国外海上登乘廊桥结构设计规范比对分析

杜杰 刘碧燕 钱正宏 许靖 孙耀刚

摘 要：海上登乘廊桥可对船舶艏摇、横摇、纵摇、升沉等运动进行补偿，保障人员安全，提高登乘效率。本文通过对挪威德国劳氏船级社（DNVGL）、美国船级社（ABS）、法国船级社（BV）关于登乘廊桥结构设计规范比对，研究各国规范对登乘廊桥分类、结构材料、设计载荷、典型工况及载荷组合、结构强度评估的具体要求，分析不同规范的异同，为我国海上登乘廊桥的设计开发提供参考和借鉴。

关键词：登乘廊桥，结构设计，规范

DOI编码：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

全球经济社会快速发展，能源需求持续攀升，煤、石油等传统化石能源长期大量使用导致环境恶化且不可持续，发展清洁低碳可再生能源是未来必然趋势。风能资源丰富、分布广泛，开发技术相对成熟，是当前众多可再生能源中被广泛利用的能源[1，2]。经过多年开发，陆上可开发风电资源日趋减少，相较于陆上，海上风电具有风速高且持续稳定、不占用陆地资源、适宜大规模开发等特点，近年来发展势头迅猛，其中中国和欧洲的海上风电开发居于世界前列[3-5]。

受海洋气象、环境等条件制约，海上风电场的运维较之陆上难度更大、风险更高[6]。随着海上风电规模化开发，并不断投入运营，海上风电场的运维作业任务日益繁重。国内外海上风电场运维通达主要采用运维船，船体在风、浪、流等环境因素作用下会发生升沉、纵摇、横摇等多自由度运动，运维人员和物资在船舶与风机之间的安全、快速转移是海上风电运维迫切需要解决的问题[7]。为运维船配置专业辅助装备是有效的解决途径，因此，研发海上登乘廊桥对于服务保障海上风电可持续健康发展具有十分重要的意义。

目前，国内对海上风电运维登乘廊桥的研究尚处于探索阶段。欧美在相关装备的研发方面起步较早，已经开发了多型登乘廊桥产品，并在海上风电场运维中发挥积极作用[8-10]。为了保障登乘廊桥产品的安全、可靠，近年来挪威德国劳氏船级社（DNVGL）、美国船级社（ABS）、法国船级社（BV）陆续发布了登乘廊桥标准规范用于指导产品的设计开发[11-13]。本文对挪威、美国、法国等船级社规范内容进行对比研究，为我国登乘廊桥研发设计提供参考。

2 海上登乘廊桥结构设计规范比对分析

正是因為登乘廊桥对于保障人员、货物的安全、快速转移非常重要，各先进国家高度重视登乘廊桥的研发及其标准化，相关的船级社也发布了规范或指南。在2016年5月，法国船级社发布629-NI《海上通道系统认证》[11]，对海上通道系统的适用范围、安全原则、设计要求、结构评价、机械、电气设备和控制系统、检测和试验等进行了规定。2016年8月，美国船级社发布《海上登乘廊桥认证指南》[12]，对海上登乘廊桥的适用范围和认证条件、结构要求、机械和系统、试验和检测、风险评估等进行了规定。2017年9月，挪威德国劳氏船级社发布DNVGL-ST-0358《海上登乘廊桥》[13]，对登乘廊桥的适用范围、认证和检验、材料和制造、结构设计和强度、功能要求、安全和安全设备、试验和标志等进行了规定。

2.1 分类

为便于规定对应要求和方便用户选用， DNVGL、ABS、BV的规范中首先对海上登乘廊桥进行了分类。三家船级社规范中均从运动补偿方式、换乘是否限制两个方面对登乘廊桥进行分类划分。在运动补偿方式方面，DNVGL、BV将登乘廊桥归为被动系统、主动系统两类，ABS则将其分为被动补偿系统、主动补偿系统、全主动补偿系统三类，但DNVGL、BV的主动系统包含1～6自由度的补偿，所以本质上三家船级社在运动补偿方式方面的划分是一致的。在换乘限制方面，DNVGL、ABS将登乘廊桥划分为人员流动不限和限制两类，BV则认为登乘廊桥上换乘人员需要限制。通过比较可以看出，DNVGL、ABS对登乘廊桥的分类划分描述比较细致，其中，DNVGL不仅对换乘限制类型进行更详细划分，还明确了适用条件。

