近岸施工防污屏力学性能安全性分析方法研究

张火明,丁正旺,陆萍蓝,管卫兵

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.中国计量大学 工程训练中心,浙江 杭州 310018;3.卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012)

防污屏是一种防止悬浮物污染扩散的装置,如图1所示,能有效地将施工限定水域同外界隔离开来,从而防止浑浊水和悬浮物大面积的扩散。因此,该装置对海港清淤、围海造地,及对河道、湖泊、海洋环境有较好的保护作用。随着防污染物扩散技术的发展,以近岸防污屏为代表的施工技术逐步进入工程领域,如今已在国内工程开始应用。我国防污屏施工技术从无到有,规模逐步扩大,市场前景较为广泛。但目前我国的防污屏设计、生产及施工技术与国外相比差距较大[1-2]。

图1 近岸施工防污屏示意图Figure 1 Schematic diagram of anti-fouling screen for offshore construction

对于防污屏的布置而言,主要考虑其在流场中的受力状态,防污屏的受力状态是十分复杂的动态平衡体系,不能采用常规的静力分析方法求解,但是可以通过一定条件下的假定和简化,建立分析模型。对于防污屏的分析,国内外不同专家给出了相应的理解。在暴露于水流的过程中施加在淤泥幕结构上的载荷通常会由于相反的锚固、浮力和水流力而导致结构变形[3]。Rios-Soberanis等[4]研究涉及土工织物必须承受的力学行为和耐久性考虑,以便用作海岸侵蚀和海滩恢复的土工物。王群和肖振彪[5]通过防污屏的荷载及其作用效应分析,利用约束方程对防污屏受力体系进行求解。孙峙华[6]首次将一种基于集中质量法的力学模型用于分析计算软体排沉排受力和构型。张益智[7]在静水中沉排时软体排受力基础上建立动水中软体排计算有限模型,并通过具体算例得出动水中软体排拉力变化的一些规律。龙啸云等[8]指出在土工布中,有大量的高模高强聚乙烯醇纤维存在,其线密度较小,使得相互之间缠结紧密,从而提高了土工布的力学性能。尉霞[9]以丙纶长丝为原料,采用正交试验设计,分别测试各织物拉伸、撕裂、顶破等力学性能,通过方差分析,分别建立了机织土工布结构与力学性能的数学模型。肖朝昀[10]采用大尺寸直剪仪,研究填埋场复合衬垫系统中,HDPE光面和糙面土工膜,在干燥、潮湿状态下与无纺土工布界面剪切性能。刘路路等[11]对某高速公路建设中使用的短纤针刺土工布进行了拉伸性能试验。研究了不同含水率以及不同温度条件下短纤针刺土工布的拉伸性能。

在以往的防污屏研究中,多数研究仅针对防污屏自身性能问题的计算或研究,对防污屏在多变环境下的力学性能研究较少。防污屏全环境的试验由于费用高、周期长等诸多因素的限制,因此该类工程设备的设计及评估更加需要计算模型来减少物理实验的成本。本文着眼于防污屏具体工作环境,结合防污屏结构特点,针对共聚物型PP材料防污屏,采用等效模型分析方法,对其力学性能及其安全性进行分析。

1 理论基础

防污屏物理模型如图2所示,参考其物理模型建立分析所需要的等效分析模型。防污屏整体结构主要由上部浮体、阻挡泥沙的土工加强布、锚固点以及起定位作用的系链构成。由于防污屏的自身透水性能良好等特性,其整体模型类似于多点系泊系统,故采用多点系泊的方式模拟防污屏下部屏体,对上端浮体而言,其作用类似于多根系泊缆,故采用双根系缆来模拟防污屏屏体,基于悬链线理论对问题进行求解,建立等效分析模型如下图3所示。

图2 防污屏物理模型Figure 2 Physical model of anti-fouling screen

图3 等效分析模型Figure 3 Equivalent analysis model

悬链线方程是一个双曲余弦函数(见图4),其通用的数学表达式为:

图4 函数模型Figure 4 Function model

(1)

其中α为悬链系数

防污屏上部浮体在风浪上的运动经过摄动分析后,可以分成一阶微幅运动和二阶低频大幅运动,即浮体的运动为高频和低频运动的迭加,并且两者互不干扰。低频运动指大幅的慢漂振荡运动,高频运动被看作是在低频运动的基础上作的微幅振动,即高频运动的平均位置为低频的运动位置。因此时域运动方程在求解时分为低频和高频两个部分来求解。

基于线性流体动力理论的波频时域运动方程可写为:

(2)

(3)

式(3)中,λij(ω)是频域里的阻尼系数矩阵。若已知整个频率范围内的物体摇荡的阻尼系数λij(ω),则可按照下式

(4)

当结构处于低频部分的运动方程为:

(5)

纵荡方向的波浪慢漂阻尼系数可以用下式来计算:

(6)

(7)

式(6)中:βw为相对波浪方向角(°),180°为顶浪;ω0为波浪频率(rad/s);

上述公式(7)是基于波浪频率ω0的。在计算时,输入波浪一般基于遭遇频率ωe。这意味着当采用同样的波浪谱时(基于遭遇频率),流速改变将导致不同的波浪频率ω0,因此波浪漂移阻尼系数值bwdd(βw)也会不同。

2 模型建立

浮体总质量包括浮体自身质量与其上层所裹PVC布质量,19.5 m长的浮体由12个1.2 m长的浮筒组成,每个浮筒质量为1.6 kg,PVC布密度为1 250 g/m3,包裹布的质量为圆柱体表面积与单位面积PVC涂层布重量的乘积,因此可以计算得到浮体总质量为46 kg。

表1 防污屏上部浮体参数Table 1 Parameters of the upper floating body of the anti-fouling screen

表2 系链参数Table 2 Tether parameters

3 仿真分析

本节基于三维势流理论的水动力计算软件AQWA分别进行了分析,AQWA主要用于计算各种浮式平台的水动力性能及相关运动分析,应用范围非常广泛,可以用于系泊系统的设计与分析、船舶的耐波性分析、系泊缆与结构间的耦合作用分析等,除此之外,AQWA拥有多个计算模块,包括LINE、LIBRIUM、FER、DRIFT、NAUT、AGS、WAVE等。

以19.5 m长度的物理模型为基础建立分析所需要的仿真模型,基本参数如上表3中所列,采用系缆模拟防污屏下部屏体,其直径、长度以及刚度如下表4所示,位置位于浮体中间段处。模型所处环境参数表5中所列,选取风速为42 m/s,波浪谱选择JONSWAP谱百年一遇海况,且风浪流方向均为90°方向(垂直浮体方向,取为最危险方向)。

表3 材料弹性模量与泊松比Table 3 Material elastic modulus and Poisson's ratio

表4 等效防污屏下部屏体参数Table 4 Parameters of the lower screen of the equivalent anti-fouling screen

表5 环境参数Table 5 Environmental parameters

利用ANSYS建立的仿真模型如图5所示,图中绿色大箭头表示风方向,蓝色小箭头表示波浪方向。在考虑风、浪、流联合作用,选取桐乡某公司在香港机场施工中布设的防污屏为例,对整个防污屏系统进行耦合动力分析。

图5 仿真分析模型Figure 5 Simulation analysis model

建立模型后,ANSYS对系泊缆自动分段,默认100个分段,时间间隔0.001 s,单次计算约消耗4～5 h。由于现有计算机存储空间限制,模拟100 s时间内模型的响应结果,求得计算结果如图6～9所示,其中图6、图7为浮体位移曲线,从图中可以看出浮体结构监测点位移在可控范围内,并未随波漂流移动较远距离。图8和图9分别为结构速度和加速度曲线,可以看出在个别时间点出现极值现象,但结合整体来看,结构整体安全可靠,同时在实际工程中更多关注其位移程度。

图6 上部浮体结构在X、Z方向的位移曲线Figure 6 Displacement curves of the upper floating structure in X and Z directions

图7 上部浮体结构在Y方向的位移曲线Figure 7 Displacement curve of the upper floating structure in the Y direction

图8 上部浮体结构运动速度曲线Figure 8 Movement speed curve of the upper floating structure

图9 上部浮体结构加速度曲线 Figure 9 Acceleration curve of the upper floating structure

图10为等效模拟防污屏的张力曲线,图11为结构系链张力曲线图,从图中观察得到,防污屏100 s内最大张力为2.4×104N,系链100 s内最大张力为5.6×104N。已知防污屏材料的张力强度为27.6 N/mm2,等效模拟防污屏的截面约为0.04 m2,得到此等效模拟防污屏的张力强度为74 t,根据上述计算,防污屏屏体在100 s内的最大张力约为2.4 t,可知此防污屏结构在此环境中不会发生破断,处于安全状态。

图10 等效防污屏屏体张力曲线Figure 10 Tension curve of equivalent anti-fouling screen body

图11 结构固定系缆张力曲线Figure 11 Tension curve of the fixed tether

4 结 语

本文从便于实际可靠性计算的角度出发,对防污屏受力状态进行讨论,提出了新的防污屏等效分析模型,通过研究防污屏等效模型,并借助ANSYS软件进行数值模拟。采用实际工程应用的防污屏参数以及其所处的工况环境参数,得到了防污屏上部浮体位移、速度、加速度等参数曲线,及等效防污屏张力、结构系缆张力曲线。发现在给定环境中该类型防污屏是安全可靠的。因此,建立等效模型是非常关键实用的方式,对实际工程中既要保证防污屏结构的可靠性,又要兼顾经济性、工程时间效率,该方法有很高的推广借鉴意义。