靠泊浮箱系泊方案試驗(yàn)

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(海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100070)

浮箱是一種應(yīng)用廣泛的浮渡器材，在水運(yùn)交通中發(fā)揮著重要作用[1- 2]?？坎锤∠涫怯脕?lái)輔助船舶靠泊碼頭的浮式設(shè)施，它可以使通用碼頭泊位實(shí)現(xiàn)靠泊特殊外型船舶的功能[3- 4]，并有效地保護(hù)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(zhì)箱型結(jié)構(gòu)，布設(shè)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并配備護(hù)舷等緩沖吸能裝置。理論上，波浪作用下船舶靠泊狀態(tài)是浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及護(hù)舷選型的控制工況[5- 6]。

良好的機(jī)動(dòng)性是靠泊浮箱的一大特點(diǎn)?？坎锤∠湫枰圆鹦斗奖愕姆绞较挡从诠潭ùa頭上，并應(yīng)能滿足系泊強(qiáng)度要求。已有試驗(yàn)表明，在波浪作用下，非船舶靠泊狀態(tài)時(shí)浮箱的系纜力要大于船舶靠泊狀態(tài)，即非船舶靠泊狀態(tài)是浮箱系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制工況[6- 7]。

本文對(duì)波浪作用下靠泊浮箱在岸壁式碼頭上的系泊方案進(jìn)行較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，重點(diǎn)是系纜方式、系泊線材質(zhì)、緩沖吸能重錘等因素對(duì)系纜力和浮箱運(yùn)動(dòng)的影響。

1 浮箱及系泊方案

1.1 浮箱及碼頭資料

試驗(yàn)研究采用的靠泊浮箱(見(jiàn)圖1)為長(zhǎng)方體鋼制結(jié)構(gòu)，尺寸為：40 m×14 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬×型深)，通過(guò)壓載使干舷高度調(diào)整為1.5 m，浮箱總質(zhì)量為280 t。浮箱護(hù)舷采用4組H800拱型護(hù)舷，各組長(zhǎng)度取2 500 m，間距為12.5 m。浮箱甲板設(shè)置4組系纜樁，用于系纜。碼頭為重力式結(jié)構(gòu)，碼頭護(hù)舷規(guī)格同樣為H800型，等間距布置，與浮箱護(hù)舷處于同一軸線。碼頭岸壁上設(shè)置系環(huán)，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(tǒng))(單位：m)

1.2 浮箱系泊方案

系泊方案有3種(見(jiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)度55 m，懸鏈段水平投影長(zhǎng)度45.4 m，長(zhǎng)度52 m。錨鏈規(guī)格[8]：直徑為56 mm，每米長(zhǎng)度重量為68.68 kg，拉力荷載(試驗(yàn)負(fù)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(chǔ)上去掉向海鏈形成的，試驗(yàn)中對(duì)2.5 t、5 t和10 t三種重錘重量情況進(jìn)行了測(cè)試，以分析重錘對(duì)浮箱運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度為25.0 m，其纜破斷力為784 kN，對(duì)應(yīng)延伸率為21%，分析研究系泊線材質(zhì)對(duì)系泊力和浮箱運(yùn)動(dòng)的影響。

圖2 系泊方案(尺寸單位：m)

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[9]規(guī)定：①波浪物理模型試驗(yàn)宜采用正態(tài)模型；②對(duì)于有船舶模型置于其中的波浪整體物理模型試驗(yàn)，模型長(zhǎng)度比尺不應(yīng)大于80；③波浪和水流的模擬應(yīng)滿足重力相似準(zhǔn)則；④波浪與浮式建筑物相互作用的建筑物的模型設(shè)計(jì)，除應(yīng)滿足幾何相似外，尚應(yīng)滿足慣性矩和自搖周期相似，其錨系結(jié)構(gòu)尚應(yīng)滿足長(zhǎng)度、質(zhì)量和彈性相似；⑤整體物理模型試驗(yàn)的比尺選擇應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)水池和建筑物結(jié)構(gòu)的尺度、波浪等動(dòng)力因素及試驗(yàn)儀器測(cè)量精度確定，并應(yīng)充分利用試驗(yàn)條件，采用較小的模型比尺。根據(jù)以上原則，本次試驗(yàn)采用正態(tài)模型，長(zhǎng)度比尺確定為65。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，即保證原型和模型兩個(gè)相似系統(tǒng)的Fr數(shù)相等。浮箱尺寸和重量、波浪波高和周期、運(yùn)動(dòng)和受力等參數(shù)均按上述準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)橡膠護(hù)舷和纜繩等非剛性構(gòu)件還滿足彈性相似。

