劉憲慶，鄧皓天，余 葵，張 鑫，戴一鋒

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院 400074)

航標(biāo)作為“行輪的眼睛”，是確保船舶安全通航的關(guān)鍵因素。為保障航標(biāo)功能的正常發(fā)揮，提高航標(biāo)維護(hù)正常率，航道管理部門(mén)需不定期對(duì)航標(biāo)進(jìn)行檢查、清洗、維護(hù)。三峽庫(kù)區(qū)的水位在145～175 m變動(dòng)，當(dāng)三峽庫(kù)區(qū)蓄水達(dá)到175 m運(yùn)行時(shí)，庫(kù)區(qū)水位抬升，流速減緩，瞿塘峽、巫峽、西陵峽內(nèi)180 m高程(吳淞高程)岸標(biāo)的維護(hù)較為方便；但145 m水位運(yùn)行時(shí)，存在30 m水位差，如圖1所示，岸標(biāo)的維護(hù)需要在懸崖絕壁上開(kāi)展攀爬作業(yè)，維護(hù)難度大，且懸崖上的設(shè)施隨著時(shí)間推移日益陳舊，存在極大的安全隱患[1]。為了解決岸標(biāo)布置和高度調(diào)整繁瑣復(fù)雜的問(wèn)題，重慶交通大學(xué)聯(lián)合長(zhǎng)江重慶航道局首次提出了適應(yīng)大水位變幅的自浮升降式航標(biāo)，并在三峽庫(kù)區(qū)閻王扁區(qū)域進(jìn)行了示范應(yīng)用，見(jiàn)圖2a)[2]。

圖1 現(xiàn)有航標(biāo)及檢修作業(yè)

圖2 新型絕壁航標(biāo)(高程：m；尺寸：mm)

自浮升降式航標(biāo)設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中，首先受到波浪的作用，三峽水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)水位大幅上升、水域擴(kuò)大，在風(fēng)力的作用下會(huì)形成風(fēng)成浪，且由于航道能力提升，通航船舶噸位顯著提高，船舶航行會(huì)產(chǎn)生船行波[3-7]；其次受到水流的作用，三峽庫(kù)區(qū)呈現(xiàn)典型的山區(qū)河流特征，河道窄深、水位陡漲陡落、水流湍急，水流速度復(fù)雜[8]；再次受到風(fēng)的作用，夔門(mén)地處瞿塘峽入口，經(jīng)遇風(fēng)類(lèi)型為典型的地方性風(fēng)，主要是峽谷特殊的地理位置與濕潤(rùn)氣候產(chǎn)生的峽谷大風(fēng)[9]。自浮升降式航標(biāo)設(shè)施作為一種新型航標(biāo)，在風(fēng)浪流作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性不甚明確。因此，通過(guò)MOSES建立動(dòng)力學(xué)分析模型，分析浮動(dòng)單元在波浪以及風(fēng)浪流作用下的運(yùn)動(dòng)特性，研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境荷載等因素對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律，為自浮升降式航標(biāo)設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工與推廣應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 模型建立及測(cè)試組合

1.1 航標(biāo)結(jié)構(gòu)

如圖2b)所示，自浮升降式航標(biāo)設(shè)施主要由兩個(gè)單元構(gòu)成：一是導(dǎo)向柱和連接架組合而成的固定單元，二是浮筒和罐形標(biāo)組合而成的浮動(dòng)單元。導(dǎo)向柱由2根直徑為0.6 m、壁厚為10 mm的鋼管通過(guò)鋼板連接而成，鋼管中心間距為0.9 m，上部通過(guò)連接架連接于絕壁上端，下部通過(guò)基礎(chǔ)加錨桿結(jié)構(gòu)連接于岸邊礁石上，不銹鋼管內(nèi)部填充混凝土以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；浮筒采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，直徑為2.2 m，套設(shè)在導(dǎo)向柱上，在浮筒內(nèi)側(cè)距離筒底1.0、2.0 m處各設(shè)置10個(gè)滾輪，滾輪的存在既保證浮動(dòng)單元隨著水位變化沿著導(dǎo)向柱滑動(dòng)，又限制結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并將環(huán)境荷載作用在浮動(dòng)單元上的荷載傳遞到導(dǎo)向柱上，浮筒上部設(shè)置罐形標(biāo)確保航標(biāo)的可視性，用于指引過(guò)往船舶航行，見(jiàn)圖2c)。

