龚春发，肖娟

（中国港湾工程有限责任公司，北京100027）

基于英国标准的船舶撞击能计算研究

龚春发，肖娟

（中国港湾工程有限责任公司，北京100027）

海外港口工程通常要求采用英国标准进行设计，船舶撞击能是码头结构设计中的重要荷载之一，以印尼KARANG TARAJE码头工程为例，详细阐述了基于英国标准的船舶撞击能计算方法，英国标准考虑了水动力质量系数、船舶质量偏心、船体本身的吸能、水垫的缓冲作用以及非正常靠泊等因素，而中国标准仅考虑了有效撞击能系数。与中国标准相比，英国标准更偏于保守。

标准；质量偏心；船舶撞击能

0 引言

随着中国“走出去”、“一带一路”等战略的逐步落实，海外港口基建市场也越来越大，而中国水运工程行业规范在国外并未得到广泛认可。目前海外港口工程仍大部分要求采用英国规范进行设计，不同的规范标准直接影响项目的工程量和造价。因此，在进行海外港口工程设计时，有必要深入了解并掌握英标的设计方法。

船舶撞击荷载在港口工程中是主要荷载之一，尤其对高桩梁板码头桩基布置影响较大，目前英国规范中该荷载的计算方法通常采用BS 6349[1-3]系列规范的规定，以下简称BS 6349。

本文针对该问题，以印尼KARANG TARAJE码头工程为例，详细阐述了BS 6349中的船舶撞击能计算方法，并与现行的国内水运行业的计算标准JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》[4]进行对比，可供海外工程设计借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介及布置

印尼KARANG TARAJE码头为水泥厂专业配套码头，业主为印尼GAMA集团，位于印尼Bayah区。根据业主规划，一期需修建的建筑物包括：550 m防波堤、1个重件泊位，1个30 000 DWT的泊位，2个10 000 DWT的泊位及公用配

套设施；二期规划的主要建筑物包括：300 m加长防波堤及一个70 000 DWT码头泊位。

码头总平面布置如图1所示。码头结构设计要求采用英标。

图1 总平面布置Fig.1 Generallayout

1.2 设计水位

极端高水位：2.36 m。

设计高水位：1.85 m。

设计低水位：0.15 m。

1.3 设计船型

设计船型如表1。

表1 设计船型Table1 Design vessel

本文以70 000 DWT船型为例，详细阐述基于英标的船舶撞击能计算方法。

2 船舶撞击能计算

2.1 基于英国标准的有效撞击能计算

船舶靠岸时的有效撞击能量可按下式计算：

式中：E01为船舶靠岸时的有效撞击能量，kJ；M为船舶满载排水量，t；V为船舶靠岸的法向速度，m/s；Cm为水动力质量系数；Cs为考虑船体吸收能量的柔性系数；Cc为考虑水垫缓冲作用的泊位形状系数；Ce为考虑当船舶质量中心偏心时的系数；

1）水动力质量系数

水动力质量系数考虑船舶周围水体的运动，在计算船舶总能量时采用增加整个体系的质量，BS 6349推荐的计算公式为：

式中：D为船舶吃水，m；B为船宽，m。

利用此式，本工程70 000 DWT船型Cm值为1.867。

2）柔性系数

柔性系数考虑了船体吸收部分的碰撞能量，BS 6349建议采用以下数值：对柔性护舷以及小船，Cs取值通常为1.0；对硬性护舷，则为0.9～1.0之间。

对柔性护舷及硬性护舷的定义，在BS 6349规范中有相应建议：硬性护舷是指护舷在受船舶碰撞时的变形，设计值小于0.15 m；在受同样的碰撞情况下，柔性护舷的变位将大于0.15 m。