2.2 模型制作

浮箱模型(見(jiàn)圖3)為剛性結(jié)構(gòu)，采用玻璃鋼材料制作，保證外形幾何相似，并通過(guò)調(diào)整壓載保證浮箱模型的吃水、重心位置、慣量等參數(shù)與原型相似。碼頭護(hù)舷和浮箱護(hù)舷采用自研模型，保證其力學(xué)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(wú)彈性的細(xì)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(yàn)方法步驟

試驗(yàn)在長(zhǎng)42 m、寬20 m、深1.2 m的三維波浪水池中進(jìn)行，水池一端配備固定式方向譜造波機(jī)。波浪測(cè)試采用DS-30型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，護(hù)舷纜力測(cè)試采用專業(yè)船舶數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，包括拉力傳感器、護(hù)舷傳感器、護(hù)舷纜力采集儀和配套軟件。浮箱運(yùn)動(dòng)采用FL非接觸式六分量?jī)x測(cè)試。上述儀器設(shè)備技術(shù)成熟，滿足試驗(yàn)研究要求。

嚴(yán)格按規(guī)程進(jìn)行模型試驗(yàn)。首先進(jìn)行依據(jù)波制作，采用單向不規(guī)則波，譜型選取改進(jìn)JONSWAP譜[12]。然后布置安放模型和測(cè)試儀器，對(duì)3種方案依次進(jìn)行波浪作用測(cè)試(見(jiàn)圖4)，同步采集浮箱運(yùn)動(dòng)和系泊力數(shù)據(jù)，其中系泊力采集向岸鏈(纜)力數(shù)據(jù)。每組試驗(yàn)重復(fù)5～8次，取各特征值的多組平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)位移參數(shù)提供最大和最小值，對(duì)力和能量參數(shù)提供最大值、有效值、平均值等特征值。

圖4 試驗(yàn)方案實(shí)施

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及討論

3.1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果-浮箱運(yùn)動(dòng)量

注: 橫蕩以向碼頭方向?yàn)檎?，縱蕩以左向?yàn)檎?；升沉以下沉為正；橫搖以向碼頭側(cè)搖擺為正，縱搖以左端上搖為正；迴轉(zhuǎn)以平面內(nèi)逆時(shí)針轉(zhuǎn)為正。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果-系泊力

3.2 數(shù)據(jù)分析討論

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)其拉斷荷載，且浮箱位移也較大。分析原因，浮箱大幅運(yùn)動(dòng)形成較大的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)量，以較大沖擊荷載的形式轉(zhuǎn)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(duì)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?zhǔn)芰^均勻，見(jiàn)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(guò)錨鏈設(shè)計(jì)拉力，且浮箱的運(yùn)動(dòng)量最小，最大橫搖量約6.5°，最大橫蕩幅度僅0.46 m，浮箱穩(wěn)性最好。對(duì)于有較高穩(wěn)性要求的浮箱，例如物資或人員過(guò)駁浮箱，此種系泊方案較為理想。另外，此方案下，錨鏈系環(huán)和浮箱上的系纜樁均需承受較大荷載，系泊設(shè)施的設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(zhuǎn)為代表，最大橫搖量約13°，最大橫蕩幅度達(dá)3.6 m，最大回轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)能量，從而減小纜繩張力峰值。圖5也說(shuō)明纜繩較錨鏈在減小系泊張力方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)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(shí)曲線對(duì)比(模型值)

4 結(jié)論

1)靠泊浮箱系泊方案的系泊方式、系泊線材質(zhì)、緩沖吸能重錘等因素對(duì)系統(tǒng)系泊力和運(yùn)動(dòng)影響明顯。

2)對(duì)僅起輔助靠泊作用的浮箱而言，由于其系泊張力有明顯優(yōu)勢(shì)，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(biāo)，對(duì)平穩(wěn)度有較高要求的平臺(tái)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(yīng)用背景，為某工程靠泊浮箱系泊方案的確定提供科學(xué)依據(jù)并付諸實(shí)施，實(shí)際應(yīng)用效果理想。本文重在說(shuō)明系泊方案的優(yōu)劣對(duì)比和選取，可以對(duì)其他類似浮式構(gòu)筑物的系泊系統(tǒng)方案確定提供借鑒和參考，系泊系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)則需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件確定。

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