1.2 測(cè)試組合

為了較好地預(yù)測(cè)自浮升降式航標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性和變化規(guī)律，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。采用正交組合的方法安排測(cè)試組合，單個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平數(shù)。三峽庫(kù)區(qū)每年都會(huì)經(jīng)歷145～175 m的水位變化，航標(biāo)工作水深為159.5～175.1 m，選取的水深D分別為164.5、169.5、175.5 m，距離固定平臺(tái)的距離分別為5.0、10.0、15.0 m；其次，由于三峽庫(kù)區(qū)蓄水前最大風(fēng)浪波高不超過(guò)1.0 m，因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)部分船長(zhǎng)、水手、漁民的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，選取30 a一遇波浪參數(shù)，即波高0.9 m、波周期3.5 s；根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》的要求，選取奉節(jié)地區(qū)50 a重現(xiàn)期的風(fēng)速為25.0 m/s[10]；在風(fēng)浪流的作用下，航標(biāo)吃水過(guò)大容易造成浮筒上部進(jìn)水，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加以及連接件銹蝕，航標(biāo)吃水過(guò)小容易引起結(jié)構(gòu)穩(wěn)性下降及連接件受力不均勻，因此選取的浮筒吃水分別為0.5、1.0、1.5 m，吃水的變化是通過(guò)浮筒內(nèi)部分艙壓載進(jìn)行的，吃水從0.5 m增加到1.0 m、從1.0 m增加到1.5 m的壓載量都是1.334 t。測(cè)試組合的參數(shù)見(jiàn)表1，其中質(zhì)心位置為距離筒底中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

表1 測(cè)試組合

1.3 模型建立

由于模型比較復(fù)雜，采用MOSES自帶的體-面-線-點(diǎn)的自上而下的建模方法建立模型，分別為結(jié)構(gòu)在水深為15、10、5 m工況下的模型網(wǎng)格劃分[11]，見(jiàn)圖3。導(dǎo)向柱上端和下端通過(guò)固定連接器約束x、y和z方向的自由度，在浮筒內(nèi)側(cè)距離筒底1.0和2.0 m處分別設(shè)置10個(gè)固定連接器約束x、y方向的自由度來(lái)模擬滾輪，剛度均為1 000 kN/m，同時(shí)分別設(shè)置10個(gè)彈性連接器來(lái)考慮z方向滾輪與導(dǎo)向柱之間的滑動(dòng)約束，彈性連接器的剛度為1 kN/m。通過(guò)軟件內(nèi)置的時(shí)域分析模塊分析浮動(dòng)單元在波浪以及風(fēng)浪流聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。

圖3 數(shù)值分析模型

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 吃水對(duì)浮動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響分析

圖4、5分別為浮動(dòng)單元在波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩位移、加速度隨吃水變化的時(shí)程變化曲線和幅值變化柱狀圖。從圖4a)和圖5a)可以看出，垂蕩位移和加速度的時(shí)程變化都呈周期變化，加速度的變化周期為波浪周期，而垂蕩位移的變化周期除了有波浪周期的影響，還有一個(gè)較大的周期影響，考慮是由滾輪與浮筒之間的摩擦因素造成的。

從圖4b)可以看出，垂蕩位移幅值隨著吃水的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，吃水hd從0.5 m增大到1.0 m時(shí)降幅為24.2 %，而吃水從1.0 m增加到1.5 m時(shí)增幅僅僅為1.38 %。原因是水波屬于表面波，垂蕩作用力隨著吃水的增大而減小，吃水越大則水質(zhì)點(diǎn)的振幅和運(yùn)動(dòng)越不明顯。

圖4 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨吃水的變化

從圖5b)可以看出，垂蕩加速度幅值隨著吃水的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，原因是由于小吃水情況下垂蕩作用力大、附加質(zhì)量小，導(dǎo)致其加速度較大；而在大吃水情況下，由于質(zhì)心較低，在垂向作用力變化不明顯的情況下，向下運(yùn)動(dòng)的加速度越大。

