导管架施工期稳定性试验研究

蒋冰，黄宣军，杨建文，李文玉

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

1 概述

导管架码头结构是一种新型的码头结构型式，其设计灵感来自于海上石油平台。由于这种结构刚度大，整体性好，抗风浪及潮流能力强，且可以先在工厂用钢管焊接成整体式空间桁管结构，桁管架运输至现场后吊装就位并直接插入海底钻孔，安装便捷，因此施工推进速度很快，特别适合水深、浪大、流急，自然条件复杂、恶劣情况下的开敞式码头。但是，导管架结构由海洋工程引入到近海港口工程，目前尚未在工程实践中得到广泛应用，其施工方法和施工工艺也远未成熟，相关问题的研究并未充分展开，因此，有预见性地开展导管架施工期有关问题的试验研究，具有重要的现实意义。

2 试验设备

试验在中交海岸工程水动力重点实验室大型不规则波试验水槽中进行，水槽长、宽、高分别为98.0 m、4.0 m、1.8 m，水槽中装备有日本“三井造船株式会社”制造的大型不规则波造波机。根据试验要求可产生规则波和不同谱型的不规则波。见图1。

图1 大型不规则波试验水槽

3 模型设计与试验方法

3.1 导管架模拟

试验采用的导管架原型为前后、左右对称型式，基本尺寸为长28 m、宽10 m、高38.6 m，总重量达613 t（见图2）。物模试验中的导管架模型采用不锈钢管焊接而成（见图3），模型比尺采用1∶30，试验导管架模型与原型导管架满足外形结构相似、动力特征相似以及浮运特征相似。

图2 原型导管架码头结构平面图

图3 导管架码头模型

3.2 缆绳的模拟

试验研究要测定导管架在波浪作用下的拖缆力，拖缆采用钢缆，缆绳长度为180 m，试验过程中采用6 m长的钢丝绳来模拟钢缆，不考虑钢缆受力的弹性变形。

3.3 波浪模拟

导管架在海上拖航、现场漂浮及吊装就位施工期稳定性试验采用的波浪要素见表1。

表1 试验波浪要素

试验开始前，根据《波浪模型试验规程》的要求进行原始波浪要素率定，满足波高误差不超过±5%，周期误差不超过±2%。试验采用的不规则波频谱为JONSWAP，其表达式为：

式中：H1/3为有效波高，m；Tp为谱峰值周期，s；f为频率，Hz；fp为谱峰值频率，Hz；γ为谱峰值参数，γ=3.3。

3.4 拖速的模拟

现场拖航速度采用3 kn和4 kn，试验中拖速通过比尺换算为0.28 m/s和0.38 m/s。试验拖航速度采用高速台车控制，台车可模拟1.50 m/s以下的拖速，试验开始前进行台车速度的率定，要求允许偏差控制在±5%以内。

3.5 试验数据的采集与分析

试验过程中，在波浪平稳条件下，不规则波连续采集的波浪个数大于150个，采样间隔为0.03 s，每组试验至少采集3次，取其平均值作为试验结果。试验数据表中给出的拖缆力、锚缆力为各试验工况下的最大缆力值。

4 试验结果及分析

4.1 拖航试验

1）试验条件见表2。

表2 拖航试验条件

拖航状态：采用卧浮型式，在外侧四根粗管架顶端设置4个拖点，用钢丝绳将这4个拖点连接在一起，并由一根更长的钢丝绳拖缆连接到拖轮上。其中拖点至连接点的钢丝绳长度0.93 m，与导管架水平夹角为60°；拖缆长度为6 m。试验4个拖点位置及主拖缆上各放置一个环形测力计，详见图4。

图4 拖航试验示意图

2）试验结果见图5。

图5 拖航试验结果

由试验结果可知，相同波浪条件下，拖航速度越快，拖缆力越大；相同拖航速度条件下，波高越大，拖缆力越大。另外，在有效波高为1.2～1.5 m区间时，拖速3 kn或4 kn、波周期6 s或7 s作用下的拖缆力差别不大；当有效波高超过1.5 m时，拖缆力随拖航速度增大或波浪周期的增大都将明显增大。从而建议在导管架拖航施工过程中，应选择有效波高小于1.5 m的状况下进行。

