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碼頭橡膠護舷設備的規劃設計與施工
- 2019-12-31-

安裝碼頭橡膠護舷係統的目的是為了防止船舶在靠泊或係泊過程中,碼頭與船舶相互衝撞損壞。因當船舶向碼頭靠泊時,具有相當大的動能,撞上碼頭後,這個功能必然要釋放。對於小船,其衝撞動能較低,作用過程也較短,所以釋放的能量也很低,對於較大的船舶,則需要碼頭設計人員重視這個係泊撞擊力,並提供一個能夠吸收足夠能量的橡膠護舷係統,以防碼頭及船舶受損。


  對於小型碼頭,木護舷應用廣泛;當然,某些大型碼頭也使用:木護舷係統是因木質纖維受壓變曲,甚至局部壓碎而吸收能量的,但它的能量吸收能力很低。當高能衝力出現時,木護舷由於吸收很大的附加能量通常會被撞壞、因而,木護舷係統常常設計成便於更換的單獨構件。增加木護舷吸能量很早、很普遍的方法是在傳統的木護舷與碼頭結構之間,裝備一係列擠壓變型的橡膠構件.實際上,目前這種護舷係統已廣為應用,但它的能量吸收能力仍然不夠大。


  起初所研究的大吸能量橡膠護舷係統導致了重力式護舷係統的發展。這些橡膠護舷係統的理論依據是能量轉換定律,即通過加大護舷重量將船舶的動能轉換為勢能。然而,重力式護舷耗資多用量大,支撐係統結構的維修工作量也大。二、三十年前,護舷設施流行使用鋼質彈簧作為吸收能量的構件,當時之所以能引起人們的興趣,是由於其吸收能量高、且不需要高價結構來支攆其重量。存在的主要問題是構件易於鏽蝕。隨著橡膠護舷構件的不斷發展,鋼彈簧也漸漸被取代而改為它用了。


  開始的橡膠護舷是具有高吸能量的雷金式消能墊,它的工作原理是通過鋼墊上的橡膠構件受剪壓而吸收能量。盡管六十年代有相當一部分地區安裝了雷金式消能墊,但到七十年代就有大部分被另一種廉價、單位吸能量高又無需頻繁維修的橡膠護舷所取代。

一、護舷類型

  目前市場上的橡膠護舷構件有多種類型,每種類型都有不同的特征和一定的優缺點。護舷設備中廣泛應用的型式通常有以下幾類:

    1.壓曲型;

    2.充氣型;

    3、泡沫型;

    4、側向受荷圓柱型(鼓型);

    5.對接V型{即X型):

    6、柔性樁型。

  圖l表明了以上各種類型的反力一一變型特征。在圖中,各類護舷在同一個設計反力下都有一個對應的吸能量。也就是說,若反力一變形曲線下的麵積相等,則其吸能量相同。由圖中可看出,壓曲型橡膠護舷對於給定的反力.其吸收能量的變形比其它各類均小得多,盡管它還有某些缺點,但這種小變形特性仍使其得到相當廣範的使用。設計船型噸級以內的大部分船舶茌係泊期間都會出現反力,許多壓曲型橡膠護舷對船體會造成相當大的壓力,因而,常常要用一塊板把壓力分散減小。當承受與護舷麵不垂直的外力時、這種護舷吸收衝擊能的能力還將大大減小。

  充氣型和泡沫型橡膠護舷,有相同的反力--變形曲線。由圖中可見,它們顯然比壓曲型護舷變形大,因此,需要裝配設備的外伸距也較大。在這種類型中,大型的圓形懸掛式護舷構件,對於船體接觸壓力較小,因此,在船體與護舷間就不需要加貼麵板了。而對於小型的直接安裝在碼頭結構上的護舷設備則必須加貼麵板。至於充氣型或泡沫型橡膠護舷在使用期間、其反力達到或接近設計反力的情況極少出現或不出現。

對於能量吸收要求不太高的地方,普遍應用大型的側向受荷圓柱型(鼓型)橡膠護舷,盡管其對船舶接觸壓力相當大且安裝緊固比較困難,但是,相對低廉的價格使其仍有一定的競爭力。V型橡膠護舷在與上述相同條件的地方也很有市場、有一些V型護舷上被裝上一個單向貼麵板,使其吸收能量的麵積更大些。


  柔性樁型護舷一般用於土壤條件適合的地方,因為它把護舷的功能與靠船構件結合起來。樁的吸能量取決於其長度,因而,這類防撞係統特別適合在深水中應用。

二、設計步驟

  迄今為止,還沒有一個統一的海港(船舶)防護係統設計規範。1978年、國際航運聯合常務委員會(PLANC)成立了一個改進護舷係統設計的國際委員會,目的是製造一份指導橡膠護舷設施設計的文件:委員們提供了各種各樣有關護舷設計的重要問題、大量不同的觀點載人文獻並在1984年公開發表。它作為全麵有權威的護舷設施設計指導文獻、推薦給與護舷設施設計有關的各個方麵。

