近岸施工防污屏力學(xué)性能安全性分析方法研究

張火明,丁正旺,陸萍藍(lán),管衛(wèi)兵

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,浙江 杭州 310018;3.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012)

防污屏是一種防止懸浮物污染擴(kuò)散的裝置,如圖1所示,能有效地將施工限定水域同外界隔離開(kāi)來(lái),從而防止渾濁水和懸浮物大面積的擴(kuò)散。因此,該裝置對(duì)海港清淤、圍海造地,及對(duì)河道、湖泊、海洋環(huán)境有較好的保護(hù)作用。隨著防污染物擴(kuò)散技術(shù)的發(fā)展,以近岸防污屏為代表的施工技術(shù)逐步進(jìn)入工程領(lǐng)域,如今已在國(guó)內(nèi)工程開(kāi)始應(yīng)用。我國(guó)防污屏施工技術(shù)從無(wú)到有,規(guī)模逐步擴(kuò)大,市場(chǎng)前景較為廣泛。但目前我國(guó)的防污屏設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及施工技術(shù)與國(guó)外相比差距較大[1-2]。

圖1 近岸施工防污屏示意圖Figure 1 Schematic diagram of anti-fouling screen for offshore construction

對(duì)于防污屏的布置而言,主要考慮其在流場(chǎng)中的受力狀態(tài),防污屏的受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡體系,不能采用常規(guī)的靜力分析方法求解,但是可以通過(guò)一定條件下的假定和簡(jiǎn)化,建立分析模型。對(duì)于防污屏的分析,國(guó)內(nèi)外不同專家給出了相應(yīng)的理解。在暴露于水流的過(guò)程中施加在淤泥幕結(jié)構(gòu)上的載荷通常會(huì)由于相反的錨固、浮力和水流力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形[3]。Rios-Soberanis等[4]研究涉及土工織物必須承受的力學(xué)行為和耐久性考慮,以便用作海岸侵蝕和海灘恢復(fù)的土工物。王群和肖振彪[5]通過(guò)防污屏的荷載及其作用效應(yīng)分析,利用約束方程對(duì)防污屏受力體系進(jìn)行求解。孫峙華[6]首次將一種基于集中質(zhì)量法的力學(xué)模型用于分析計(jì)算軟體排沉排受力和構(gòu)型。張益智[7]在靜水中沉排時(shí)軟體排受力基礎(chǔ)上建立動(dòng)水中軟體排計(jì)算有限模型,并通過(guò)具體算例得出動(dòng)水中軟體排拉力變化的一些規(guī)律。龍嘯云等[8]指出在土工布中,有大量的高模高強(qiáng)聚乙烯醇纖維存在,其線密度較小,使得相互之間纏結(jié)緊密,從而提高了土工布的力學(xué)性能。尉霞[9]以丙綸長(zhǎng)絲為原料,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),分別測(cè)試各織物拉伸、撕裂、頂破等力學(xué)性能,通過(guò)方差分析,分別建立了機(jī)織土工布結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型。肖朝昀[10]采用大尺寸直剪儀,研究填埋場(chǎng)復(fù)合襯墊系統(tǒng)中,HDPE光面和糙面土工膜,在干燥、潮濕狀態(tài)下與無(wú)紡?fù)凉げ冀缑婕羟行阅堋⒙仿返萚11]對(duì)某高速公路建設(shè)中使用的短纖針刺土工布進(jìn)行了拉伸性能試驗(yàn)。研究了不同含水率以及不同溫度條件下短纖針刺土工布的拉伸性能。

在以往的防污屏研究中,多數(shù)研究?jī)H針對(duì)防污屏自身性能問(wèn)題的計(jì)算或研究,對(duì)防污屏在多變環(huán)境下的力學(xué)性能研究較少。防污屏全環(huán)境的試驗(yàn)由于費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等諸多因素的限制,因此該類工程設(shè)備的設(shè)計(jì)及評(píng)估更加需要計(jì)算模型來(lái)減少物理實(shí)驗(yàn)的成本。本文著眼于防污屏具體工作環(huán)境,結(jié)合防污屏結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)共聚物型PP材料防污屏,采用等效模型分析方法,對(duì)其力學(xué)性能及其安全性進(jìn)行分析。

