浙江沿海地区浮码头在波浪作用下的锚系计算

夏静 余昂烨

摘 要：浮码头受波浪影响较大，通过2种不同的方法计算波浪作用在趸船上的荷载，结合实际使用经验进行对比分析，選择较为合理的计算方法，可供理论研究和工程设计参考应用。

关键词：浮码头；波浪荷载；锚系计算

一、浮码头适用性

浮码头由趸船、趸船的锚系和支撑设施、活动引桥组成。因趸船随水位作垂直升降，作为码头面的趸船甲板面与水面的高差基本不变。在水位较大的区域，浮码头基本固定的干舷高度方便船舶的靠泊和人员的上下。此外浮码头造价较低，趸船及相应设施拆装便捷，施工对周边环境影响较小，多应用于渔业码头和客货码头。但趸船受波浪影响较大，因此适用于河港或掩护条件较好的海港地区。

二、浮趸船受力分析

作用在趸船上的荷载主要有波浪力和水流力，由于趸船干舷高度低，受风面积小，因此趸船受风荷载极小，基本可忽略不计。作用在趸船上的水流力计算可参考作用于船舶上的水流力计算。由于浮码头应尽量避免有横流、斜向流或涡流的作用，一般浮码头前沿线布置与流向一致。当流向与趸船前沿线方向一致时，水流作用面积为As=BT，B和T分别为趸船的宽度和吃水。趸船宽度相比长度较小，而且吃水也不大，因此在一般的水流条件下，受水流力影响不大。且水流力计算可参考《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）“附录F 作用于船舶上的水流力”，其计算较为明确，不存在争议。

而波浪力为周期性作用，其作用在趸船上的力目前没有明确的公式进行计算，若将趸船看成是固定的结构，波浪横向作用于趸船时，趸船将引起波浪的局部反射，趸船正面的干涉波高Hd既大于原始波高H，又小于波浪遇直立墙发生完全反射时的立波波高2H，因此需先计算趸船吃水T范围内的局部反射波高，从而得到趸船干涉波高Hd。再将趸船视作直立墙绘制波压力图形（见图1），计算阴影范围内的波浪总力。

当波浪斜向作用于趸船时，可按修正系数对其进行修正，修正公式为KP=（1+COS0.5 θ）/2。

图1 趸船波浪力计算图示

但上述计算是基于趸船为静止不动的结构计算的。本文根据有关部门的模型试验研究结果，对趸船锚系的动力计算进行分析，从而对比两者之间的不同。

三、工程实例分析

1、平面布置

浮码头位于浙江省舟山地区，码头前沿线位于-13m等深线。由2座50×12m的趸船组成，趸船与趸船之间采用钢过桥相连，内外锚与趸船前沿线夹角30°。

2、计算水位

设计高水位：2.00m（高潮累计频率10%）

3、设计波浪

H1%=1.65m，L=60m，T=7m，波浪与趸船夹角45°。

4、设计风速

V=24.4m/s

5、设计流速

V=1.2m/s

四、锚链受力计算

1、假设趸船静止不动

当H1%=1.65m横向作用于趸船时，经计算，趸船干涉波高为Hd=2.66m，令Hd=2H，即H=1.33m，把干涉波看成由假想的进行波（H=1.33m）完全反射形成的立波，于是经计算后，位于水深15m处的压力强度Pd=5.4kPa；静水面处的压力强度P0=13.9kPa；压力为0的位置位于静水面以上1.43m。

根据上述压强分布，计算在趸船型深范围内，趸船单宽受到的波浪力为27.3kN/m。当波浪45°作用于趸船时，应乘以修正系数Kp。

KP=（1+cos0.5 θ）/2=0.92。修正后，趸船单宽受到的波浪力为25.1KN/m。

整个趸船受到的波浪力为25.1×（50×siin30°+12×sin60°）=889KN

趸船横向分力Fx由钢撑杆承担，锚链主要承担沿趸船方向的分力Fy，Fy=889×sin60°=770kN。

风作用在趸船上的力Fyw=3.5kN；流作用在趸船上的力Fyc=7.5kN

沿趸船前沿方向的合力Fy=781kN

因此每根锚链的水平拉力为T= =451KN，锚链导链孔处拉力为F=454kN。

根据《码头结构设计规范》（JTS167-2018），附录U 锚链及锚的计算，在锚抓力系数η=2.2的情况下，根据G≥100T/η，锚重可达20t，但实际上，海港趸船所用锚重一般为5t左右。

有上述计算可知，在假设趸船静止不动的情况下，趸船受波浪力较大，锚的重量远远超过海港趸船实际锚重，因此上述计算严重偏离实际情况，存在较大误差。

2、模型试验

波浪是周期性作用的荷载，由于趸船惯性力的影响，若用静力计算存在较大误差。基于以上情况，国内研究部门进行了模型试验。

试验中趸船的船长30m、船宽6m、型深2.5m、吃水1.2m。每两节趸船以副链相连组成一个码头，内外锚链与码头线成30°的夹角交叉布置。通过采用不同水深、不同波高、不同波陡进行试验。

斜向波作用于下，受力锚链可以1、2号链为代表，锚链拉力受波长影响较大。1、2号锚链相应的平均拉力F ？可在图3和图4上查得。最大拉力可近似取值为F=1.4F 。

通过《海港工程设计手册》查得：1号链平均拉力F1=27.6KN；2号链平均拉力F2=38.2KN

因此最大拉力F=1.4X38.2=53.4KN

上述经验公式的局限性主要在于只有一种趸船尺寸（30x6m），而浙江沿海港口目前所用趸船主要尺寸为50x12m。因此在波浪45°作用下，根据垂直投影面积来进行换算。

由动力计算得出的锚链拉力仅为92kN，考虑风和流的作用，锚链拉力取100kN，相较于静力计算得到的锚链拉力F=454kN，计算结果大幅减小。

根据上述结果，5t海军锚即可满足计算要求。根据浙江舟山地区浮码头使用经验，5t锚一般可满足使用要求，因此动力计算得出的结果与实际比较吻合。

结语：

波浪作用较为复杂，若是单纯将趸船视为静止不动的结构，则计算结果会很大，而通过模型试验计算得到的结果与实际使用情况较为接近。但目前模型试验局限性也较大，不能很好地代表其他不同尺寸的趸船的实际受力情况，需要进一步的试验来确定。

波浪是趸船所受的主要控制性荷载，为了减小波浪对趸船的影响，建议在波浪掩护条件较好的区域建设浮码头，尽量避免侧向波浪，做好相应抗台设施，减小台风对趸船的影响。

参考文献：

[1]俞聿修. 斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载.大连理工大学，2011.

[2]李本霞. 多向随机波作用在直立堤上的波浪力.大连理工大学，2004.