在PIANC學術報告中,敘述了關於橡膠護舷係統吸能量計算的三種基本方法。即,數理統計方法;數學模型法;動力學方法。其中,應用時間長,範圍廣的是動力學法。它的理論基礎是動能方程,即物體運動產生的動能{這裏指係泊動能)等於物體質量與其運動速度平方乘積的一半(E=1/2mi)。但是,船舶運動的全部動能並不能全部被護舷係統吸收.通常,猫咪成人版計算吸能量時,把船舶的總動能乘以一個係數fo這個係數由四部分組成、即:離心因數C。:附加質量因數Cm:柔度因數C。和碼頭岸壁形狀因數cc:f=C。×Cm×Cs×Ce


  離心因數決定於船舶擠靠力作用點相對於船舶重心的位置。大約20年前提出的計算Ce的方法很簡單,即Ce等於船舶慣性半徑的平方除以慣性半徑的平方與船舶重心到衝撞作用點距離的和,當然

,還可更精確地計算,但一般無此必要。對於典型的連續護舷係統,Ce取0.5~0.6:對於單個的靠船墩,Ce取0.7~0.8。


  當船舶撞擊橡膠護舷時,不僅船體本身被減速,與船舶一起運動的一部分水體也被減速了,因此,要考慮附加質量因數Cm,通過大量的模型試驗和實體實驗、歸納測定出的Cm值,在典型情況下,設計者可取1.2~2.0。對於Cm的求法,PIANC學術報告中計論了九種不同的計算公式,附加質量因數是一個與水深、龍骨下富裕水深、到障礙物或牆體的距離、浸沒在水下的船體型狀、靠泊速度、水流、船舶減速運動及船殼淨度等有關的函數,因此,沒有統一的數值和計算公式並不奇怪。龍骨下富裕深度大的,或者說水深與船舶吃水比值達1.5倍的,Cm可取1.5,對於水深僅為船舶吃水深度1.1倍的.Cm可取1.8.

柔度因數C8係考慮船舶與護舷剛度之間的關係,通常對“柔性”的護舷,C8取1.0“剛性”的護舷取0.9。然而,對於大型新式的護舷,由於它們的撓度較大,簡單計算表明,此係數精確值接近1.O.故推薦C8常取1.O。


  關於碼頭形狀係統C8,係考慮船舶和碼頭岸壁之間擠壓水的緩衝作用,當船舶相對於碼頭實體岸壁平行停靠時,Ce值取0.8左右.對於透空型結構或隻能使船與碼頭岸線成5度以上角度的情況,Ce應取l.0。


  由於動能與船舶係靠速度的平方成正比,所以,靠船速度的選擇是設計的關鍵。然而,因為它涉及到的因素太多,所以,對此值的選擇沒有硬性規定;為此,人們不得不由熟悉現場條件的,有經驗的工程師們選定這一數值。作為一般參考,下麵給出一些常用值:

  在很好的條件下      10厘米/秒

  一般情況下          15厘米/秒

  在很不利的條件下    25厘米/秒

  在選擇設計靠泊速度時,一定要進行穩妥的判斷,這一點無論怎樣強調也不過份。過低地估價這一點,往往會使人們的生命財產受到損害。

  作為一項準則,較大船舶靠泊時的速度要低於較小的船舶。由於一些泊位係為一定噸級範圍的船舶靠泊,也可能出現較小船舶的靠泊能與較大船舶的靠泊能相當的情況。


三、護舷的選擇

  現在,已經確定出了計算所需吸能量的方法,設計者必須根據算得的所需吸能量的大小,選擇一種能夠滿足此吸能量的護舷設施。選定特定條件下的護舷設備需考慮眾多因素,通常也有各種可供選用的護舷,這些設備一般能滿足吸能量的需要,但設計者必須根據其它各種因素進行比較,選定橡膠護舷。須考慮的主要因素列舉如下:

    1、作用於船體和碼頭靠船構件的反力;

    2、護舷吸收船舶動能後其變形的大小:

    3、護舷變形產生作用於船體的反力:

    4、護舷的相對剛度:

    5、非正向擠靠時護舷吸能的有效性:

    6.橡膠護舷設備使船舶靠泊速度減速的速率;

    7、船舶停泊期間,環境條件的變化:

    8、護舷係統與船體間的摩擦係數:

    9、導致橡膠護舷或支撐護舷構件撞環的因素;

    10、護舷係統和支撐構件的基建投資及其維護費用;

    11、靠泊碼頭的設計船舶的噸級範圍;

    12、船體與護舷的接觸方式:

    13、水位變化範圍;