圖5 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩加速度隨吃水的變化

圖6、7分別為浮動(dòng)單元在風(fēng)浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移、加速度隨吃水變化的時(shí)程變化曲線和幅值變化柱狀圖?？梢钥闯?，風(fēng)浪流作用下的垂蕩加速度和速度的時(shí)程變化、垂蕩位移和加速度的幅值變化趨勢(shì)都類(lèi)似于波浪作用下的變化趨勢(shì)。但對(duì)比圖5b)和圖7b)的結(jié)果可以看出，風(fēng)浪流作用下的加速度幅值都小于波浪作用下的加速度幅值，原因是由于計(jì)算中波浪、風(fēng)和流的方向是一致的，作用于浮動(dòng)單元上部的風(fēng)荷載和下部的流荷載將浮動(dòng)單元緊靠在固定單元上，導(dǎo)致由波浪力-摩擦力-慣性力構(gòu)成的平衡系統(tǒng)在下沉或上浮的過(guò)程中都會(huì)受到風(fēng)荷載和流荷載構(gòu)成的力偶的減速效應(yīng)，從而導(dǎo)致加速度幅值減小。

圖6 風(fēng)浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨吃水的變化

圖7 風(fēng)浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨吃水的變化

2.2 水深對(duì)浮動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響分析

圖8、9分別為浮動(dòng)單元在波浪作用下不同水深的垂蕩位移、加速度的時(shí)程變化曲線和幅值變化柱狀圖。從圖8a)和圖9a)可以看出，垂蕩位移和加速度的時(shí)程變化都呈規(guī)則變化趨勢(shì)。從圖8b)可以看出，垂蕩位移幅值隨著水深的增加呈減小的趨勢(shì)，水深越小則向下運(yùn)動(dòng)的幅值越大，原因是由于淺水效應(yīng)[12-13]，隨著浮筒與水底的距離減小，流速增大、壓力減小，使得浮動(dòng)單元產(chǎn)生額外的下沉從而加劇了結(jié)構(gòu)的垂蕩位移。

圖8 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨水深的變化

從圖9b)可以看出，垂蕩加速度的幅值隨著水深的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，原因是水深D由5 m增加到10 m，淺水效應(yīng)弱化，引起波浪力-摩擦力-慣性力構(gòu)成的平衡系統(tǒng)呈加速下沉或上浮的趨勢(shì)；水深從10 m增加到15 m，主要是由于垂蕩作用力隨著水深的增加而減小從而造成結(jié)構(gòu)加速度減小。

圖9 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩加速度隨水深的變化

圖10、11分別為浮動(dòng)單元在風(fēng)浪流作用下不同水深的垂蕩位移、加速度的時(shí)程變化曲線和幅值變化柱狀圖。可以看出，風(fēng)浪流作用下的垂蕩加速度和速度的時(shí)程變化、垂蕩位移和加速度的幅值變化趨勢(shì)都類(lèi)似于波浪作用下的變化趨勢(shì)。但是，對(duì)比圖9b)和圖11b)的結(jié)果可以看出，水深5、10、15 m時(shí)波浪作用和風(fēng)浪流作用的加速度幅值分別為2.29和1.64 m/s2、2.47和1.72 m/s2、2.19和1.71 m/s2，風(fēng)浪流作用下的加速度幅值和幅值變化都小于波浪作用下的幅值和幅值變化。原因是由于風(fēng)荷載和流荷載構(gòu)成的力偶減速效應(yīng)引起波浪力-摩擦力-慣性力構(gòu)成的平衡系統(tǒng)的豎向運(yùn)動(dòng)減弱，從而導(dǎo)致加速度幅值減?。伙L(fēng)荷載和流荷載的作用使得結(jié)構(gòu)緊靠在固定單元上降低了淺水效應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致加速度幅值變化變小。

圖10 風(fēng)浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨水深的變化

圖11 風(fēng)浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩加速度隨水深的變化

3 結(jié)論

1)隨著吃水的增加，結(jié)構(gòu)的垂向位移和加速度呈現(xiàn)先下降后增大的趨勢(shì)，吃水1.0 m的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性最優(yōu)。

2)隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)的垂向位移呈下降的趨勢(shì)，而垂向運(yùn)動(dòng)的加速度幅值呈先增加后降低的趨勢(shì)，水深越大，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性越好。

3)由于風(fēng)荷載、流荷載與結(jié)構(gòu)的相互作用，風(fēng)浪流作用下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)優(yōu)于波浪單獨(dú)作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。