數(shù)字技術(shù)模擬異形沉箱壓載

結(jié)合赤道幾內(nèi)亞巴塔港工程的實(shí)際情況，為了保證沉箱的浮游穩(wěn)定沉，在拖離浮船塢前對沉箱進(jìn)行水壓載。規(guī)則沉箱采用對稱壓載方式簡便地計(jì)算出各個艙格壓載水的高度，以滿足沉箱在拖運(yùn)過程中的浮游穩(wěn)定，但是異形沉箱在計(jì)算上要相對復(fù)雜些，需通過多次累計(jì)計(jì)算才能準(zhǔn)確地算出各個艙格壓載水的高度。為了使異形沉箱在計(jì)算上簡便，結(jié)果上準(zhǔn)確，所以采用EXCEL與AUTOCAD軟件結(jié)合來完成異形沉箱壓載平衡水的計(jì)算。

概述

赤道幾內(nèi)亞巴塔港擴(kuò)改建工程中2萬噸雜貨碼頭和5萬噸通用碼頭均采用矩形沉箱的結(jié)構(gòu)形式。由于沉箱自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在拖運(yùn)過程中需要對箱內(nèi)艙格壓水來滿足其浮游穩(wěn)定。邱駒主編的《港工建筑物》對沉箱的浮游穩(wěn)定的計(jì)算有詳細(xì)的闡述，所以在本篇文章中就不再敘述。本工程沉箱的結(jié)構(gòu)形式，同樣可以參考書中的算例進(jìn)行驗(yàn)算。但是異形沉箱在計(jì)算中根據(jù)不平衡重力矩所推算的壓水量都要累計(jì)到下一個計(jì)算中去，稍有不慎就會造成計(jì)算錯誤，所以為了防止人為的計(jì)算出現(xiàn)錯誤，利用excel與AutoCAD結(jié)合來完成驗(yàn)算與校核，既簡單又省時，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性同時也得到了有效的保證。下面對5萬噸通用碼頭中的20#異形沉箱來計(jì)算說明。

數(shù)字化模擬

1、實(shí)體建模與參數(shù)查詢

如圖一所示，此沉箱除腳趾外均為對稱結(jié)構(gòu)。由于腳趾不對稱，所以沉箱重心不在沉箱的長度和寬度中心線上，即沉箱在同一高度壓載水時會存在傾斜現(xiàn)象。為了保證沉箱重心在長度和寬度中心線上，就要對沉箱進(jìn)行非對稱性的壓載。

首先，利用AutoCAD進(jìn)行實(shí)體建模，建?？蓞⒖加哨w文新和郭啟全主編的《AutoCAD 2002 三維繪圖教程》。如圖三所示，20#異形沉箱的實(shí)體圖形。

其次，對繪制完成的實(shí)體圖利用“視圖”和“旋轉(zhuǎn)”命令將沉箱在“俯視”情況下達(dá)到圖一的形式。這樣做是為了方便后面參數(shù)的選定。

在AutoCAD中利用“move”移動命令將圖中左下角移動到坐標(biāo)原點(diǎn)。移動到坐標(biāo)原點(diǎn)后利用“massprop”查詢命令將沉箱重心位置查詢出來，由此命令在界面上彈出的窗口得知沉箱體積V為：1462方；質(zhì)心（重心）位置：X: 13.3067，Y: 8.0315，Z: 7.5120。X為沉箱長度，Y為沉箱寬度，Z為沉箱高度。沉箱中心線位置X：13.325m，Y：8.00m，所以沉箱在X軸和Y軸上需要壓艙的方法來保證平衡。在AutoCAD中將5個艙格和4個艙格分別利用多段線連接各自的閉合區(qū)域，并利用“REGION”命令創(chuàng)建各自的面域，如圖四和圖五所示。

分別利用“move”移動命令將兩面域的任意角點(diǎn)移動坐標(biāo)原點(diǎn)，通過“massprop”查詢命令查出各自的質(zhì)心位置，并將各自移動將質(zhì)心與坐標(biāo)原點(diǎn)重合的位置。移動后再次利用“massprop”查詢命令，此時質(zhì)心位置為：X：0.000，Y：0.000，5艙格面域的慣性矩Ix: 662.6566，Iy: 1058.9848；4艙格面域的慣性矩為Ix:434.4496，Iy: 1014.2907。

