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趸船在波浪荷载作用下的受力分析

2021-11-08夏静余昂烨

科海故事博览·中旬刊 2021年10期

夏静 余昂烨

摘 要 作用在趸船上的荷载主要有波浪力和水流力,一般情况下,水流力影响较小,波浪力影响较大。在假定趸船为静止不动状态时,计算得出的波浪力非常大,与实际锚系布置不符,本文通过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,选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 趸船 波浪荷载 锚系计算

中图分类号:U661 文献标识码:A 文章编号:1007-0745(2021)10-0001-04

1 浮码头适用性

浙江沿海地区浮码头基本由趸船、趸船的锚系和支撑设施、活动引桥组成。因躉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。在水位变化较大的区域,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(见图1)。

2 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受横流、斜向流或涡流的作用,一般浮码头前沿线布置与流向基本一致。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作用下,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。[1]

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Hr:

再将趸船视作直立墙绘制波压力图形(见图2),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+COS0.5θ)/2。

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。[2]

3 工程实例分析

3.1 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。由两座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°。

3.2 计算水位

设计高水位:2.00m(高潮累计频率10%)。

3.3 设计波浪

H1%=1.65m,L=60m,T=7m,波浪与趸船夹角45°。

3.4 设计风速

9级风(V=24.4m/s)。

3.5 设计流速

V=1.2m/s。

4 锚链受力计算

4.1 风和流的作用力计算

当风、流与趸船前沿线方向一致时,根据《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)“附录E 作用在船舶上的风荷载”“附录F作用在船舶上的水流力”,风和流共同作用下的合力为Fy=11.02kN,方向为与趸船前沿方向一致。可见风、流对趸船影响相对较小。

4.2 波浪力计算

4.2.1 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+COS0.5θ)/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×sin30°+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,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。[3]

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。

4.2.2 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(见图3)。

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可在图4和图5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=1.4×38.2=53.4kN。

上述经验公式的局限性主要在于只有一种趸船尺寸(30×6m),而浙江沿海港口目前所用趸船主要尺寸为50×12m,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,在锚抓力系数η=2.2的情况下,根据G≥100T/η,锚重为4.55t,如表1所示。

相较于静力计算得到的锚链拉力,通过模型试验计算出来的结果大幅减小,且通过模型计算得出的锚重为4.55t。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。[4]

5 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。

波浪是浙江沿海地区趸船所受的主要控制性荷载,为了减小波浪对趸船的影响,应将码头建设在波浪掩护条件较好的区域,同时应尽量避免侧向波浪。浙江是受台风影响较大的区域,趸船在设计时需要考虑台风的影响,做好相应抗台设施。

参考文献:

[1] 交通运输部.港口工程荷载规范(JTS144-1-2010)[S].2010.

[2] 交通部第一航务工程勘察设计院编.港口工程设计手册[M].北京:人民交通出版社,1997.

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

[4] 李本霞.多向随机波作用在直立堤上的波浪力[D].辽宁:大连理工大学,2004.