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        防城港某碼頭工程橢圓形沉箱浮游穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

        2022-06-09 04:44:22梁劍紅中交四航局第三工程有限公司
        珠江水運(yùn) 2022年9期

        ◎梁劍紅 中交四航局第三工程有限公司

        1.工程概況

        防城港某10 萬(wàn)噸級(jí)碼頭工程中,橢圓沉箱尺寸為26.0m×13.0m(含趾)×22.7m(長(zhǎng)*寬*高),腳趾寬1.5m,縱向設(shè)5個(gè)艙格,橫向設(shè)2個(gè)艙格,共有4 個(gè)弧形艙格和6個(gè)矩形艙格,其中弧形艙格尺寸近似為半徑5m的1/4圓,矩形艙格尺寸為4.43m×4.45m,沉箱底板厚800mm,外壁厚400mm,隔墻厚300mm,共有10個(gè)隔艙。

        沉箱在預(yù)制場(chǎng)上駁至半潛駁,拖輪拖帶半潛駁航行至碼頭現(xiàn)場(chǎng),半潛駁在下潛區(qū)拋錨定位下潛,沉箱浮游出駁,方駁絞錨拖帶沉箱定位安裝。施工現(xiàn)場(chǎng)為開(kāi)闊海域,海上風(fēng)浪大、潮水急,沉箱安裝浮游出駁,故需對(duì)該沉箱的浮游穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,以驗(yàn)證其是否需要進(jìn)行壓載才能達(dá)到浮游穩(wěn)定,確保沉箱安全、順利安裝到位。

        2.橢圓形沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算

        結(jié)合圖1計(jì)算簡(jiǎn)圖中信息來(lái)看,橢圓沉箱由矩形段與半圓段共同構(gòu)成。所以這種結(jié)構(gòu)類型的沉箱的浮游穩(wěn)定性可以分段進(jìn)行計(jì)算:將半圓段的浮游穩(wěn)定值與矩形段的浮游穩(wěn)定值進(jìn)行疊加即為整個(gè)橢圓形沉箱的浮游穩(wěn)定值。

        圖1 橢圓形沉箱及“i”值計(jì)算簡(jiǎn)圖

        注:

        (1)圖1尺寸關(guān)系:

        b—沉箱內(nèi)隔墻厚度;b—沉箱外壁厚度;

        l—矩形段箱格縱向凈長(zhǎng);l—矩形段箱格橫向凈寬。

        (2)計(jì)算簡(jiǎn)圖尺寸關(guān)系:b—半圓段內(nèi)側(cè)簡(jiǎn)化弦長(zhǎng);r—半圓段的邊長(zhǎng);

        △α—小扇形圓心角。

        矩形沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算中定傾半徑的計(jì)算式可適用于橢圓沉箱:

        以上表達(dá)式中:ρ—沉箱定傾半徑(單位:m);I—沉箱斷面在水面處對(duì)縱向形心軸的慣性矩(單位:m);i—第i箱格內(nèi)壓載水的水面對(duì)該水面縱向中心軸的慣性矩(單位:m);Σi—各箱格內(nèi)壓載水的水面對(duì)該水面縱向中心軸的慣性矩之和(單位:m);V——沉箱的排水量(單位:m);L—矩形沉箱長(zhǎng)度(單位:m);B—矩形沉箱在水面部位的寬度(單位:m);l——矩形沉箱第i箱格縱向墻之間的距離(單位:m);L—第i箱格橫向墻之間的間距(單位:m);r—圓形沉箱的外側(cè)半徑(單位:m);r—圓形沉箱的內(nèi)側(cè)半徑(單位:m)。

        在計(jì)算橢圓形沉箱的浮游穩(wěn)定數(shù)值時(shí),其關(guān)鍵是如何計(jì)算出Σi值,本文中將對(duì)該關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

        2.1 橢圓沉箱定傾半徑通式中I0的計(jì)算

        結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn),沉箱斷面部位對(duì)縱向方向的形心軸的慣性矩總數(shù)值為I,為矩形段慣性矩和半圓段慣性矩的疊加,計(jì)算表達(dá)式為:

        2.2 橢圓沉箱定傾半徑通式中Σi的計(jì)算

        結(jié)合上文可以知,橢圓形沉箱細(xì)分為兩個(gè)具體的部分:矩形段與半圓段,分別計(jì)算其壓載水的水面對(duì)該水面縱向中心軸的慣性矩之和。

        矩形段的Σi:

        以上表達(dá)式中:n——是指矩形段沉箱箱格數(shù),取值為:n=6。

        半圓形沉箱可以按照整圓的方式來(lái)計(jì)算慣性矩,具體的計(jì)算以“扇形箱格之圓形沉箱浮游穩(wěn)定的計(jì)算法”作為依據(jù),本文不對(duì)其作過(guò)多的介紹。

        圓形沉箱的2類箱格的內(nèi)壁視為弦長(zhǎng)為b,圓心角為△α的小扇形;扇形箱格自身邊長(zhǎng)為r,圓心角均為α。

        小扇形內(nèi)壁圓心角:

        大扇形箱格圓心角:

        以上表達(dá)式中:n——是指扇形箱格數(shù),取值為:n=4。

        大扇形將y-y軸視為形心軸的慣性矩(單位為:m),x-x、y-y軸分別對(duì)應(yīng):

        半圓段箱格的水面形心軸(x-x)平行的形心軸慣性矩總和為Σi(m)

        2.3 橢圓沉箱體積和體積矩計(jì)算

        橢圓形沉箱設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu),沉箱體積及體積矩計(jì)算見(jiàn)表1。

