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        躉船在波浪荷載作用下的受力分析

        2021-11-10 02:34:36余昂燁
        科海故事博覽 2021年29期
        關(guān)鍵詞:躉船錨鏈波高

        夏 靜 余昂燁

        (舟山市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,浙江 舟山 316021)

        1 浮碼頭適用性

        浙江沿海地區(qū)浮碼頭基本由躉船、躉船的錨系和支撐設(shè)施、活動(dòng)引橋組成。因躉船隨水位作垂直升降,作為碼頭面的躉船甲板面與水面的高差基本不變。在水位變化較大的區(qū)域,浮碼頭基本固定的干舷高度方便船舶的靠泊和人員的上下。此外浮碼頭造價(jià)較低,躉船及相應(yīng)設(shè)施拆裝便捷,施工對(duì)周邊環(huán)境影響較小,多應(yīng)用于漁業(yè)碼頭和客貨碼頭。但躉船受波浪影響較大,因此適用于河港或掩護(hù)條件較好的海港地區(qū)(見圖1)。

        圖1 躉船現(xiàn)場(chǎng)照片

        2 浮躉船受力分析

        作用在躉船上的荷載主要有波浪力和水流力,由于躉船干舷高度低,受風(fēng)面積小,因此躉船受風(fēng)荷載極小,基本可忽略不計(jì)。作用在躉船上的水流力計(jì)算可參考作用于船舶上的水流力計(jì)算。由于浮碼頭應(yīng)盡量避免受橫流、斜向流或渦流的作用,一般浮碼頭前沿線布置與流向基本一致。當(dāng)流向與躉船前沿線方向一致時(shí),水流作用面積為As=BT,B 和T 分別為躉船的寬度和吃水。躉船寬度相比長度較小,而且吃水也不大,因此在一般的水流條件作用下,受水流力影響不大。且水流力計(jì)算可參考《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010)“附錄F 作用于船舶上的水流力”,其計(jì)算較為明確,不存在爭議。[1]

        而波浪力為周期性作用,其作用在躉船上的力目前沒有明確的公式進(jìn)行計(jì)算,若將躉船看成是固定的結(jié)構(gòu),波浪橫向作用于躉船時(shí),躉船將引起波浪的局部反射,躉船正面的干涉波高Hd既大于原始波高H,又小于波浪遇直立墻發(fā)生完全反射時(shí)的立波波高2H,因此需先計(jì)算躉船吃水T 范圍內(nèi)的局部反射波高Hr:

        Hr=KrH

        Kr——為局部反射系數(shù):

        L——波長(m);

        d——水深(m);

        η——原始波波峰面在靜水面以上的高度(m):

        h0——原始波波浪中心線對(duì)靜水面的超高值:

        而干涉波高:

        Hd=2Hr+(H-Hr)=H+Hr

        再將躉船視作直立墻繪制波壓力圖形(見圖2),計(jì)算陰影范圍內(nèi)的波浪總力。

        圖2 躉船波浪力計(jì)算圖示

        當(dāng)波浪斜向作用于躉船時(shí),可按修正系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正,修正公式為Kp=(1+COS0.5θ)/2。

        但上述計(jì)算是基于躉船為靜止不動(dòng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算的。本文根據(jù)有關(guān)部門的模型試驗(yàn)研究結(jié)果,對(duì)躉船錨系的動(dòng)力計(jì)算進(jìn)行分析,從而對(duì)比兩者之間的不同。[2]

        3 工程實(shí)例分析

        3.1 平面布置

        浮碼頭位于浙江省舟山地區(qū),碼頭前沿線位于-13m 等深線。由兩座50×12m 的躉船組成,躉船與躉船之間采用鋼過橋相連,內(nèi)外錨與躉船前沿線夾角30°。

        3.2 計(jì)算水位

        設(shè)計(jì)高水位:2.00m(高潮累計(jì)頻率10%)。

        3.3 設(shè)計(jì)波浪

        H1%=1.65m,L=60m,T=7m,波浪與躉船夾角45°。

        3.4 設(shè)計(jì)風(fēng)速

        9 級(jí)風(fēng)(V=24.4m/s)。

        3.5 設(shè)計(jì)流速

        V=1.2m/s。

        4 錨鏈?zhǔn)芰τ?jì)算

        4.1 風(fēng)和流的作用力計(jì)算

        當(dāng)風(fēng)、流與躉船前沿線方向一致時(shí),根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010)“附錄E 作用在船舶上的風(fēng)荷載”“附錄F 作用在船舶上的水流力”,風(fēng)和流共同作用下的合力為Fy=11.02kN,方向?yàn)榕c躉船前沿方向一致??梢婏L(fēng)、流對(duì)躉船影響相對(duì)較小。

        4.2 波浪力計(jì)算

        4.2.1 假設(shè)躉船靜止不動(dòng)

