蔣冰，黃宣軍，楊建文，李文玉

（1.國家海洋局海洋信息中心，天津 300171；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 概述

導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)是一種新型的碼頭結(jié)構(gòu)型式，其設(shè)計(jì)靈感來自于海上石油平臺(tái)。由于這種結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，抗風(fēng)浪及潮流能力強(qiáng)，且可以先在工廠用鋼管焊接成整體式空間桁管結(jié)構(gòu)，桁管架運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后吊裝就位并直接插入海底鉆孔，安裝便捷，因此施工推進(jìn)速度很快，特別適合水深、浪大、流急，自然條件復(fù)雜、惡劣情況下的開敞式碼頭。但是，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)由海洋工程引入到近海港口工程，目前尚未在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，其施工方法和施工工藝也遠(yuǎn)未成熟，相關(guān)問題的研究并未充分展開，因此，有預(yù)見性地開展導(dǎo)管架施工期有關(guān)問題的試驗(yàn)研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中交海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型不規(guī)則波試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽長、寬、高分別為98.0 m、4.0 m、1.8 m，水槽中裝備有日本“三井造船株式會(huì)社”制造的大型不規(guī)則波造波機(jī)。根據(jù)試驗(yàn)要求可產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。見圖1。

圖1 大型不規(guī)則波試驗(yàn)水槽

3 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

3.1 導(dǎo)管架模擬

試驗(yàn)采用的導(dǎo)管架原型為前后、左右對(duì)稱型式，基本尺寸為長28 m、寬10 m、高38.6 m，總重量達(dá)613 t（見圖2）。物模試驗(yàn)中的導(dǎo)管架模型采用不銹鋼管焊接而成（見圖3），模型比尺采用1∶30，試驗(yàn)導(dǎo)管架模型與原型導(dǎo)管架滿足外形結(jié)構(gòu)相似、動(dòng)力特征相似以及浮運(yùn)特征相似。

圖2 原型導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 導(dǎo)管架碼頭模型

3.2 纜繩的模擬

試驗(yàn)研究要測(cè)定導(dǎo)管架在波浪作用下的拖纜力，拖纜采用鋼纜，纜繩長度為180 m，試驗(yàn)過程中采用6 m長的鋼絲繩來模擬鋼纜，不考慮鋼纜受力的彈性變形。

3.3 波浪模擬

導(dǎo)管架在海上拖航、現(xiàn)場(chǎng)漂浮及吊裝就位施工期穩(wěn)定性試驗(yàn)采用的波浪要素見表1。

表1 試驗(yàn)波浪要素

試驗(yàn)開始前，根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行原始波浪要素率定，滿足波高誤差不超過±5%，周期誤差不超過±2%。試驗(yàn)采用的不規(guī)則波頻譜為JONSWAP，其表達(dá)式為：

式中：H1/3為有效波高，m；Tp為譜峰值周期，s；f為頻率，Hz；fp為譜峰值頻率，Hz；γ為譜峰值參數(shù)，γ=3.3。

3.4 拖速的模擬

現(xiàn)場(chǎng)拖航速度采用3 kn和4 kn，試驗(yàn)中拖速通過比尺換算為0.28 m/s和0.38 m/s。試驗(yàn)拖航速度采用高速臺(tái)車控制，臺(tái)車可模擬1.50 m/s以下的拖速，試驗(yàn)開始前進(jìn)行臺(tái)車速度的率定，要求允許偏差控制在±5%以內(nèi)。

3.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析

試驗(yàn)過程中，在波浪平穩(wěn)條件下，不規(guī)則波連續(xù)采集的波浪個(gè)數(shù)大于150個(gè)，采樣間隔為0.03 s，每組試驗(yàn)至少采集3次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表中給出的拖纜力、錨纜力為各試驗(yàn)工況下的最大纜力值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 拖航試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件見表2。

表2 拖航試驗(yàn)條件

拖航狀態(tài)：采用臥浮型式，在外側(cè)四根粗管架頂端設(shè)置4個(gè)拖點(diǎn)，用鋼絲繩將這4個(gè)拖點(diǎn)連接在一起，并由一根更長的鋼絲繩拖纜連接到拖輪上。其中拖點(diǎn)至連接點(diǎn)的鋼絲繩長度0.93 m，與導(dǎo)管架水平夾角為60°；拖纜長度為6 m。試驗(yàn)4個(gè)拖點(diǎn)位置及主拖纜上各放置一個(gè)環(huán)形測(cè)力計(jì)，詳見圖4。

圖4 拖航試驗(yàn)示意圖

2）試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 拖航試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，相同波浪條件下，拖航速度越快，拖纜力越大；相同拖航速度條件下，波高越大，拖纜力越大。另外，在有效波高為1.2～1.5 m區(qū)間時(shí)，拖速3 kn或4 kn、波周期6 s或7 s作用下的拖纜力差別不大；當(dāng)有效波高超過1.5 m時(shí)，拖纜力隨拖航速度增大或波浪周期的增大都將明顯增大。從而建議在導(dǎo)管架拖航施工過程中，應(yīng)選擇有效波高小于1.5 m的狀況下進(jìn)行。