        表1 橢圓形沉箱體積及體積矩計(jì)算

        2.4 橢圓沉箱平衡壓載時(shí)浮游穩(wěn)定計(jì)算

        (1)空載時(shí)浮游穩(wěn)定計(jì)算。

        空載時(shí)橢圓沉箱的重心高度:

        空載橢圓沉箱總重

        橢圓沉箱總排水體積:

        以上表達(dá)式中:G—沉箱自重(單位:KN);λ—海水重度,取值為:10.25KN/m;y—橢圓沉箱重心高度(單位:m);λ—混凝土重度,取值為:24.5KN/m;vy—體積矩(單位:m);

        沉箱重心在y 軸上,平衡壓載時(shí),浮心也在y軸上。因本沉箱前后壁厚度、加強(qiáng)角尺寸相同,均對(duì)稱布置,故沉箱的重心在沉箱寬度中心線上。

        沉箱吃水:

        浮心高度:

        其中:T為沉箱吃水深度(單位:m);V為沉箱總排水體積(m),V'為沉箱腳趾排水體積(m);A為橢圓沉箱在水面處斷面體積(m);y為浮心高度(m)。

        沉箱腳趾排水體積V'=V+V=49.350+28.350=77.7m

        沉箱吃水:

        浮心高度:

        定傾半徑

        沉箱重心到浮心的距離:

        定傾高度:

        定傾高度m=-1.55m<0.2m,沉箱浮游時(shí)不穩(wěn)定,所以需要加水壓載。

        (2)根據(jù)沿海碼頭沉箱安裝施工經(jīng)驗(yàn),假定沉箱壓載水為4.5m,計(jì)算其浮游穩(wěn)定性。詳見(jiàn)表2。

        表2 沉箱壓載水為4.5m時(shí)重力及重力矩計(jì)算表

        沉箱總排水體積:

        沉箱腳趾排水體積V'=V+V=28.350+49.35=77.7m

        沉箱吃水:

        浮心高度:

        沉箱重心到浮心的距離α=7.341-8.099-=-0.758m

        定傾高度m=ρ -α=0.775-(-0.758)=1.533m

        所有沉箱艙格加載4.5m水后,定傾高度m=1.5323m>0.2m,沉箱浮游穩(wěn)定。

        (3)沉箱干弦高度計(jì)算

        為保證沉箱浮游、拖運(yùn)及沉放不沒(méi)頂,應(yīng)有足夠的干舷高度,滿足下列公式:

        式中:

        F——沉箱干舷高度(m);

        H——沉箱高度(m),22.7m;

        θ——沉箱的傾斜角度,浮運(yùn)時(shí)取6°~8°,取8°;

        B——沉箱寬度;

        h——為波高,取1m;

        S——沉箱干舷富裕高度,一般取0.5~1m。

        (B/2 )tan θ+(2 h/3)+S=(26/2)tan 8°+(2×1/3)+1=5.320m

        沉箱最小干舷高度為5.320m,

        沉箱浮游穩(wěn)定時(shí)吃水T=16.494m,

        沉箱浮游穩(wěn)定時(shí)干舷高度F=HT=22.7-16.494=6.206m>5.320m,滿足最小干舷高度要求。

        2.5 沉箱安裝施工方案的選定

        經(jīng)過(guò)以上計(jì)算,通過(guò)橢圓沉箱經(jīng)過(guò)矩形倉(cāng)格和扇形倉(cāng)格的疊加計(jì)算沉箱的浮游穩(wěn)定性,通過(guò)壓載水可使橢圓沉箱達(dá)到浮游穩(wěn)定,選用可滿足沉箱安裝時(shí)的下潛深度等參數(shù)要求的半潛駁進(jìn)行沉箱安裝,該安裝方案可行。

        3.結(jié)語(yǔ)

        重力式沉箱碼頭沉箱重力墩式碼頭是外海開(kāi)敞式碼頭的主要結(jié)構(gòu)型式之一,在基巖面較高的地區(qū),幾乎是唯一的結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)沉箱平面形式可分為矩形和圓形兩種:矩形沉箱優(yōu)勢(shì)是制作簡(jiǎn)單,浮游穩(wěn)定性好,但多用于岸壁式碼頭;圓形沉箱結(jié)構(gòu)對(duì)水流阻力小,多用于墩式碼頭。重力式碼頭結(jié)構(gòu)以往多數(shù)采用圓沉箱結(jié)構(gòu),2個(gè)圓沉箱之間往往造成不均勻沉降。而獨(dú)立墩式橢圓形沉箱結(jié)構(gòu)碼頭集矩形和圓形沉箱兩大優(yōu)點(diǎn):就獨(dú)立墩而言,橢圓形沉箱較圓形沉箱數(shù)量少,可有效節(jié)約成本造價(jià);橢圓形沉箱較圓形沉箱與基床接觸面積大,可有效擴(kuò)散碼頭上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力及外力,以減少地基應(yīng)力和碼頭沉降量,同時(shí)減少兩個(gè)圓形沉箱的不均勻沉降;橢圓形沉箱比矩形沉箱受波浪力小,利于重力式碼頭整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但橢圓形沉箱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)碼頭極為少見(jiàn),施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏,施工難度高,特別是安裝方面風(fēng)險(xiǎn)高。

        綜上所述,由于橢圓形的沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,加之現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)對(duì)沉箱的浮游穩(wěn)定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)介紹比較模糊,促使沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算趨向于復(fù)雜化。但是若將橢圓形沉箱細(xì)分為多個(gè)部分,則可以有效的解決橢圓形沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算難度比較大的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)橢圓沉箱進(jìn)行分解、疊加計(jì)算其浮游穩(wěn)定性并成功應(yīng)用在防城港某碼頭工程中,為推廣大型橢圓沉箱的應(yīng)用提供切實(shí)可行的依據(jù),為同行從業(yè)者提供一定的參考價(jià)值。

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