本工程拟选用鼓型护舷，变形通常大于0.15 m，因此，Cs取值为1.0。

3）偏心系数

当碰撞点并非正对船舶质量中心时，偏心系数Ce考虑了传递至护舷能量的减少，可以按照下式进行计算：

式中：K为船舶回转半径，m；R为从质量中心至接触点的距离，m；γ为接触点和质量中心的连线与船舶速度矢量的夹角。

靠泊示意图见图2。

图2 靠泊示意图Fig.2 Sketch of berthing

式（3）中船舶回转半径K可按下式计算：

式中：CB为方形系数，m；R为从质量中心至接触点的距离，m；γ为接触点和质量中心的连线与船舶速度矢量的夹角。

式（4）中方形系数可按下式计算：

式中：MD为船舶满水量；L为船长；B为型宽；D为船舶吃水；ρSW为海水密度，海水密度取值为1.025 t/m3。

若没有船型相关资料，BS 6349给出各种船型的方形系数如表2所示。

表2 方形系数Table2 Shape factor

式（3）中R可按下述方法计算：

若γ=90°，式（3）可简化为：

若γ=0°，则Ce=1，而这种特殊情况，也就是船舶丁靠的靠泊工况。

经计算，当x=L/4时，Ce=0.4～0.6；x=L/3时，Ce=0.6～0.8；x=L/2时，Ce=1。

根据上述计算公式，本工程70 000 DWT船型Ce值为0.591。

4）泊位形状系数

泊位形状系数考虑了船舶的一部分能量系由船体与岸壁之间的水垫的缓冲作用所吸收。泊位形状系数受以下因素影响：码头结构的类型、龙骨下富余深度、靠泊速度及角度、护舷类型以及船型。

通常，对于透空式高桩码头、船舶速度慢或者富余水深大的情形，船体及护舷间的水体更容易消散，难以形成水垫效应，因此BS 6349规范对形状系数的建议取值为：

透空式高桩码头，Cc=1.0；

实体岸壁码头，Cc=0.8～1.0。

本工程码头结构形式为透空式高桩梁板结构，因此Cc取值为1.0。

5）靠泊速度

BS 6349规范中建议在有足够统计数据的情况下，速度取值可采用统计数据，若没有统计数据，可采用曲线取值法：即Brolsma等1977推荐的取值曲线，如图3所示。

图3 取值曲线Fig.3 Value curve

该曲线对应了5种靠泊条件：

a有掩护，很好的靠泊条件；

b有掩护，稍好的靠泊条件；

c无掩护，容易的靠泊条件；

d无掩护，很好的靠泊条件；

e无掩护，困难的航行条件。

从该曲线图中可看出，d和e条件下速度取值过大，在计算时应谨慎采用。

本工程在投标阶段经与咨工商定，考虑靠泊时有防波堤的掩护，靠泊条件为b类型，取值为0.1 m/s。

6）非正常靠泊

BS 6349中要求设计护舷设施和支撑它的靠泊建筑物时，应确定两种等级的撞击能量，即正常撞击能量和非正常撞击能量。对于非正常撞击通常指发生意外的情形，BS 6349中列举了以下几种情况：

①船舶或拖船机器损坏。

②系船缆索或拖缆断裂。

③风或潮流突然变化。

④人为的过失。

为了对于上述几类难以估量的风险提供足够的安全储备，BS 6349建议，除非确已标明在类似的情况下，较低的撞击能量也能满足，否则，每个护舷的极限容量最大应按照正常撞击能量的2倍计算。

考虑到经济性，该系数可根据工程的重要性程度与业主进行讨论协商，主要应衡量以下几点因素：

①护舷损坏对泊位运营的影响。

②靠泊频率。通常对于业务繁忙的港口，高频率的靠泊作业出现非正常靠泊的概率更大，因此需考虑一个更高的安全系数。

③设计靠泊速度。如果1个泊位的设计靠泊速度低于0.1 m/s的要求，船员在实际操船时由于操纵水平的差异极易导致靠船速度大于设计要求，这同样属于非正常靠泊。

④靠泊船型的范围。当泊位靠泊船型范围较大，若主要使用船型为小船，大船偶尔停靠，非正常靠泊系数可取小值；相反，若主要使用船型为大船，小船偶尔停靠，非正常靠泊系数则取大值更合适。

值得注意的是，任何情形下非正常靠泊系数不应考虑的过大而导致使用的护舷反力过大，从而非常不利于小船靠泊。对于非正常靠泊系数具体取值，根据不同船型，更为详尽的建议值如表3所示。

