浮式舾装码头研究与设计

摘要：本文结合某浮式舾装码头工程设计实例，阐述了趸船首尾缆出缆角研究、人行通道设计、装卸设备研究和试车地牛设计等内容，为今后类似工程设计提供借鉴。

关键词：升降架；塔式起重机；双筒卷扬机；地牛；锚链；港口工程

引 言

长江中上游地区有相对低廉的电力和人力成本，以及中西部大开发等优惠政策，这些都给长江中上游地区造船业提供了极大的发展机遇。受水文和地形、地貌的影响，该区域船厂多为中、小型船厂，一般采用斜坡码头型式以节省工程投资。小型舾装件采用人力搬运，大型舾装件经斜坡道运输，由浮吊进行吊装，流程多、操作不便、效率低；公用动力管线沿斜坡道和跳趸敷设上船，随着水位的涨落需频繁收放管线，管线杂乱不便于使用和管理，并且存在安全隐患。因此需根据长江中上游地区工程实际进行研究，选择合理的舾装码头方案。本文结合工程实例，介绍长江中上游地区浮式舾装码头研究与设计。

1 设计条件

趸船尺寸、舾装船舶尺寸见表1。

表1 设计船型尺度

船型 主尺度（长×宽）/m 备注趸船 90×15舾装船 77×12.1 设计代表船型

2 总平面布置

本工程舾装码头采用浮码头型式，共3个泊位，由1#、2#和3#趸船串联布置。3艘趸船共用1座引桥与大堤相接，引桥设置于2#趸船，该引桥仅考虑人行和管线铺设，由1座升降架和2座活动钢引桥组成。在引桥上、下游处分别设置1#、2#塔吊平台，塔吊作业半径可同时覆盖大堤吊装平台、舾装船舶以及升降架。1#、2#塔吊平台分别设置1座钢引桥与大堤堤顶衔接，满足塔吊司机通行，平面布置详见图1。

图1 总平面布置

3 研究与设计内容

3.1 趸船首尾缆出缆角研究

根据《河港工程总体设计规范》[1]，趸船长度为0.65～0.8倍舾装船舶长度，即50.05～61.6m，考虑到舾装生产的特殊要求，业主要求每艘趸船除满足舾装靠泊外，还要考虑码头生产、办公及舾装设备临时存放的空间，根据业主使用经验确定趸船尺度为90m×15m。一般而言，浮式码头泊位长度大于码头长度，岸线长度取泊位长度，由于本工程趸船尺寸的特殊性，需比较泊位长度和码头长度，才能确定岸线长度，泊位长度和码头长度计算如下：

泊位长度：

式中： L为舾装船长度，m；d为富裕长度，m。

码头长度：

式中：LD为趸船长度，m；D为趸船间距，m。

由于码头长度大于泊位长度，岸线长度取码头长度。在满足项目使用及安全要求的前提下，从节约岸线资源的角度，码头长度不宜取的过大，以提高岸线利用率。趸船间距D的取值是确定岸线长度的关键，其原则为保证趸船首尾缆不与相邻趸船出现干扰，趸船间距越大越有利，但是趸船间距大占用岸线长，违背合理利用岸线资源的原则。趸船间距D取值与趸船首尾缆出缆角度α（缆绳与码头前沿线夹角）和趸船宽度B应满足D＞B×cotα。趸船间距D是首尾缆出缆角度α的减函数，确定了最大首尾缆出缆角度α，即可确定最小趸船间距D。

目前，趸船首尾缆出缆角度暂无相关规范给出具体规定，仅在《斜坡码头及浮码头设计与施工规范》（JTJ 294-98）2.6.6条规定，锚链的根数及布置应按靠泊船舶大小和靠船速度、水流等具体条件确定。在浮式码头设计中，关于趸船首尾缆出缆角度的确定，参考的是码头系靠船舶首尾缆出缆角度。《开敞式码头设计与施工技术规程》（JTJ 295-2000）[2]3.5.5条规定，首尾缆水平夹角30°～45°；《码头附属设施技术规范》（JTJ 297-2001）[3]2.2.2.3条规定船舶首、尾缆水平投影与船舶纵轴所成的夹角宜为30°～45°，但不得小于25°；《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）[4]5.4.22.3条规定码头首尾缆与码头前沿线水平夹角可取 45°～75°，横缆水平角度应基本垂直码头前沿线布置，与码头前沿线夹角可取75°～105°，船舶纵向受力较大时，可根据主受力方向适当减小首缆或尾缆角度；英国规范 BS 6349-4：1994（Section 3. Mooring）建议首尾缆最佳水平夹角 75°，该规范认为，作用于船舶的横向力和纵向力将由横缆和倒缆承受，而首尾缆，按其与船舶轴线形成的角度，实际上是横缆倒缆的一部分。