    14、與波浪作用力間的夾角。

  橡膠護舷係統的設計人員,主要任務是對每種因素進行評價以適應特定情況,選擇方案。護舷係統通常是指投資低,使用壽命長,同時還應考慮到基建投資和年維修耗資(包括護舷、靠船構件及船舶的維修費)。

  這裏要強調指出,安裝橡膠護舷係統的具體情況變化很大,沒有一種安在什幺地方都台適的護舷,甚至在相同情況下,不同的設計者對影響護舷設計的各種因素也有不同昀側重麵,所以,昕選的護舷係統也不一定相同。設計者應該不斷增加對護舷設計原則的深入了解,進而運用自己的知識和智慧,研製能夠滿足特殊工程需要的護舷係統。


四.幾個參考實例

  下述三個由HPA(Ham- - PadronAssociates)研究的設計,充分闡明了以上觀點。HPA是紐約市一家谘詢服務工程公司,主要承擔規劃和設計海港碼頭及水運工程建築物。該公司為滿足不同的條

件設計了各式各樣的護舷設施。無論在什幺情況下,所有工程具體考慮橡膠護舷設施與其支撐結構的相互影響,充分發揮創造力,用好的橡膠護舷設施適應特定情況。


  國際海運碼頭的PLaquemines Parish煤運中轉站南碼頭建於1982年,座落在密西西比河西岸,距新奧爾蘭約60公裏處。該碼頭能接納從1.3萬噸遠洋駁到十五萬噸級散貨船。為使碼頭維修量降至低,碼頭上部結構采用預應力混凝土,基礎采用鋼管樁。鑒於碼頭上隻供人員出入,設計采用了不設碼頭麵板的桁架結構(即明板結構)。這種結構型式,混凝土用量很少,同時可以大量預製,使樁上所受恒荷載大限度地減小。


  船舶的靠泊擠靠力主要產生水平荷載,在碼頭前沿安裝的高效能壓曲型護舷使這種水平荷載降至低限

限度,這種橡膠護舷係由Seibu公司製造的TTV型構件。為了使護舷傳到單樁上的反力很小,上部結構設計為一個水平桁架,這樣,作用於樁的水平力由許多樁共同承受:斜樁的斜度控製在1:8,樁的柔性相當好,這就更改善了船舶擠靠力的傳遞和分布。


  這種輕微的傾斜幾乎對樁的豎直承載力沒有多大影響。自然,斜樁是用來既承擔豎直荷載又承擔水平荷載,因為碼頭沒有直樁。

  得克薩斯州的Exxon Bavtown煉油廠,情況則大不相同。它的一號碼頭建於1921年,至1947年擴建時,在2萬噸級的碼頭岸壁上安裝一種新型的鋼彈性護舷係統。到1982年這種橡膠護舷已殘舊不堪,而碼頭又需停靠4.7萬噸散貨船和駁船。由於碼頭前沿疏浚加深,加之近年來碼頭上部結構上恒荷載的增加,基礎狀況又不明,使得新的護舷係統不能對碼頭產生任何荷載。

  過去的25年,貝頓(Baytown>地區的地麵沉降超過了3.0米多,碼頭麵更接近水麵,使護舷係統的豎向使用範圍相對變小。在新型橡膠護舷的選擇上還受到碼頭航道對護舷設施突出距離的限製,和當護舷損壞更新時,必須保證碼頭正常作業及船舶安全靠泊的要求。

  HPA公司確定的方案,是使用一種木護麵的鋼架結構,該鋼架沿碼頭全長布置,架在橡膠護舷上。這種壓曲型橡膠護舷由摩爾斯橡膠生產公司(Morse Rub-ber Products Co)專門製造,它依次支撐在扭曲的托架上,扭曲托架固定於新打的垂直鋼樁上,垂直鋼樁又與新打的斜樁固定在一起。所有的直樁沿縱向與焊接在扭曲托架後麵的連續固定梁相聯接,以便安裝時無需各樁準確對位。


  每一個樁組(包括一個直樁和一個斜樁)支撐一套四個護舷,每組排樁縱向支撐間距為5m-5m-3m。選擇這種布置型式主要考慮了三個設計因素:1、提供吸能量所需足夠的集中排樁;2、提供與原有碼頭支撐互不相關的空間型式:3、提供典型的既好用又易於搬運的護舷麵板尺寸,以便施工(選用了十二米長的貼麵板),圖2即為這種新型護舷係統的一個斷麵圖。

  橡膠護舷構架的橫撐按大小排列,以便當任一位置受撞擊時其鄰近的護舷都能產生足夠的撓曲度。這樣,當船舶以設計動能衝撞護舷係統時,受力的四個壓曲型護舷構件能發揮相當於三個護舷的戲能量。橡膠護舷構架采用高強度鋼,以減輕壓曲型橡膠護舷支撐構架的自重,這些構架依靠壓曲型橡膠護舷的支撐,增加其柔性,進而使其吸能量增加護舷係統的構架包括為完全預製的木護麵板。這些預製構件與支撐在樁上的橡膠護舷構件用螺栓固定在一起,為使這些護舷構件便於安裝且不影響其吸能量或承載能力,在構件各方麵均有5厘米左右的間隙。護舷麵板通過銷釘或鉸鏈相互連接在一起,這種連接方式適合於現場的快速安裝,但對它的彎曲度有很大限製,且在橡膠護舷麵板安裝使用後還要彎曲,這樣就要求限度地減小其尺寸和重量.


