趸船在波浪荷载作用下的受力分析

夏 静 余昂烨

（舟山市交通规划设计院，浙江 舟山 316021）

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）。

图1 趸船现场照片

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：

Hr=KrH

Kr——为局部反射系数：

L——波长（m）；

d——水深（m）；

η——原始波波峰面在静水面以上的高度（m）：

h0——原始波波浪中心线对静水面的超高值：

而干涉波高：

Hd=2Hr+（H-Hr）=H+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。

图2 趸船波浪力计算图示

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。

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）。

图3 锚链布置示意图

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-。

图4 斜向波（45°）作用下1 号链的平均拉力图

图5 斜向波（45°）作用下2 号链的平均拉力图

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。

表1 不同计算方式结果对比

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。