《开敞式码头设计与施工技术规程》和《码头附属设施技术规范》对首尾缆水平夹角的规定基本相同，英国规范的首尾缆、横缆和倒缆的作用与我国的观点不一致。近些年来实践经验表明，首尾缆水平夹角 30°～45°存在各缆绳受力状态不明确、受力不均匀和缆绳危险系数大等问题。从《海港总体设计规范》关于首尾缆水平夹角规定可以看出，我国关于首尾缆、横缆和倒缆作用的观点与英国规范一致。从系缆的角度来看，趸船与船舶系靠码头不同，趸船自身设有引水锚、尾锚、内扒锚（即首尾锚）和外扒锚。从受力角度看，趸船所受纵向力主要由引水锚或尾锚承受；趸船所受横向力主要由首尾锚或外扒锚承受，首尾锚水平夹角越大，受力状态越明确，受力越好。

本项目确定首尾缆水平夹角为 75°，符合《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）和英国规范BS 6349-4：1994[5]（Section 3. Mooring）。经计算，D＞B×cotα=4.02m，考虑一定的安全距离，取D=5m。岸线长度=码头长度Lm=280m。

本工程将3艘趸船连为一体，趸船间采用钢丝绳交叉连接，并在首尾趸船分别设置加强首缆和加强尾缆1根，即3个泊位共设首尾缆8根，加强趸船的泊稳。目前，本工程已安全运行3年多，使用情况良好。工程设计时，合理确定趸船锚链出缆角度，既可避开趸船与锚链的互相干扰，满足锚泊要求，又节约了岸线资源。

3.2 人行通道设计

浮式舾装码头不同于货运码头，其作业人员较多，且每天上、下船频繁，为保证人员舒适上下船，钢引桥坡度不宜太陡（不陡于1：4），即不采用踏步形式。本项目地处长江中上游，水位差达17m，若设置单个活动钢引桥，其长度将超过60m，钢引桥重量大，设计、安装难度较大。

为满足人员舒适上、下船，本项目将常用于客运码头的升降架+钢引桥方案作为人员通行方案，并在钢引桥两侧敷设水、电和动力管线。人行通道共设升降架1座，活动钢引桥2座，升降架尺寸为10.4m×6.8m，2座活动钢引桥尺寸均为37.8m×3m，人行通道最大坡度为1：4.2，满足人员舒适上、下船及水、电、动力管线的敷设。2座活动钢引桥两端分别与大堤和趸船衔接，中间相接处通过升降架衔接，随着水位涨落，升降架顶平台卷扬机提升钢引桥托盘以调整钢引桥位置，并通过2根横梁搁置于牛腿上，详见图2。

升降架升降工艺流程如下：

1）提升过程：卷扬机提升钢引桥托盘及横梁至牛腿上方约20 cm处，拖横梁拉平移车至内侧车挡处以使横梁位于牛腿之外；继续提升卷扬机使钢引桥托盘位于上一层牛腿之上，拖拉横梁平移车至外侧车挡处以使横梁位于对应牛腿正上方；卷扬机下放钢引桥托盘使横梁搁置于升降架牛腿上。

2）下降过程：下降过程与提升过程类似，流程反之。

为防止钢引桥受扭及保证水、电、动力管线和结构安全，钢引桥托盘两侧提升系统应保持同步上升或下降。若采用电气同步技术，受升降架平台尺寸限制，布置2台卷扬机难度较大，并且电气控制系统较复杂，故障率较高。因此，设计采用布置简单、安全可靠的机械同步技术，提升设备采用双筒卷扬机，双筒卷扬机尺寸小、布置紧凑。

图2 升降架升降示意

3.3 装卸设备研究

门座起重机因其吊幅大，起升高度高，造价相对便宜，因此，被国内船厂广泛使用。本工程业主自建厂以来一直采用浮码头舾装船舶，积累了丰富的建造技术和管理经验，且舾装船舶为特种船舶，因其外形限制，在大水位差地区需采用浮码头舾装。工程所处长江岸线深水近岸，码头前沿线距大堤约98m。根据业主造船模式，码头仅少量舾装（主要为内装修）及调试，舾装件单件重量在5 t以内。趸船上设有一系列舾装用站房，无法在趸船上设置起重设备用于舾装件吊装。为解决舾装件的吊装作业，本工程将建筑塔式起重机引入舾装码头，塔式起重机型号为5.2 t-70m，3个泊位共配置2台塔式起重机，实现了泊位、大堤吊装平台和升降架平台全覆盖，满足了舾装件的吊装和升降架平台卷扬机的检修。