2.2 结构材料

经过对比分析，DNVGL、ABS、BV规范中均认可钢材、铝合金作为登乘廊桥的结构材料。其中，DNVGL将DNVGL-OS-B101《金属材料》[14]、DNVGL-OS-C101《海上钢结构设计（LRFD法）》[15]对材料的要求应用于登乘廊桥，同时接受与之要求相当的规范；ABS将《起重设备认证指南》[16]、公认的国际认证标准EN1090《钢结构和铝结构施工》[17]等应用于登乘廊桥钢、铝合金结构设计；BV将NR445《海上装置分级规范》[18]、NR561《鋁合金船体设计原理、建造及测量规范》[19]分别应用于指导登乘廊桥钢、铝合金结构设计。DNVGL、ABS除应用已有规范外，还给出了针对性要求，BV则不然。相比较而言，钢材在海洋工程领域应用比铝合金更为普遍，在各国船级社规范中也有较为详细的规定，其中，DNVGL更是用了大量篇幅对钢质构件进行分类阐述，要求更为明确具体。

2.3 设计载荷

DNVGL规范中将海上登乘廊桥的载荷类型分为主要载荷、操作运动引起的垂向载荷、操作运动引起的水平载荷、气象引起的载荷、船体运动引起的载荷、特殊载荷。ABS规范中将海上登乘廊桥的载荷类型分为恒载荷、活载荷、运动引起的载荷、功能载荷、风载荷、冰雪载荷、砰击载荷、意外载荷、其他载荷。BV规范中将海上登乘廊桥的载荷类型分为恒载荷、动态载荷、操作载荷、环境载荷、意外载荷。

经过对比分析，DNVGL、ABS、BV规范中对海上登乘廊桥设计载荷的分类方法不同：DNVGL规范从重要程度、起因等方面将设计载荷归为六类，ABS规范从性质、起因等方面将设计载荷分为九类，BV规范从性质、特征等方面将设计载荷分为五类。各规范中设计载荷主要区别如下：

活载荷：对于常规廊桥，ABS规范整体设计时取4.51kN/m2，局部设计时取5kN/m2；BV规范取4.0kN/m2，DNVGL规范无论何种廊桥均取400kg/ m2（<4.0kN/m2），ABS规范中活载荷设计取值偏于安全。

风荷载：廊桥正常作业时，DNVGL、BV规范中均取20m/s，ABS对受限廊桥设计取值20m/s，对非受限廊桥设计风速不低于25.7m/s；迁移时，DNVGL、ABS、BV规范中分别取44m/s、36m/s、51.5m/s，BV规范中风载荷设计取值偏于安全。

上浪载荷：DNVGL、ABS规范中考虑到设备在迁移或严重风暴条件下可能遭受上浪（砰击）载荷，而BV规范中则未提及。

船舶运动载荷：BV规范中将其归为环境载荷，而DNVGL、ABS规范中则将其归为运动引起的载荷，DNVGL、ABS规范中的划分更易理解。

此外，与DNVGL、BV规范不同，ABS规范专门划分了一类其他载荷，用于考虑迁移和极端风暴条件下登乘廊桥受到的系留载荷。

总体来看，虽然划分的视角不同，但DNVGL、ABS、BV规范中均将自重、活载荷、设备及船舶运动载荷、环境载荷、意外载荷等考虑在设计载荷范围内，ABS规范中考虑的载荷最为全面。DNVGL、ABS规范两者对登乘廊桥设计载荷划分较为接近，阐述内容也更为详细。

2.4 典型工况及载荷组合

DNVGL规范中将海上登乘廊桥的典型工况及载荷组合分为正常工作工况、升举工况、紧急脱离工况、存放/迁移/生存工况、测试工况。ABS规范中将海上登乘廊桥的典型工况及载荷组合分为操作工况、迁移工况、严重风暴工况、意外工况。BV规范中将海上登乘廊桥的典型工况及载荷组合分为工况Ⅰ（正常操作无环境载荷）、工况Ⅱ（正常操作有环境载荷）、工况Ⅲ（特殊工况）、工况Ⅳ（测试工况）、工况Ⅴ（意外工况）。

