靠泊浮箱系泊方案試驗

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(海軍工程設計研究院，北京 100070)

浮箱是一種應用廣泛的浮渡器材，在水運交通中發揮著重要作用[1- 2]。靠泊浮箱是用來輔助船舶靠泊碼頭的浮式設施，它可以使通用碼頭泊位實現靠泊特殊外型船舶的功能[3- 4]，并有效地保護碼頭和船舶安全。從廣義上講，靠泊浮箱屬于躉船的一種，通常采用鋼質箱型結構，布設于固定碼頭和船舶之間，主要承受船舶的撞擊力和擠靠力等，因此需要具備一定的浮力和結構強度，并配備護舷等緩沖吸能裝置。理論上，波浪作用下船舶靠泊狀態是浮箱結構設計及護舷選型的控制工況[5- 6]。

良好的機動性是靠泊浮箱的一大特點。靠泊浮箱需要以拆卸方便的方式系泊于固定碼頭上，并應能滿足系泊強度要求。已有試驗表明，在波浪作用下，非船舶靠泊狀態時浮箱的系纜力要大于船舶靠泊狀態，即非船舶靠泊狀態是浮箱系泊系統設計的控制工況[6- 7]。

本文對波浪作用下靠泊浮箱在岸壁式碼頭上的系泊方案進行較為系統的試驗研究，重點是系纜方式、系泊線材質、緩沖吸能重錘等因素對系纜力和浮箱運動的影響。

1 浮箱及系泊方案

1.1 浮箱及碼頭資料

試驗研究采用的靠泊浮箱(見圖1)為長方體鋼制結構，尺寸為：40 m×14 m×3.0 m(長×寬×型深)，通過壓載使干舷高度調整為1.5 m，浮箱總質量為280 t。浮箱護舷采用4組H800拱型護舷，各組長度取2 500 m，間距為12.5 m。浮箱甲板設置4組系纜樁，用于系纜。碼頭為重力式結構，碼頭護舷規格同樣為H800型，等間距布置，與浮箱護舷處于同一軸線。碼頭岸壁上設置系環，用于系纜或鏈，其高度為水面以上3.5 m。碼頭前沿水深取-20 m，碼頭面高程為+7.0 m。

采用的波浪資料如下：考慮橫向浪，H1%=1.32 m，H4%=1.13 m ，H13%=0.9 m，T=7.17 s。

圖1 靠泊浮箱平面圖(不含系泊系統)(單位：m)

1.2 浮箱系泊方案

系泊方案有3種(見圖2)：四鏈緩沖方式、二鏈緩沖方式和二纜系泊方式。四鏈緩沖方式包括2條向岸鏈和2條向海鏈，其中向岸鏈角度55°，錨鏈長度25.0 m，水平投影24.2 m，錨鏈中間掛5 t金屬重錘，以起到緩沖吸能作用；向海鏈系船端控制水平牽引力30 kN，總長度55 m，懸鏈段水平投影長度45.4 m，長度52 m。錨鏈規格[8]：直徑為56 mm，每米長度重量為68.68 kg，拉力荷載(試驗負荷)為1 220 kN，拉斷荷載為1 710 kN。二鏈緩沖方式是在四鏈緩沖基礎上去掉向海鏈形成的，試驗中對2.5 t、5 t和10 t三種重錘重量情況進行了測試，以分析重錘對浮箱運動和錨鏈張力的影響。二纜系泊方式基本同二鏈緩沖方式，采用2根直徑為70 mm的尼龍纜，每根長度為25.0 m，其纜破斷力為784 kN，對應延伸率為21%，分析研究系泊線材質對系泊力和浮箱運動的影響。

圖2 系泊方案(尺寸單位：m)

2 模型試驗設計及實現

2.1 模型試驗設計

根據《波浪模型試驗規程》[9]規定：①波浪物理模型試驗宜采用正態模型；②對于有船舶模型置于其中的波浪整體物理模型試驗，模型長度比尺不應大于80；③波浪和水流的模擬應滿足重力相似準則；④波浪與浮式建筑物相互作用的建筑物的模型設計，除應滿足幾何相似外，尚應滿足慣性矩和自搖周期相似，其錨系結構尚應滿足長度、質量和彈性相似；⑤整體物理模型試驗的比尺選擇應根據試驗水池和建筑物結構的尺度、波浪等動力因素及試驗儀器測量精度確定，并應充分利用試驗條件，采用較小的模型比尺。根據以上原則，本次試驗采用正態模型，長度比尺確定為65。根據重力相似準則進行模型設計，即保證原型和模型兩個相似系統的Fr數相等。浮箱尺寸和重量、波浪波高和周期、運動和受力等參數均按上述準則進行設計計算。對橡膠護舷和纜繩等非剛性構件還滿足彈性相似。