  HPA設計的第三個工程要求創造性地解決美國Connecticut New London潛艇基地獨特的護舷設施。該基地第17號突堤碼頭建於1946年,為兩個浮(船)塢的靠泊設施,由於使用要求的改變,美國海軍指示將其申一個塢調離,並改碼頭的一側為潛艇服務,另一倒為維修另一個浮塢服務。改建包括突堤碼頭的樁和麵板複原及麵板結構的改造,同時,增加一些公共設旋所需的工藝管溝,如新裝的暖氣管、消防水管、淡水管和汙水管等管道係統、新建配電、照明設施,增設一個獨特的橡膠護舷係統以吸收係泊潛艇的衝力,然而,原突堤碼頭並非為承擔這樣的擠靠力所用,何況還要引進使工程得以實施的新概念,摶在工程上采用大量的創造性措施。


  在廣泛應用計算機進行設計工作之前,為估算沿碼頭長度方向係泊擠靠力的分布,采用了保守的經驗估算方法算。計算結果表明、碼頭每一排樁須抵抗大約總衝力的20%.而碼頭麵板,則如水平橫梁一樣把係泊衝力傳布到許多排樁上,這種力的準確分布取決於碼頭麵板結構和樁的相對剛度。通過計算機分析認定,一排樁所抵抗的衝力僅占全部衝力的8%,顯然,碼頭的實際抗擠靠力與經驗計算法結果相差1.5倍。計算機的使用使新型橡膠護舷設備的安裝趨於合理,同時加快了工程進度。

投資受到限製的條件下,提供高吸能量、低維修量的潛艇護舷係統是一個極其難以解決的問題。由於潛艇的船型特點,其擠靠力作用點在碼頭麵板支撐橡膠護舷的點到海底之間的中點附近,使橡膠護舷樁如同一根長1 5米左右的支撐橫舉。當潛艇擠靠護舷設施的瞬間,擠靠力有一個橫向速庋分量和一個縱向速度分量,橫向懸臂梁就會在兩個方向產生很大撓度。


  歸結起來,問題就在於原突堤碼頭橫向受載能力相當小,使改建工程受到限製。為了避免碼頭斜樁超負荷受載,使護舷設施的選擇受到嚴格的限製。


  HPA公司設計的l7號碼頭所使用的新型護舷設施,在滿足美國海軍通甩標準方麵可謂首屈一指。其設備吸能量是目前New London潛艇基地其它橡膠護舷設備的三倍多,這種護舷設備是由摩爾斯橡膠生產公司製造的,它是用一對彎曲型的橡膠構件,使之富有彈性.然後再與高強度的彈性護舷鋼樁相桔合,在護舷鋼枇的外側表麵又壤上一種翼型的橡膠護舷構件。


  “對接V型”橡膠護舷構件中心間距3米配置一對,麵對麵用螺栓把V型橡膠護舷對接在一起成“X”型。這樣,它的吸能量為單個“V”型護舷吸能量的二倍,而反力卻與單個構件相等。每對護舷都固定在碼頭麵板的前沿與護舷鋼樁栓接在一起。

橡膠護舷鋼樁為“H”形,總長40米。泥麵上21米是重型高強鋼樁,泥麵以下19米是輕型軟鋼樁。泥麵以土部分均采用高強槽鋼,預應力固定在法蘭盤上。樁的上半部使用開槽高強鋼,以防止既長又無支撐的鋼樁因彎曲而引起的失穩,增加彎曲強度,減輕自重,提高柔性進而增強吸能量。


  在潛艇船體可能撞擊的地方,護舷鋼柱外截麵還安裝有翼型橡膠護舷。這種護舷對艇體和鋼樁起保護作用並發揮附加吸能作用。大約護敞係統所吸能量的65%由"x'型護舷構件擔,20%由護舷鋼樁承擔,15%由翼型構件承擔。

  這種橡膠護舷設施的施工,去年下半年就完工了,進度相當快。護舷鋼樁包括開括,裝托架和翼型護舷等,完全在交貨之前運到現場預製。海底土壤特性適用把樁打到預定標高,再將木護麵橫撐就位,並用單個大螺栓將其固定在每根護艇鋼樁上。