经过对比分析，DNVGL、BV规范中将登乘廊桥典型工况分为五类，ABS规范中将登乘廊桥典型工况归为四类。DNVGL规范中的工作工况仅指人员换乘作业工况，ABS、BV规范中定义的操作工况同时包含人员换乘、廊桥展开/回收操作工况；ABS、BV规范中的意外、特殊工况，对应DNVGL规范中的紧急脱离和升举工况，但DNVGL规范中没有考虑碰撞情况，BV规范中意外工况仅考虑碰撞载荷；DNVGL、BV规范中将测试工况作为典型工况，ABS规范则不然。与DNVGL、BV规范不同，ABS规范中将严重风暴工况作为独立典型工况考虑，并考虑了砰击载荷工况。虽然DNVGL、ABS、BV规范中均给出了典型工况及载荷组合列表，但DNVGL、ABS规范给出的列表内容较为详细，并附加了具体说明内容，而BV规范的内容偏于简单。

2.5 结构强度评估

DNVGL规范要求对廊桥结构的屈服、屈曲、疲劳强度进行评估，评估可采用许用工作应力法（WSD）和载荷抗力系数法（LRFD）。当弹性分析不适于验证安全性时，可以使用塑性分析方法。ABS规范要求采用适当的线弹性方法对廊桥的所有结构件进行强度评估，评估分为最终极限状态和意外极限状态评估、疲劳极限状态评估、使用极限状态评估。BV规范要求对登乘廊桥结构的屈服、屈曲、疲劳强度进行评估。

通过对上述登乘廊桥结构强度评估相关规范内容对比可知，DNVGL、ABS、BV规范均要求对结构进行屈服、屈曲和疲劳强度进行评估，各方面的区别主要如下：

对于结构屈服检验，DNVGL、ABS、BV规范均认可采用许用工作应力法进行检验。其中，DNVGL规范认为当弹性分析不适用时可采用塑性分析法。DNVGL规范将构件检验接受标准分为三种情况，弹性时安全系数分别为1.5、1.33、1.1，分别对应ABS、BV规范中许用应力系数0.67、0.75、0.90，即三者对结构屈服检验要求一致。DNVGL规范规定，当σy超过材料强度σu的0.8倍时，取σy=0.8σu；ABS规范规定，σy不超过355MPa时，σy≤0.72σu，意外工况下材料的许用应力可以提高33%。

对于屈曲检验，DNVGL规范规定可采用规范给定的方法，也可以使用国际公认的方法，并给出了弹性屈曲和弹塑性屈曲检验安全系数；ABS规范规定使用《海洋结构物屈曲和极限强度评估指南》[20]，针对不同工况给出了参考案例，并规定组合工况、严重风暴工况下许用应力可增加10%，意外工况下许用应力可增至结构特征强度的80%；BV规范规定，结构屈曲检验参照NR526《船舶和海上装置用起重设备分级规范》[21]执行。可见，DNVGL规范可接受的屈曲检验衡准范围更广。

对于疲劳检验，DNVGL、ABS、BV规范均认可采用国际公认的方法，同时，DNVGL规范要求结构疲劳计算要考虑不同工况下的综合疲劳损伤，且安全系数不小于2；ABS规范建议对主要构件细节疲劳进行评估，采用线性累积损伤理论计算疲劳损伤，并根据构件重要程度、可否检修分别给出疲劳设计安全系数，最小安全系数2，最大安全系数10；BV规范要求结构的疲劳累积损伤度不超过0.5。可见，三者对登乘廊桥结构疲劳的最低要求一致，其中，ABS规范对不同构件给出了更为具体的要求。

此外，ABS规范对登乘廊桥的使用极限状态提出了检验要求，避免使用过程中结构整体发生过大变形，影响设备正常功能。

3 海上登乘廊桥结构设计规范比对结论

通过本文第2章对比可以看出，DNVGL、ABS、BV规范对登乘廊桥结构设计相关要求大体上相似，但在具体规定上存在一定差异。从内容上看，DNVGL规范内容较为详细，ABS规范内容次之，BV规范内容较为简略。主要结论如下：

