游艇碼頭浮箱橫穩(wěn)性計(jì)算的初步探討

蘇長南 劉鋒 廣東粵電陽江海上風(fēng)電有限公司

在游艇碼頭設(shè)計(jì)中，需要通過計(jì)算確定浮橋選用浮箱的規(guī)格和數(shù)量，同時(shí)需要對浮箱橫穩(wěn)性進(jìn)行驗(yàn)算。《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）給出了浮箱橫穩(wěn)性的計(jì)算方法，但未明確浮箱布置的具體計(jì)算方法及各參數(shù)的取值。本文以《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）為基礎(chǔ)，參考澳大利亞《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》（AS3962-2001），以某游艇碼頭工程計(jì)算為例，對浮箱的相關(guān)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1.某游艇碼頭浮橋概況

浮橋標(biāo)準(zhǔn)段平、立、斷面圖如圖1、2、3。

2.浮箱選用及布置

本工程選用浮箱及平面布置為浮碼頭常用型式，工程設(shè)計(jì)具有一定的代表性。

本工程標(biāo)準(zhǔn)浮箱尺寸為：長1400×寬850×高700mm。單個(gè)浮箱自重與箱體配重總重量為43kg。

每個(gè)浮橋單元長度為12 m，寬2m，根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》浮橋上均載為3kpa，橫向穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)折減系數(shù)0.5，因而取浮橋均載為1.5kpa。

浮橋自重包括浮橋鋼結(jié)構(gòu)框架、浮橋木方、鋁合金配件及水電管線材料等。其中浮橋鋼結(jié)構(gòu)框架采用20#a槽鋼，經(jīng)計(jì)算，單個(gè)浮橋鋼結(jié)構(gòu)框架總重930kg。浮橋木方、鋁合金配件和水電管線材料等材料根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般取鋼結(jié)構(gòu)框架重量的15%，即930×0.15=14。

圖1 浮橋標(biāo)準(zhǔn)段平面圖

圖2 浮橋標(biāo)準(zhǔn)段立面圖

本工程選用10個(gè)浮箱，總重為43×10=430kg。一個(gè)浮橋單元總重量折算為均載應(yīng)為：(930+430 +140)/(12×2)=0.625kpa。一個(gè)浮橋單元總重量為：

空載時(shí)浮箱干舷高度為：

滿載時(shí)浮箱干舷高度為：

圖3 浮橋標(biāo)準(zhǔn)段斷面圖

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014），自重條件下（空載），浮箱干舷高度宜取0.3m-0.6m，因此本工程浮箱干舷高度滿足要求。

3.浮箱橫穩(wěn)性計(jì)算

浮箱在外力的作用下偏離其平衡位置而傾斜，當(dāng)外力消失后，能自行回復(fù)到原來平衡位置的能力，稱為浮箱穩(wěn)性。或者說浮箱穩(wěn)性是浮箱在外力作用消失后保持其原有位置的能力。浮箱穩(wěn)性根據(jù)傾斜角度可分為小傾角穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性。小傾角穩(wěn)性（初穩(wěn)性）一般指傾斜角φ小于15°的穩(wěn)性，大傾角穩(wěn)性一般指傾斜角φ大于15°的穩(wěn)性。浮箱穩(wěn)性包括浮箱橫穩(wěn)性和浮箱縱穩(wěn)性。浮箱縱穩(wěn)性一般情況下都可以滿足，因此，本文只對浮箱橫穩(wěn)性進(jìn)行研究。浮箱橫穩(wěn)性一般情況下均屬于小傾角穩(wěn)性。小傾角穩(wěn)性理論認(rèn)為當(dāng)傾斜角φ小于15°時(shí)，tanφ=φ，通過這個(gè)假定，既可簡化計(jì)算，又能較明確獲得影響小傾角穩(wěn)性的各種因素之間的規(guī)律。以下計(jì)算均基于小傾角穩(wěn)性理論，只適用于傾斜角小于15°的情況。

圖4

3.1 浮箱橫向定傾中心高度計(jì)算

（1）浮箱橫向定傾中心高度應(yīng)按下列公式驗(yàn)算：

式中：

hmc-橫向定傾中心高度（m）；

hmb-浮力中心上的定傾高度（m）；1

h-浮箱在恒荷載和活荷載作用下的吃水（m）；g

h-從浮箱舭部到重心的高度（m）。

（2）浮箱在恒荷載和活荷載作用下的吃水應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：1h-浮箱在恒荷載和活荷載作用下的吃水（m）；1

V-浮箱在恒荷載和活荷載作用下的排水量（m3）；1

W-恒荷載和活荷載的總和（kN）；取為2.125×12×2=51kN

A-浮體在水面上的截面積（m2）；取為1.4×0.85×10=11.9

γ-水的重度（kN/m3）。取為10

（3）穩(wěn)心在浮心以上的高度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：

hmb-浮力中心上的定傾高度（m）；

I-浮箱水線面截面橫慣性矩（m4）；取為1

V-浮箱在恒荷載和活荷載作用下的排水量（m3）；

γ-水的重度（kN/m3）。取為10

W1-恒荷載和活荷載的總和（kN）；取為2.125×12×2=51kN

（4）從浮箱舭部到重心的高度可利用合力矩平衡求出。

經(jīng)計(jì)算：

3.2 浮箱干舷計(jì)算

（1）浮箱在偏心荷載作用下，干舷應(yīng)按下列公式驗(yàn)算：

式中：

hf-浮箱干舷（m）；

h-浮箱高度（m）；取為0.71

h-浮箱在恒荷載和活荷載作用下的吃水（m）；取為0.429

b-浮箱寬度（m）；同一斷面有兩個(gè)浮箱按整體考慮，取為1.8

φ-傾角（°）。

（2）橫傾角應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：

φ-傾角（°）。

M-作用力矩（kN.m）；由水平力作用在護(hù)舷上產(chǎn)生，作用點(diǎn)為護(hù)舷中部(對定傾中心求矩)，取為:24.19×(0.93-0.717-0.1645)=1.173kN.m1

W-恒荷載和活荷載的總和（kN）；取為2.16×12×2=51.84kN

hmc-橫向定傾中心高度（m）；取為0.1061

4.結(jié)論

通過對浮箱浮力、浮箱自重和浮橋均載的計(jì)算，以浮箱空載干舷高度為依據(jù)，確定了選用浮箱數(shù)量。

通過計(jì)算浮箱橫向定傾中心高度和浮箱干舷高度，復(fù)核了浮箱橫穩(wěn)性。并指出浮箱橫穩(wěn)性屬于小傾角穩(wěn)性，因此本文浮箱橫穩(wěn)性計(jì)算只適用于傾斜角φ小于15°的情況。