表3 非正常靠泊系数Table3 Abnormalfactor ofberthing

本工程70 000 DWT散货船为最大船型，考虑将来运营期船舶靠泊较为频繁，非正常靠泊系数取为1.5。

2.2 中国规范的计算方法

中国标准的码头横向有效撞击能计算公式为：

式中：E0为船舶靠岸时的有效撞击能量，kJ；ρ为有效动能系数，取0.8；M为船舶质量，t，按设计船型满载排水量计算；V为船舶靠岸法向速度，取值为0.1 m/s。

其中，船舶法向靠船速度应根据风、浪和水流条件，靠泊的船舶及拖船情况等综合考虑确定，中国规范给出了海船靠泊速度的推荐值，如表4所示。

表4 中国标准海船靠泊速度Table4 Berthing velocity of Chinese standard

3 对比研究

3.1 公式对比

为直观反映基于两种标准的公式差异，对比分析如表5所示。根据表5中两种规范的计算公式，若假定靠泊速度取值相同，则有效撞击能E1/E2=CeCmCsCc/ρ。而根据本文2.1节所作介绍，柔性系数和泊位形状系数的影响最小，可以考虑Cs=1，Cc=1；对于偏心系数，若考虑其平均值Ce=0.75，ρ也取0.7～0.8的中间值0.75，此时E1/E2≈Cm，即在正常靠泊的工况下，中英标准船舶撞击能计算的差异大小主要取决于水动力质量系数的取值。同时，由于中国标准不考虑非正常靠泊，在此特殊情况下，中英标准的差别则接近Cm×Fs倍。

表5 BS 6349及中国标准的撞击能对比分析Table5 Contrast of impact energy between Chinese standard and BS 6349

3.2 靠泊速度取值

靠泊速度是影响船舶撞击能最为敏感的一个因素，应予以特别关注。从以上两种标准的速度建议值（图3和表4）可看出，在有利的靠泊条件下，中国标准取值范围为0.06～0.25 m/s，BS 6349取值范围为0.05～0.20 m/s，两者较为接近。而在不利的靠泊条件下，BS 6349中速度建议取值非常大，甚至超过0.7 m/s，与中国标准相比，差异较大。因此，在国外工程技术合同条款谈判时，应明确其取值，以免施工图审查阶段引发争议。

4 结语

1）基于英标的有效撞击能，英国标准考虑了水质量系数、船舶质量偏心、船体本身的吸能、水垫的缓冲作用以及非正常靠泊等因素，而中国标准仅考虑了有效动能系数，因此，英标的撞击能计算更为安全保守。

2）船舶靠岸时的有效撞击能，在正常靠泊时，中英标准计算方法结果比值主要取决于水动力质量系数，非正常靠泊时，其差别还取决于非正常靠泊系数。

3）在有利的靠泊条件下，中国标准取值范围为0.06～0.25 m/s，BS 6349取值范围为0.05～0.20 m/s，两者较为接近，而在不利的靠泊条件下，BS 6349中速度建议取值非常大，甚至超过0.7 m/s，与中国标准相比，差异较大。

4）由于非正常靠泊系数Fs及靠泊速度取值对撞击能计算结果影响最大，在进行国外工程技术合同谈判时，应该综合考虑靠泊安全及项目经济性，明确其取值，以避免施工图审查阶段引发争议。

[1]BS:6349-1:2000,Code ofpractice forgeneralcriteria[S].

[2]BS:6349-2:2010,Code ofpractice for the design ofquay walls,jetties and dolphins[S].

[3]BS:6349-4:1994,Design offendering and mooring systems[S].

[4]JTS 144-1—2010，港口工程荷载规范[S]. JTS 144-1—2010,Load code for harbourengineering[S].

Study against the ship impact energy calculation based on British Standard

GONG Chun-fa,XIAO Juan
（China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China）

British Standard is generally required in the design of overseas port engineering.The ship impact loading is one of the most important structural design loads.As a typical example of KARANG TARAJE terminal project in Indonesia,we described the impact energy calculation based on the British Standard.British Standard has considered several factors such as water added mass factor,eccentric mass ofvessel,energy absorption ofvessel body,water cushioning pad and abnormal impact. But the Chinese standard only has considered the coefficient of effective impact energy.The British Standard is much higher compared with the Chinese standard.

standard;eccentric mass;ship impact energy

U656.1

A

2095-7874（2015）12-0011-05

10.7640/zggwjs201512003

2015-06-18

2015-08-04

龚春发（1983—），男，江苏南通市人，工程师，主要从事海外港口工程市场开发、采购、施工及设计管理工作。E-mail：1442698079@qq.com