为保证塔式起重机尽可能的覆盖 3个泊位，2台塔式起重机幅度存在重合区，塔式起重机不同于一般的起重设备，没有防风、锚定等防风设施。非工作状态时，塔式起重机臂架处于自由状态，为避免2台塔式起重机相互干扰，2台塔式起重机采用差异化起升高度，利用空间避开、防碰撞方案，保证防风要求。非工作状态时，塔式起重机吊钩升至最高点，小车运行至吊臂根部并锁定。详见图3。

图3 塔式起重机布置

对于舾装码头而言，舾装吊装量很少，本工程每个泊位年吊装量约1000t。3个泊位共用2台塔式起重机，年吊装量3000t左右，日运输车辆仅5辆左右，牵引平板车在大堤上作业对大堤其他运行车辆的影响较小，考虑到吊装作业的安全性，设计将大堤处道路予以局部拓宽形成吊装平台，减少了吊装作业对大堤其他车辆的影响。

3.4 试车地牛设计

长江中上游地区舾装码头一般为趸船码头，以往所建船舶吨级和主机功率均较小，船舶试车荷载由趸船自身锚链系统承受。随着造船业的发展，目前，所造船舶吨位和主机功率越来越大，船舶试车负荷也随之变大，趸船自身锚链难以承受。

本工程舾装船舶为特种船舶，试车力达600kN，为满足试车要求，本工程专设试车地牛1座。试车时，舾装船舶系于趸船，趸船系缆于试车地牛，试车力由试车地牛承受。项目所在区域水位差较大，综合考虑设计高低水位、施工水位以及相邻泊位的影响，试车地牛位于码头下游约100m，并位于施工水位以上。为更好的承受试车力，试车系缆和码头前沿线的夹角控制在15°以内。通过设置专用试车地牛，将试车力与锚泊力分开，简化趸船锚泊系统受力分析，降低了设计难度，满足了船舶试车要求；试车地牛布置于码头后方水域，不另行占用岸线，节省了岸线资源。

试车地牛与趸船间可采用锚链或钢丝绳连接，钢丝绳受力绷紧效果好，但钢丝绳长期位于水下，腐蚀速度快，寿命缩短，需经常更换，水下更换难度较大；锚链抗腐蚀性强，但锚链悬链线效应造成趸船较大的位移，影响试车效果，并且存在安全隐患。为解决钢丝绳的更换问题以及锚链悬链线效应的影响，本工程试车地牛与趸船间采用钢丝绳+锚链组合的连接方式，锚链长度大于工程所在河段的水位差，锚链系于地牛上，钢丝绳与锚链连接后系于趸船，锚链长度远小于钢丝绳长度，其悬链线效应大大减弱，该连接方式实现了钢丝绳的快速更换（水上更换），满足了趸船的绞紧要求。

4 结 语

1）本文通过对国内外规范进行分析，确定了浮码头趸船首尾缆出缆角度选取原则，并给出了连片式浮码头相邻趸船间距与趸船首尾缆出缆角度的关系。

2）本项目将建筑塔式起重机作为起重设备，其作业半径同时覆盖大堤堤顶处吊装平台和舾装船舶，无需建造车行引桥，建造和使用成本低；2台塔式起重机采用差异化起升高度，利用空间避开、防碰撞方案，保证其非工作状态下防风要求。

3）专用试车地牛将试车力与锚泊力分开，简化了趸船锚泊系统受力分析，降低了设计难度，满足了试车要求；试车地牛布置于码头后方水域，不另行占用岸线，节省了岸线资源。

4）钢丝绳+锚链组合的连接方式避免了锚链悬链线效应对趸船位移的影响，解决了钢丝绳的更换问题，满足了趸船绞紧要求。

参考文献：

[1] JTJ 212-2006河港工程总体设计规范[S].

[2] JTJ 295-2000开敞式码头设计与施工技术规程[S].

[3] JTJ 297-2001码头附属设施技术规范[S].

[4] JTS 165-2013海港总体设计规范[S].

[5] BS 6349-4： 1994 Maritime structures-Part 4： code of practice for design of fendering and mooring systems [S].

Research and Design of Floating Fitting-out Berth

Lei Peng, Xie Changwen

(CCCC Second Harbor Consultants Co., Ltd., Wuhan Hubei 430071, China)

Abstract:Based on the design of a floating fitting-out berth, an introduction to the study of the angle for the pontoon's bow and stern wires, walkway, handling equipment and trial anchor is made, which will provide a reference for similar engineering design in future.

Key words:lifting platform; tower-type crane; two-drum winch; trial anchor; anchor chain; port engineering