业。该数据与青岛港业务部门给出的实际统计数据基本吻合，证明了以上计算过程具有准确性。同理得到岸桥轨上起升高度51、52、53 m 时，岸桥的可作业时间分别占比46.65%、78.96%、100%。各港口可依据潮汐情况计算不同轨上起升高度下岸桥的作业敏感性，通过分析靠泊船舶中超大型集装箱船比例选择合适的岸桥，有效避免岸桥选型和定制决策的盲目性。

2 岸桥前伸距选择

目前运营的24 000 TEU 超大型集装箱船，甲板上堆码集装箱可达到24 列，分船舶是否倾斜进行前伸距计算。不考虑船舶倾斜的前伸距离的计算见式（4），考虑船舶倾斜的前伸距计算见式（5）：

式中：DB为码头前沿海侧轨道与岸壁之间的距离；D1为不同列数集装箱在船舶上的总宽度；DT为集装箱宽度；H为船舶的最大高度；γ为船舶倾斜的角度。

以青岛港自动化集装箱码头为例，海测轨道至岸壁距离为4 m，码头护舷为2.5 m，同时考虑集装箱宽度2.438 m、停靠船舶最大高度65～70 m、24 列集装箱船舶宽度（包含集装箱之间的间隙）61.15 m、25列集装箱船舶宽度（包含集装箱之间的间隙）63.69 m，将以上数据代入式（4）及式（5）。

（1）不考虑船舶倾斜。将表3中的数据代入到式（4），计算得到前伸距HQ为66.231 m。

（2）考虑船舶向外侧倾斜。在港口天气或水文条件变化情况下，3°一般为外倾极限角度。当船舶外倾角度为3°时，岸桥应具备69.899 m 的前伸能力。各港口可根据自身实际情况，配置不同前伸距离的岸桥。

3 岸桥起重量的选择

根据国内自动化码头有关集装箱重量的数据统计，超重量大于35 t 的40 尺箱所占比例仅为0.04%，双吊具下70 t 的起重量完全能满足作业需求。考虑到经济性，若增加设备起重量，需要相应增加设备局部钢结构强度、电机功率、钢丝绳强度及轮压等，致使设备制造和后期运营成本增加。综合多种因素影响，给出面向24 000 TEU 超大型集装箱船舶的岸桥起重量参考值，主起升单吊具下额定起重量70 t；主起升（剪式上架）双吊具下额定起重量70 t；主起升吊钩梁下额定起重量95 t；门架小车吊具下额定起重量90 t。

4 岸桥效率计算

基于青岛港岸桥运行实际参数，对岸桥作业工况进行模拟仿真，设定岸桥轨距35 m、中转平台距地高度10 m、中转平台至船边距离35 m、主小车速度240 m·min-1、门架小车速度120 m·min-1、主起升满载匀速度90 m·min-1、主起升空载载匀速度180 m·min-1、门架起升满载匀速度65 m·min-1、门架起升满载匀速度65 m·min-1、主小车加速度/减速度0.8 m·s-2、门架小车加速度/减速度0.4 m·s-2、主起升加速度/减速度0.8 m·s-2、门架起升加速度/减速度0.4 m·s-2，得到自动化双小车岸桥及单小车岸桥作业效率。

24 000 TEU 超大型集装箱船甲板存放10 层、24列集装箱，模拟得到岸桥单卸甲板上一排每个位置集装箱所用的时间变化，如图3所示。

图3 甲板上集装箱装卸时间Fig.3 Loading and unloading time of containers on deck

24 000 TEU 超大型集装箱船舱内共存放12层、22 列集装箱，同理可得岸桥单卸船舱内一排每个位置集装箱所用的时间变化。岸桥装卸一排甲板上及舱内的集装箱，共计需504 次工作循环，模拟所用总时间为52 509.45 s，即平均一次循环所用时间为104.19 s，从而得到桥吊生产率为34.55次循环/h，同时考虑自然箱数量/循环次数=1.22（1.22 为港口统计数据源），得到双小车岸桥的理论作业效率为42.16 自然箱/h。同理可模拟得到504 次循环次数下单小车岸桥的生产率为32.33 次循环/h，理论作业效率为39.45自然箱/h。

根据以上分析可以看出，双小车岸桥的理论作业效率较单小车的理论效率高6.4%。在港口实际运营过程中，双小车更容易达到理论装卸效率；单小车岸桥受缓冲能力弱、与AGV 交互行程远等因素的影响，难以达到理论装卸效率。双小车岸桥的实际作业效率与单小车岸桥的实际作业效率的比值一般高于1.28，对于集装箱吞吐量较大的港口，可优先配置具有较高理论装卸效率的双小车岸桥。

5 船舶尺寸发展趋势分析

从港口现状考虑，根据表2中的数据，国内大型的自动化集装箱码头岸桥轨上起升高度均未超过50 m，更新设备将增加港口成本；从经济层面考虑，甲板高度增加造成船舶操作难度提升，例如“长赐”轮搁浅阻塞苏伊士运河时间带来得经济损失不可估量；从技术层面考虑，对于船舶尺寸升级时，长度升级难度最大，过长的船体在行驶过程中产生的波峰会使船体受力巨大，目前技术条件下450 m已经达到极限。综合港口现状、经济层面、技术层面3个因素可以得出结论，船舶尺寸进一步扩大的趋势较为保守。

表2 国内主要自动化码头岸桥参数Tab.2 Parameters of quay crane of main domestic automatic terminals

6 结语

本文基于青岛港潮汐数据，依据青岛港自动化码头及24 000 TEU 集装箱船数据，使用双立方插值法对潮汐进行拟合，分别计算了岸桥轨上起升高度为50、51、52 及53 m 时的敏感性；结合集装箱数据及大型集装箱船舶的装载列数量，计算了岸桥前伸距；根据港口集装箱装卸工况及现有机械设备参数，给出了岸桥的起重量参数；对装卸工况进行了理论分析，计算得到单小车及双小车理论装卸效率。综合港口现状、经济因素、技术因素给出了未来船舶发展趋势，为大型集装箱码头岸桥定制提供了决策依据。