4.2 漂浮试验

1）试验条件见表3。

表3 漂浮试验条件

漂浮状态：采用卧浮型式，在外侧两根粗管架两端各设置1个锚缆点，锚缆长度约50 m，一端与锚缆点相连，另一端固定在水底，保持整个导管架漂浮在水中。由于导管架上下非完全对称，致使卧浮时前后吃水略有偏差，试验示意图详见图6。

图6 导管架漂浮示意图

2）试验结果见表4。

表4 波浪作用下导管架漂浮试验结果

从试验结果可知，有效波高≤1.5 m时，周期6 s、8 s时的最大锚缆力相差不大，可8 s时的最大摇摆角接近20°；有效波高＞1.5 m时，周期6 s、8 s时的最大缆力均超过1100 kN，且周期6 s时的最大锚缆力比周期8 s时要大，分析其主要原因是周期8 s时的波长长，波浪穿透性强，可就因为波长长，导管架结构随波浪摆幅也大，造成横摇角度均超过30°。为此，建议在导管架漂浮施工过程中的波要素为：有效波高≤1.5 m、周期≤6 s。

4.3 吊装就位试验

1）试验条件见表5。

表5 吊装就位试验条件

首先，在导管架外侧四个角的钢管上分别焊接一个吊环，然后用钢缆将吊环与起吊钩相连，在吊钩上方安装一个测力计，测定不同起吊高度时的吊缆力。为了便于分析，每起吊3 m高度时记录一次吊缆力。起吊示意图见图7。

2）试验结果见图8。

图7 吊装就位过程示意图

由试验结果可以看出，相同起吊高度时，不同波浪作用下的吊缆力相差不大。起吊高度为0～15 m范围内，随着起吊高度的增大，导管架的起吊力稳步增加；起吊高度为15～21 m范围内，不同起吊高度下的起吊力相差不大；起吊高度为21～30 m范围内，随起吊高度增加，导管架的起吊力先减小后增大，直至整个导管架呈直立状态。吊缆力减小的原因主要是起吊高度大于21 m后，导管架受波浪作用明显减小。为此可以看出波浪对于导管架起吊力的影响较小，且随着起吊距离的增加，影响程度也相应减小。

图8 不同波浪、不同起吊高度下的吊缆力

5 结语

导管架码头结构是一种新型的码头结构型式，此种码头结构具有整体性好，刚度大，抗风、浪、流能力强，适合在岩基地质条件且水深、浪大、流急地区建设码头。

通过波浪作用下导管架施工期稳定性的试验研究，得到了不同拖速、不同波浪作用下，导管架在海上拖运时的拖缆力，在存储现场漂浮状态的锚缆力，在吊装就位时的起吊力，为导管架在海上施工工艺提供科学依据。

从试验研究结果分析得到：

1）导管架浮运过程中，其拖缆力的大小取决于拖航速度和波浪大小。拖速越快，拖缆力越大，根据实测拖缆力大小，导管架相对拖航速度尽量控制在4 kn（2.06 m/s）以下。

2）相同拖速条件下，波高对拖缆力的影响比波周期对拖缆力的影响要明显，波高越大，拖缆力也越大。H13%≤1.5 m时，波浪对导管架影响不大，而当波高增大到2.5 m时，拖速3 kn和4 kn条件下的拖缆力都较大。所以，浮运过程中波高H13%≤1.5 m为宜。

3）导管架运抵施工现场后，如不能立即安装，则需要在海上存储。海上存储可采用四点系缚。从漂浮试验结果看出，波高对于导管架锚缆力的影响比较明显，波高越大，导管架的升沉量和锚缆力也越大。而当周期大于6 s增至8 s时，导管架的摇摆度明显增加。为此，导管架海上存储时，应选择海上波高H13%≤1.5 m、周期T≤6 s为宜。

4）导管架浮运到施工现场后，需要借助大型起重船舶，将导管架起吊至直立状态进行定位，整个起吊过程中的吊缆力随起吊高度的增加呈现稳步增大→基本不变→相差不大→略有减小→迅速增大至稳定。由试验结果可得到波浪对于导管架起吊力的影响较小，且随着起吊距离的增加，影响程度也相应减小，尽管不同起吊高度的最大吊缆力＜300 t，但由于导管架重量为613 t，为安全起见，建议起重船的起吊能力至少在600 t为宜。

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