4.2 漂浮試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件見表3。

表3 漂浮試驗(yàn)條件

漂浮狀態(tài)：采用臥浮型式，在外側(cè)兩根粗管架兩端各設(shè)置1個(gè)錨纜點(diǎn)，錨纜長度約50 m，一端與錨纜點(diǎn)相連，另一端固定在水底，保持整個(gè)導(dǎo)管架漂浮在水中。由于導(dǎo)管架上下非完全對(duì)稱，致使臥浮時(shí)前后吃水略有偏差，試驗(yàn)示意圖詳見圖6。

圖6 導(dǎo)管架漂浮示意圖

2）試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 波浪作用下導(dǎo)管架漂浮試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，有效波高≤1.5 m時(shí)，周期6 s、8 s時(shí)的最大錨纜力相差不大，可8 s時(shí)的最大搖擺角接近20°；有效波高＞1.5 m時(shí)，周期6 s、8 s時(shí)的最大纜力均超過1100 kN，且周期6 s時(shí)的最大錨纜力比周期8 s時(shí)要大，分析其主要原因是周期8 s時(shí)的波長長，波浪穿透性強(qiáng)，可就因?yàn)椴ㄩL長，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)隨波浪擺幅也大，造成橫搖角度均超過30°。為此，建議在導(dǎo)管架漂浮施工過程中的波要素為：有效波高≤1.5 m、周期≤6 s。

4.3 吊裝就位試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件見表5。

表5 吊裝就位試驗(yàn)條件

首先，在導(dǎo)管架外側(cè)四個(gè)角的鋼管上分別焊接一個(gè)吊環(huán)，然后用鋼纜將吊環(huán)與起吊鉤相連，在吊鉤上方安裝一個(gè)測(cè)力計(jì)，測(cè)定不同起吊高度時(shí)的吊纜力。為了便于分析，每起吊3 m高度時(shí)記錄一次吊纜力。起吊示意圖見圖7。

2）試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖7 吊裝就位過程示意圖

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同起吊高度時(shí)，不同波浪作用下的吊纜力相差不大。起吊高度為0～15 m范圍內(nèi)，隨著起吊高度的增大，導(dǎo)管架的起吊力穩(wěn)步增加；起吊高度為15～21 m范圍內(nèi)，不同起吊高度下的起吊力相差不大；起吊高度為21～30 m范圍內(nèi)，隨起吊高度增加，導(dǎo)管架的起吊力先減小后增大，直至整個(gè)導(dǎo)管架呈直立狀態(tài)。吊纜力減小的原因主要是起吊高度大于21 m后，導(dǎo)管架受波浪作用明顯減小。為此可以看出波浪對(duì)于導(dǎo)管架起吊力的影響較小，且隨著起吊距離的增加，影響程度也相應(yīng)減小。

圖8 不同波浪、不同起吊高度下的吊纜力

5 結(jié)語

導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)是一種新型的碼頭結(jié)構(gòu)型式，此種碼頭結(jié)構(gòu)具有整體性好，剛度大，抗風(fēng)、浪、流能力強(qiáng)，適合在巖基地質(zhì)條件且水深、浪大、流急地區(qū)建設(shè)碼頭。

通過波浪作用下導(dǎo)管架施工期穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究，得到了不同拖速、不同波浪作用下，導(dǎo)管架在海上拖運(yùn)時(shí)的拖纜力，在存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)漂浮狀態(tài)的錨纜力，在吊裝就位時(shí)的起吊力，為導(dǎo)管架在海上施工工藝提供科學(xué)依據(jù)。

從試驗(yàn)研究結(jié)果分析得到：

1）導(dǎo)管架浮運(yùn)過程中，其拖纜力的大小取決于拖航速度和波浪大小。拖速越快，拖纜力越大，根據(jù)實(shí)測(cè)拖纜力大小，導(dǎo)管架相對(duì)拖航速度盡量控制在4 kn（2.06 m/s）以下。

2）相同拖速條件下，波高對(duì)拖纜力的影響比波周期對(duì)拖纜力的影響要明顯，波高越大，拖纜力也越大。H13%≤1.5 m時(shí)，波浪對(duì)導(dǎo)管架影響不大，而當(dāng)波高增大到2.5 m時(shí)，拖速3 kn和4 kn條件下的拖纜力都較大。所以，浮運(yùn)過程中波高H13%≤1.5 m為宜。

3）導(dǎo)管架運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)后，如不能立即安裝，則需要在海上存儲(chǔ)。海上存儲(chǔ)可采用四點(diǎn)系縛。從漂浮試驗(yàn)結(jié)果看出，波高對(duì)于導(dǎo)管架錨纜力的影響比較明顯，波高越大，導(dǎo)管架的升沉量和錨纜力也越大。而當(dāng)周期大于6 s增至8 s時(shí)，導(dǎo)管架的搖擺度明顯增加。為此，導(dǎo)管架海上存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)選擇海上波高H13%≤1.5 m、周期T≤6 s為宜。

4）導(dǎo)管架浮運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后，需要借助大型起重船舶，將導(dǎo)管架起吊至直立狀態(tài)進(jìn)行定位，整個(gè)起吊過程中的吊纜力隨起吊高度的增加呈現(xiàn)穩(wěn)步增大→基本不變→相差不大→略有減小→迅速增大至穩(wěn)定。由試驗(yàn)結(jié)果可得到波浪對(duì)于導(dǎo)管架起吊力的影響較小，且隨著起吊距離的增加，影響程度也相應(yīng)減小，盡管不同起吊高度的最大吊纜力＜300 t，但由于導(dǎo)管架重量為613 t，為安全起見，建議起重船的起吊能力至少在600 t為宜。

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