（1）DNVGL、ABS、BV规范均从运动补偿方式、换乘是否限制两个方面对登乘廊桥进行分类划分，方法一致。DNVGL、ABS规范根据登乘廊桥类型确定换乘人员是否需要限制，BV规范则认为所有登乘廊桥均需对换乘人员进行限制；

（2）DNVGL、ABS、BV规范赞同钢材、铝合金作为登乘廊桥结构材料。DNVGL、BV规范将海洋工程规范用于指导材料选择。同时，DNVGL规范认可与其规范相当的国际公认规范，ABS规范应用《起重设备认证指南》[16]、国际认证标准EN1090《钢结构和铝结构施工》[17]；

（3）DNVGL、ABS、BV规范从不同角度对登乘廊桥设计载荷进行划分，具体载荷内容基本相同，其中，DNVGL、ABS规范对设计载荷的划分较为接近，内容较为详细。ABS规范考虑载荷最为全面，要求相对偏于安全；

（4）DNVGL、ABS、BV规范规定的登乘廊桥的典型工况所包含的载荷组合内容相近，其中，DNVGL、BV规范将测试工况作为典型工况，ABS规范将严重风暴工况作为典型工况，并考虑了砰击载荷工况。DNVGL、ABS规范给出了详细的典型工况及载荷组合列表，并附加了具体说明，便于应用；

（5）DNVGL、ABS、BV规范均要求对登乘廊桥结构屈服、屈曲及疲劳强度进行检验，三者对屈服检验接受标准一致。DNVGL规范允许使用塑性分析法；对于屈曲检验，还允许使用国际公认的标准规范；对于疲劳检验，三者对登乘廊桥结构的最低要求相同，ABS规范给出了不同构件疲劳设计安全系数。

4 对我国制定海上登乘廊桥标准规范的建议

随着我国对海洋资源大规模的开发，对于用于保障人员和物资在船舶与港口、海洋结构物等之间安全、快速转移的海上登乘廊桥的需求日益迫切。国外先进国家对于海上登乘廊桥的研发和应用实践较早，并形成了较为成熟的标准规范系列，我国对于海上登乘廊桥研发和应用较晚，还尚未制定对应的标准规范，应及时填补该领域空白。

通过研究挪威、美国、法国等船舶和海洋装备及其相关标准先进国家的规范，可以为我国海上登乘廊桥规范的制定提供良好的参考和借鉴。在我国后续的对应标准规范布局中，建议也按运动补偿方式、换乘是否限制进行分类，结构材料重点选用GB/T 712-2011《船舶及海洋工程用结构钢》[22]等，设计载荷可以分为恒载荷、活载荷、运动引起的载荷、功能载荷、风载荷、冰雪载荷、砰击载荷、意外载荷、其他载荷，典型工况及载荷组合分为正常工作工况、升举工况、紧急脱离工况、存放/迁移/生存工况、测试工况，结构强度评估时采用国际公认的许用工作应力法（WSD）和载荷抗力系数法（LRFD）评估廊桥结构的屈服、屈曲、疲劳强度。

海上登乘廊桥标准规范制定之后应尽快推广实施，使之成为规范我国海上登乘廊桥产品标准化设计生产的基本依据，成为相关机构开展产品检验的主要衡准，成为推动产品国际化的重要抓手。以该产品标准规范为桥梁和纽带，可以迅速推动海上登乘廊桥关键技术的突破和实际装备的产业化制造，补齐我国船舶产业链短板弱项，使我国从造船大国迈向造船强国的步伐更加坚实有力。

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[22]国家标准化管理委员会.船舶及海洋工程用结构钢：GB/T 712-2011[S].2011

作者简介

杜杰，硕士，高级工程师，研究方向为电气工程及海上风电开发、建设、运营。

刘碧燕，硕士，高级工程师，研究方向为应用化学，海上风电工程及生产安全科技。

钱正宏，本科，高级工程师，研究方向为金属焊接，海上风电工程及生产安全科技。

许靖，博士，高級工程师，研究方向为船舶与海洋工程装备设计开发。

孙耀刚，硕士，高级工程师，研究方向为船舶及海洋工程标准化。

（责任编辑：赵子军）