躉船在波浪荷載作用下的受力分析

夏靜　余昂燁

摘 要 作用在躉船上的荷載主要有波浪力和水流力，一般情況下，水流力影響較小，波浪力影響較大。在假定躉船為靜止不動(dòng)狀態(tài)時(shí)，計(jì)算得出的波浪力非常大，與實(shí)際錨系布置不符，本文通過(guò)不同的方法計(jì)算波浪作用在躉船上的荷載，結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，選擇較為合理的計(jì)算方法，可供理論研究和工程設(shè)計(jì)參考應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 躉船 波浪荷載 錨系計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U661 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）10-0001-04

1 浮碼頭適用性

浙江沿海地區(qū)浮碼頭基本由躉船、躉船的錨系和支撐設(shè)施、活動(dòng)引橋組成。因躉船隨水位作垂直升降，作為碼頭面的躉船甲板面與水面的高差基本不變。在水位變化較大的區(qū)域，浮碼頭基本固定的干舷高度方便船舶的靠泊和人員的上下。此外浮碼頭造價(jià)較低，躉船及相應(yīng)設(shè)施拆裝便捷，施工對(duì)周邊環(huán)境影響較小，多應(yīng)用于漁業(yè)碼頭和客貨碼頭。但躉船受波浪影響較大，因此適用于河港或掩護(hù)條件較好的海港地區(qū)（見(jiàn)圖1）。

2 浮躉船受力分析

作用在躉船上的荷載主要有波浪力和水流力，由于躉船干舷高度低，受風(fēng)面積小，因此躉船受風(fēng)荷載極小，基本可忽略不計(jì)。作用在躉船上的水流力計(jì)算可參考作用于船舶上的水流力計(jì)算。由于浮碼頭應(yīng)盡量避免受橫流、斜向流或渦流的作用，一般浮碼頭前沿線(xiàn)布置與流向基本一致。當(dāng)流向與躉船前沿線(xiàn)方向一致時(shí)，水流作用面積為As=BT，B和T分別為躉船的寬度和吃水。躉船寬度相比長(zhǎng)度較小，而且吃水也不大，因此在一般的水流條件作用下，受水流力影響不大。且水流力計(jì)算可參考《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）“附錄F 作用于船舶上的水流力”，其計(jì)算較為明確，不存在爭(zhēng)議。[1]

而波浪力為周期性作用，其作用在躉船上的力目前沒(méi)有明確的公式進(jìn)行計(jì)算，若將躉船看成是固定的結(jié)構(gòu)，波浪橫向作用于躉船時(shí)，躉船將引起波浪的局部反射，躉船正面的干涉波高Hd既大于原始波高H，又小于波浪遇直立墻發(fā)生完全反射時(shí)的立波波高2H，因此需先計(jì)算躉船吃水T范圍內(nèi)的局部反射波高Hr：

再將躉船視作直立墻繪制波壓力圖形（見(jiàn)圖2），計(jì)算陰影范圍內(nèi)的波浪總力。

當(dāng)波浪斜向作用于躉船時(shí)，可按修正系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正，修正公式為Kp=（1+COS0.5θ）/2。

但上述計(jì)算是基于躉船為靜止不動(dòng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算的。本文根據(jù)有關(guān)部門(mén)的模型試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)躉船錨系的動(dòng)力計(jì)算進(jìn)行分析，從而對(duì)比兩者之間的不同。[2]

3 工程實(shí)例分析

3.1 平面布置

浮碼頭位于浙江省舟山地區(qū)，碼頭前沿線(xiàn)位于-13m等深線(xiàn)。由兩座50×12m的躉船組成，躉船與躉船之間采用鋼過(guò)橋相連，內(nèi)外錨與躉船前沿線(xiàn)夾角30°。

3.2 計(jì)算水位

設(shè)計(jì)高水位：2.00m（高潮累計(jì)頻率10%）。

3.3 設(shè)計(jì)波浪

H1%=1.65m，L=60m，T=7m，波浪與躉船夾角45°。

3.4 設(shè)計(jì)風(fēng)速

9級(jí)風(fēng)（V=24.4m/s）。

3.5 設(shè)計(jì)流速

V=1.2m/s。

4 錨鏈?zhǔn)芰τ?jì)算

4.1 風(fēng)和流的作用力計(jì)算

當(dāng)風(fēng)、流與躉船前沿線(xiàn)方向一致時(shí)，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）“附錄E 作用在船舶上的風(fēng)荷載”“附錄F作用在船舶上的水流力”，風(fēng)和流共同作用下的合力為Fy=11.02kN，方向?yàn)榕c躉船前沿方向一致。可見(jiàn)風(fēng)、流對(duì)躉船影響相對(duì)較小。

4.2 波浪力計(jì)算

4.2.1 假設(shè)躉船靜止不動(dòng)

當(dāng)H1%=1.65m橫向作用于躉船時(shí)，經(jīng)計(jì)算，躉船干涉波高為Hd=2.66m，令Hd=2H'，即H'=1.33m，把干涉波看成由假想的進(jìn)行波（H'=1.33m）完全反射形成的立波，于是經(jīng)計(jì)算后，位于水深15m處的壓力強(qiáng)度Pd=5.4kPa;靜水面處的壓力強(qiáng)度P0=13.9kPa;壓力為0的位置位于靜水面以上1.43m。