1 理論基礎(chǔ)

防污屏物理模型如圖2所示,參考其物理模型建立分析所需要的等效分析模型。防污屏整體結(jié)構(gòu)主要由上部浮體、阻擋泥沙的土工加強(qiáng)布、錨固點(diǎn)以及起定位作用的系鏈構(gòu)成。由于防污屏的自身透水性能良好等特性,其整體模型類似于多點(diǎn)系泊系統(tǒng),故采用多點(diǎn)系泊的方式模擬防污屏下部屏體,對(duì)上端浮體而言,其作用類似于多根系泊纜,故采用雙根系纜來(lái)模擬防污屏屏體,基于懸鏈線理論對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解,建立等效分析模型如下圖3所示。

圖2 防污屏物理模型Figure 2 Physical model of anti-fouling screen

圖3 等效分析模型Figure 3 Equivalent analysis model

懸鏈線方程是一個(gè)雙曲余弦函數(shù)(見(jiàn)圖4),其通用的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

圖4 函數(shù)模型Figure 4 Function model

(1)

其中α為懸鏈系數(shù)

防污屏上部浮體在風(fēng)浪上的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)攝動(dòng)分析后,可以分成一階微幅運(yùn)動(dòng)和二階低頻大幅運(yùn)動(dòng),即浮體的運(yùn)動(dòng)為高頻和低頻運(yùn)動(dòng)的迭加,并且兩者互不干擾。低頻運(yùn)動(dòng)指大幅的慢漂振蕩運(yùn)動(dòng),高頻運(yùn)動(dòng)被看作是在低頻運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上作的微幅振動(dòng),即高頻運(yùn)動(dòng)的平均位置為低頻的運(yùn)動(dòng)位置。因此時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程在求解時(shí)分為低頻和高頻兩個(gè)部分來(lái)求解。

基于線性流體動(dòng)力理論的波頻時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程可寫(xiě)為:

(2)

(3)

式(3)中,λij(ω)是頻域里的阻尼系數(shù)矩陣。若已知整個(gè)頻率范圍內(nèi)的物體搖蕩的阻尼系數(shù)λij(ω),則可按照下式

(4)

當(dāng)結(jié)構(gòu)處于低頻部分的運(yùn)動(dòng)方程為:

(5)

縱蕩方向的波浪慢漂阻尼系數(shù)可以用下式來(lái)計(jì)算:

(6)

(7)

式(6)中:βw為相對(duì)波浪方向角(°),180°為頂浪;ω0為波浪頻率(rad/s);

上述公式(7)是基于波浪頻率ω0的。在計(jì)算時(shí),輸入波浪一般基于遭遇頻率ωe。這意味著當(dāng)采用同樣的波浪譜時(shí)(基于遭遇頻率),流速改變將導(dǎo)致不同的波浪頻率ω0,因此波浪漂移阻尼系數(shù)值bwdd(βw)也會(huì)不同。

2 模型建立

浮體總質(zhì)量包括浮體自身質(zhì)量與其上層所裹PVC布質(zhì)量,19.5 m長(zhǎng)的浮體由12個(gè)1.2 m長(zhǎng)的浮筒組成,每個(gè)浮筒質(zhì)量為1.6 kg,PVC布密度為1 250 g/m3,包裹布的質(zhì)量為圓柱體表面積與單位面積PVC涂層布重量的乘積,因此可以計(jì)算得到浮體總質(zhì)量為46 kg。

表1 防污屏上部浮體參數(shù)Table 1 Parameters of the upper floating body of the anti-fouling screen

表2 系鏈參數(shù)Table 2 Tether parameters

3 仿真分析

本節(jié)基于三維勢(shì)流理論的水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA分別進(jìn)行了分析,AQWA主要用于計(jì)算各種浮式平臺(tái)的水動(dòng)力性能及相關(guān)運(yùn)動(dòng)分析,應(yīng)用范圍非常廣泛,可以用于系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析、船舶的耐波性分析、系泊纜與結(jié)構(gòu)間的耦合作用分析等,除此之外,AQWA擁有多個(gè)計(jì)算模塊,包括LINE、LIBRIUM、FER、DRIFT、NAUT、AGS、WAVE等。