        當(dāng)H1%=1.65m 橫向作用于躉船時(shí),經(jīng)計(jì)算,躉船干涉波高為Hd=2.66m,令Hd=2H',即H'=1.33m,把干涉波看成由假想的進(jìn)行波(H'=1.33m)完全反射形成的立波,于是經(jīng)計(jì)算后,位于水深15m 處的壓力強(qiáng)度Pd=5.4kPa;靜水面處的壓力強(qiáng)度P0=13.9kPa;壓力為0 的位置位于靜水面以上1.43m。

        根據(jù)上述壓強(qiáng)分布,計(jì)算在躉船型深范圍內(nèi),躉船單寬受到的波浪力為27.3kN/m。當(dāng)波浪45°作用于躉船時(shí),應(yīng)乘以修正系數(shù)Kp。

        Kp=(1+COS0.5θ)/2=0.92。修正后,躉船單寬受到的波浪力為25.1kN/m。

        整個(gè)躉船受到的波浪力為:

        25.1×(50×sin30°+12×sin60°)=889kN

        躉船橫向分力Fx由鋼撐桿承擔(dān),錨鏈主要承擔(dān)沿躉船方向的分力Fy,F(xiàn)y=889×sin60°=770kN。

        風(fēng)作用在躉船上的力Fyw=3.5kN;流作用在躉船上的力Fyc=7.5kN,沿躉船前沿方向的合力Fy=781kN。

        根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS167-2018),附錄U 錨鏈及錨的計(jì)算,在錨抓力系數(shù)η=2.2 的情況下,根據(jù)G≥100T/η,錨重可達(dá)20t,但實(shí)際上,海港躉船所用錨重一般為5t 左右。[3]

        有上述計(jì)算可知,在假設(shè)躉船靜止不動(dòng)的情況下,躉船受波浪力較大,錨的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過海港躉船實(shí)際錨重,因此上述計(jì)算嚴(yán)重偏離實(shí)際情況,存在較大誤差。

        4.2.2 模型試驗(yàn)

        波浪是周期性作用的荷載,由于躉船慣性力的影響,若用靜力計(jì)算存在較大誤差?;谝陨锨闆r,國內(nèi)研究部門進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

        試驗(yàn)中躉船的船長30m、船寬6m、型深2.5m、吃水1.2m。每兩節(jié)躉船以副鏈相連組成一個(gè)碼頭,內(nèi)外錨鏈與碼頭線成30°的夾角交叉布置。通過采用不同水深、不同波高、不同波陡進(jìn)行試驗(yàn)(見圖3)。

        圖3 錨鏈布置示意圖

        斜向波作用于下,受力錨鏈可以1、2 號(hào)鏈為代表,錨鏈拉力受波長影響較大。1、2 號(hào)錨鏈相應(yīng)的平均拉力可在圖4 和圖5 上查得,最大拉力可近似取值為F=1.4F-。

        圖4 斜向波(45°)作用下1 號(hào)鏈的平均拉力圖

        圖5 斜向波(45°)作用下2 號(hào)鏈的平均拉力圖

        通過《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得:1 號(hào)鏈平均拉力F1=27.6kN;2 號(hào)鏈平均拉力F2=38.2kN。

        因此最大拉力F=1.4×38.2=53.4kN。

        上述經(jīng)驗(yàn)公式的局限性主要在于只有一種躉船尺寸(30×6m),而浙江沿海港口目前所用躉船主要尺寸為50×12m,因此在波浪45°作用下,根據(jù)垂直投影面積來進(jìn)行換算。

        由動(dòng)力計(jì)算得出的錨鏈拉力僅為92kN,考慮風(fēng)和流的作用,錨鏈拉力取100kN,在錨抓力系數(shù)η=2.2 的情況下,根據(jù)G≥100T/η,錨重為4.55t,如表1 所示。

        表1 不同計(jì)算方式結(jié)果對(duì)比

        相較于靜力計(jì)算得到的錨鏈拉力,通過模型試驗(yàn)計(jì)算出來的結(jié)果大幅減小,且通過模型計(jì)算得出的錨重為4.55t。根據(jù)浙江舟山地區(qū)浮碼頭使用經(jīng)驗(yàn),5t 錨一般可滿足使用要求,因此動(dòng)力計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際比較吻合。[4]

        5 結(jié)語

        波浪作用較為復(fù)雜,若是單純將躉船視為靜止不動(dòng)的結(jié)構(gòu),則計(jì)算結(jié)果會(huì)很大,而通過模型試驗(yàn)計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際使用情況較為接近。但目前模型試驗(yàn)局限性也較大,不能很好地代表其他不同尺寸的躉船的實(shí)際受力情況,需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來確定。

        波浪是浙江沿海地區(qū)躉船所受的主要控制性荷載,為了減小波浪對(duì)躉船的影響,應(yīng)將碼頭建設(shè)在波浪掩護(hù)條件較好的區(qū)域,同時(shí)應(yīng)盡量避免側(cè)向波浪。浙江是受臺(tái)風(fēng)影響較大的區(qū)域,躉船在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮臺(tái)風(fēng)的影響,做好相應(yīng)抗臺(tái)設(shè)施。

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