2、軟件與表格的結(jié)合使用

由AutoCAD中直接查詢出來的沉箱在長度和寬度方向的中心位置與沉箱本身中線的位置不在同一平面位置，所以沉箱存在不平衡力矩?；炷恋闹囟圈庙?24.5KN，海水重度為γ水=10.25 KN沉箱在寬度方向的不平衡力矩My=1128KN·M。

以缺腳趾所對應(yīng)的為5艙格聯(lián)通為例，由圖四可以計(jì)算出5艙格面域的質(zhì)心到沉箱寬度中心線的距離為hy=2.85m，所以在excel中建立寬度方向的不平衡力矩公式，寬度方向的不平衡力矩在表中B14為“1128”，B16為反算公式“=10.25*(17.92*D12*5-0.2*0.2*0.5*15.4*5)*2.85”其中D12為聯(lián)通的5艙格壓水高度h壓，通過在D12表格中輸入發(fā)現(xiàn)當(dāng)h壓=0.4482m時，B14與B16中數(shù)值相等，即聯(lián)通5艙格需要壓載0.4482m深水才能保持沉箱在寬度方向的平衡。

當(dāng)聯(lián)通5艙格均壓載0.4482m水深時候能夠保持沉箱在寬度方向平衡，可以通過AutoCAD來對其驗(yàn)證。壓載水0.4482m，在AutoCAD中Z方向的告訴應(yīng)為沉箱底板厚度0.55m與0.4482m之和為0.9982m，而壓載水的重心高度為0.7741m，由于AutoCAD中沉箱的密度默認(rèn)為1，即把混凝土的重度視為10KN，所以0.4482m水轉(zhuǎn)換為AutoCAD默認(rèn)重度后應(yīng)為0.1875m高度，重心高度仍為0.7741m。在AutoCAD中利用“REGION”命令建立與艙格截面相同的面域，然后再用“extrude”命令創(chuàng)建高度為0.1875m的實(shí)體，然后將實(shí)體復(fù)制為5個，分別將其移動至重心高度為0.7741m的空間位置上。然后利用“union”命令將沉箱實(shí)體與5個壓載實(shí)體并集，并集后通過“massprop”進(jìn)行查詢，查詢后沉箱在寬度方向中為8.000m，沉箱在寬度方向已經(jīng)平衡，但是沉箱在長度方向的重心位置為13.3689m，且沉箱體積為1478方。

為了保持沉箱在長度方向的平衡，仍需要在長度方向?qū)ε摳襁M(jìn)行壓載。沉箱在長度方向的不平衡力矩Mx=1590KN·M。

此時為了不影響壓載對沉箱寬度上重心的位置，需要對圖一中的左半?yún)^(qū)9個艙格進(jìn)行壓載來平衡長度方向的不平衡力矩。9艙格的質(zhì)心距沉箱長度中心的距離為6.375m，同樣在excel中建立長度方向的不平衡力矩公式，與寬度方向的相似，就不再敘述，左半?yún)^(qū)9艙格需要壓載0.1622m深水才能保持沉箱在長度方向的平衡，此壓載水的重心高度為0.6311m，同樣建立面域，并拉伸0.0679m高度的實(shí)體，將實(shí)體復(fù)制9個，移動至相對應(yīng)的空間位置，然后將9個實(shí)體與沉箱實(shí)體并集，然后通過查詢得知沉箱在長度方向的重心為13.325m，與沉箱實(shí)際的長度中心吻合，寬度為8.000m與沉箱實(shí)際的寬度中心也吻合，此時沉箱已經(jīng)通過壓載達(dá)到平衡狀態(tài)。

結(jié)語

本文主要以AutoCAD軟件為基礎(chǔ)，通過實(shí)體建模達(dá)到計(jì)算所需的參數(shù)，再通過利用EXCEL強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，把精確的數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入AutoCAD軟件，來完成整個沉箱壓載平衡。

不僅僅異形沉箱的壓載平衡可以通過AutoCAD軟件和excel表格來完成，在對其它結(jié)構(gòu)的計(jì)算特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重心、體積、慣性矩等計(jì)算上既能省去了繁瑣的計(jì)算過程，又保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（作者單位：中交一航局第一工程有限公司）