2.2 模型制作

浮箱模型(見圖3)為剛性結構，采用玻璃鋼材料制作，保證外形幾何相似，并通過調整壓載保證浮箱模型的吃水、重心位置、慣量等參數與原型相似。碼頭護舷和浮箱護舷采用自研模型，保證其力學性能曲線相似。錨鏈采用金屬鏈和彈簧鋼片模擬，保證重量相似和彈性相似[10]。纜繩模型保證彈性相似，采用基本無彈性的細銅線與加尼龍線的彈簧鋼片組合體模擬[11]。

圖3 模型

2.3 試驗方法步驟

試驗在長42 m、寬20 m、深1.2 m的三維波浪水池中進行，水池一端配備固定式方向譜造波機。波浪測試采用DS-30型數據采集處理系統，護舷纜力測試采用專業船舶數據采集處理系統，包括拉力傳感器、護舷傳感器、護舷纜力采集儀和配套軟件。浮箱運動采用FL非接觸式六分量儀測試。上述儀器設備技術成熟，滿足試驗研究要求。

嚴格按規程進行模型試驗。首先進行依據波制作，采用單向不規則波，譜型選取改進JONSWAP譜[12]。然后布置安放模型和測試儀器，對3種方案依次進行波浪作用測試(見圖4)，同步采集浮箱運動和系泊力數據，其中系泊力采集向岸鏈(纜)力數據。每組試驗重復5～8次，取各特征值的多組平均值作為試驗結果，以保證試驗數據的可靠性。對采集的試驗數據進行處理，對位移參數提供最大和最小值，對力和能量參數提供最大值、有效值、平均值等特征值。

圖4 試驗方案實施

3 試驗數據分析及討論

3.1 試驗測試結果

試驗測試結果見表1和表2。

表1 試驗測試結果-浮箱運動量

注: 橫蕩以向碼頭方向為正，縱蕩以左向為正；升沉以下沉為正；橫搖以向碼頭側搖擺為正，縱搖以左端上搖為正；迴轉以平面內逆時針轉為正。

表2 試驗測試結果-系泊力

3.2 數據分析討論

對試驗數據進行分析，可看出：

1)四鏈緩沖方案，最大錨鏈張力1 950.6 kN，超過其拉斷荷載，且浮箱位移也較大。分析原因，浮箱大幅運動形成較大的運動速度和動量，以較大沖擊荷載的形式轉換為錨鏈張力。

2)二鏈緩沖方案較四鏈緩沖方案浮箱位移和錨鏈張力均有所增大。懸錘重量對浮箱位移和錨鏈張力影響顯著，隨著懸錘重量加大，浮箱位移量漸小，錨鏈張力明顯減小，錨鏈張力的沖擊荷載特性降低，錨鏈受力較均勻，見圖5。原因是重錘與錨鏈起到了較大的緩沖吸能作用。在10 t重錘下，最大錨鏈張力減小為694 kN，未超過錨鏈設計拉力，且浮箱的運動量最小，最大橫搖量約6.5°，最大橫蕩幅度僅0.46 m，浮箱穩性最好。對于有較高穩性要求的浮箱，例如物資或人員過駁浮箱，此種系泊方案較為理想。另外，此方案下，錨鏈系環和浮箱上的系纜樁均需承受較大荷載，系泊設施的設計和施放上有一定難度。

3)二纜系泊方案，其最大系纜力僅為204.3 kN，遠小于其容許破斷力784 kN，但浮箱位移量較大，以橫搖、橫蕩、回轉為代表，最大橫搖量約13°，最大橫蕩幅度達3.6 m，最大回轉量約6.3°。這歸因于尼龍纜具有較大的延伸率，可有效吸收浮箱運動能量，從而減小纜繩張力峰值。圖5也說明纜繩較錨鏈在減小系泊張力方面的優勢。對僅提供輔助靠泊功能的浮箱而言，二纜系泊是理想的系泊方案。

圖5 二鏈(纜)系泊方案系泊線張力歷時曲線對比(模型值)

4 結論

1)靠泊浮箱系泊方案的系泊方式、系泊線材質、緩沖吸能重錘等因素對系統系泊力和運動影響明顯。

2)對僅起輔助靠泊作用的浮箱而言，由于其系泊張力有明顯優勢，二纜系泊是理想的系泊方案。

3)由于具有較好的耐波性指標，對平穩度有較高要求的平臺浮箱，推薦采用懸掛一定重量重錘的二鏈緩沖系泊方案。本文基于一定的工程應用背景，為某工程靠泊浮箱系泊方案的確定提供科學依據并付諸實施，實際應用效果理想。本文重在說明系泊方案的優劣對比和選取，可以對其他類似浮式構筑物的系泊系統方案確定提供借鑒和參考，系泊系統具體設計參數則需要根據實際環境條件確定。

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