根據(jù)上述壓強(qiáng)分布，計(jì)算在躉船型深范圍內(nèi)，躉船單寬受到的波浪力為27.3kN/m。當(dāng)波浪45°作用于躉船時(shí)，應(yīng)乘以修正系數(shù)Kp。

Kp=（1+COS0.5θ）/2=0.92。修正后，躉船單寬受到的波浪力為25.1kN/m。

整個(gè)躉船受到的波浪力為：

25.1×（50×sin30°+12×sin60°）=889kN

躉船橫向分力Fx由鋼撐桿承擔(dān)，錨鏈主要承擔(dān)沿躉船方向的分力Fy，F(xiàn)y=889×sin60°=770kN。

風(fēng)作用在躉船上的力Fyw=3.5kN;流作用在躉船上的力Fyc=7.5kN，沿躉船前沿方向的合力Fy=781kN。

因此每根錨鏈的水平拉力為，錨鏈導(dǎo)鏈孔處拉力為F=454kN。

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018），附錄U 錨鏈及錨的計(jì)算，在錨抓力系數(shù)η=2.2的情況下，根據(jù)G≥100T/η，錨重可達(dá)20t，但實(shí)際上，海港躉船所用錨重一般為5t左右。[3]

有上述計(jì)算可知，在假設(shè)躉船靜止不動(dòng)的情況下，躉船受波浪力較大，錨的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)海港躉船實(shí)際錨重，因此上述計(jì)算嚴(yán)重偏離實(shí)際情況，存在較大誤差。

4.2.2 模型試驗(yàn)

波浪是周期性作用的荷載，由于躉船慣性力的影響，若用靜力計(jì)算存在較大誤差。基于以上情況，國(guó)內(nèi)研究部門(mén)進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)中躉船的船長(zhǎng)30m、船寬6m、型深2.5m、吃水1.2m。每?jī)晒?jié)躉船以副鏈相連組成一個(gè)碼頭，內(nèi)外錨鏈與碼頭線(xiàn)成30°的夾角交叉布置。通過(guò)采用不同水深、不同波高、不同波陡進(jìn)行試驗(yàn)（見(jiàn)圖3）。

斜向波作用于下，受力錨鏈可以1、2號(hào)鏈為代表，錨鏈拉力受波長(zhǎng)影響較大。1、2號(hào)錨鏈相應(yīng)的平均拉力可在圖4和圖5上查得，最大拉力可近似取值為F=1.4F。

通過(guò)《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得：1號(hào)鏈平均拉力F1=27.6kN;2號(hào)鏈平均拉力F2=38.2kN。

因此最大拉力F=1.4×38.2=53.4kN。

上述經(jīng)驗(yàn)公式的局限性主要在于只有一種躉船尺寸（30×6m），而浙江沿海港口目前所用躉船主要尺寸為50×12m，因此在波浪45°作用下，根據(jù)垂直投影面積來(lái)進(jìn)行換算。

由動(dòng)力計(jì)算得出的錨鏈拉力僅為92kN，考慮風(fēng)和流的作用，錨鏈拉力取100kN，在錨抓力系數(shù)η=2.2的情況下，根據(jù)G≥100T/η，錨重為4.55t，如表1所示。

相較于靜力計(jì)算得到的錨鏈拉力，通過(guò)模型試驗(yàn)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果大幅減小，且通過(guò)模型計(jì)算得出的錨重為4.55t。根據(jù)浙江舟山地區(qū)浮碼頭使用經(jīng)驗(yàn)，5t錨一般可滿(mǎn)足使用要求，因此動(dòng)力計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際比較吻合。[4]

5 結(jié)語(yǔ)

波浪作用較為復(fù)雜，若是單純將躉船視為靜止不動(dòng)的結(jié)構(gòu)，則計(jì)算結(jié)果會(huì)很大，而通過(guò)模型試驗(yàn)計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際使用情況較為接近。但目前模型試驗(yàn)局限性也較大，不能很好地代表其他不同尺寸的躉船的實(shí)際受力情況，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來(lái)確定。

波浪是浙江沿海地區(qū)躉船所受的主要控制性荷載，為了減小波浪對(duì)躉船的影響，應(yīng)將碼頭建設(shè)在波浪掩護(hù)條件較好的區(qū)域，同時(shí)應(yīng)盡量避免側(cè)向波浪。浙江是受臺(tái)風(fēng)影響較大的區(qū)域，躉船在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮臺(tái)風(fēng)的影響，做好相應(yīng)抗臺(tái)設(shè)施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 交通運(yùn)輸部.港口工程荷載規(guī)范（JTS144-1-2010）[S].2010.

[2] 交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院編.港口工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3] 俞聿修.斜向和多向不規(guī)則波作用于直墻堤上的波浪荷載[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2011.

[4] 李本霞.多向隨機(jī)波作用在直立堤上的波浪力[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2004.