以19.5 m長(zhǎng)度的物理模型為基礎(chǔ)建立分析所需要的仿真模型,基本參數(shù)如上表3中所列,采用系纜模擬防污屏下部屏體,其直徑、長(zhǎng)度以及剛度如下表4所示,位置位于浮體中間段處。模型所處環(huán)境參數(shù)表5中所列,選取風(fēng)速為42 m/s,波浪譜選擇JONSWAP譜百年一遇海況,且風(fēng)浪流方向均為90°方向(垂直浮體方向,取為最危險(xiǎn)方向)。

表3 材料彈性模量與泊松比Table 3 Material elastic modulus and Poisson's ratio

表4 等效防污屏下部屏體參數(shù)Table 4 Parameters of the lower screen of the equivalent anti-fouling screen

表5 環(huán)境參數(shù)Table 5 Environmental parameters

利用ANSYS建立的仿真模型如圖5所示,圖中綠色大箭頭表示風(fēng)方向,藍(lán)色小箭頭表示波浪方向。在考慮風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用,選取桐鄉(xiāng)某公司在香港機(jī)場(chǎng)施工中布設(shè)的防污屏為例,對(duì)整個(gè)防污屏系統(tǒng)進(jìn)行耦合動(dòng)力分析。

圖5 仿真分析模型Figure 5 Simulation analysis model

建立模型后,ANSYS對(duì)系泊纜自動(dòng)分段,默認(rèn)100個(gè)分段,時(shí)間間隔0.001 s,單次計(jì)算約消耗4～5 h。由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間限制,模擬100 s時(shí)間內(nèi)模型的響應(yīng)結(jié)果,求得計(jì)算結(jié)果如圖6～9所示,其中圖6、圖7為浮體位移曲線,從圖中可以看出浮體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移在可控范圍內(nèi),并未隨波漂流移動(dòng)較遠(yuǎn)距離。圖8和圖9分別為結(jié)構(gòu)速度和加速度曲線,可以看出在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)極值現(xiàn)象,但結(jié)合整體來(lái)看,結(jié)構(gòu)整體安全可靠,同時(shí)在實(shí)際工程中更多關(guān)注其位移程度。

圖6 上部浮體結(jié)構(gòu)在X、Z方向的位移曲線Figure 6 Displacement curves of the upper floating structure in X and Z directions

圖7 上部浮體結(jié)構(gòu)在Y方向的位移曲線Figure 7 Displacement curve of the upper floating structure in the Y direction

圖8 上部浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度曲線Figure 8 Movement speed curve of the upper floating structure

圖9 上部浮體結(jié)構(gòu)加速度曲線 Figure 9 Acceleration curve of the upper floating structure

圖10為等效模擬防污屏的張力曲線,圖11為結(jié)構(gòu)系鏈張力曲線圖,從圖中觀察得到,防污屏100 s內(nèi)最大張力為2.4×104N,系鏈100 s內(nèi)最大張力為5.6×104N。已知防污屏材料的張力強(qiáng)度為27.6 N/mm2,等效模擬防污屏的截面約為0.04 m2,得到此等效模擬防污屏的張力強(qiáng)度為74 t,根據(jù)上述計(jì)算,防污屏屏體在100 s內(nèi)的最大張力約為2.4 t,可知此防污屏結(jié)構(gòu)在此環(huán)境中不會(huì)發(fā)生破斷,處于安全狀態(tài)。

圖10 等效防污屏屏體張力曲線Figure 10 Tension curve of equivalent anti-fouling screen body

圖11 結(jié)構(gòu)固定系纜張力曲線Figure 11 Tension curve of the fixed tether

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從便于實(shí)際可靠性計(jì)算的角度出發(fā),對(duì)防污屏受力狀態(tài)進(jìn)行討論,提出了新的防污屏等效分析模型,通過(guò)研究防污屏等效模型,并借助ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。采用實(shí)際工程應(yīng)用的防污屏參數(shù)以及其所處的工況環(huán)境參數(shù),得到了防污屏上部浮體位移、速度、加速度等參數(shù)曲線,及等效防污屏張力、結(jié)構(gòu)系纜張力曲線。發(fā)現(xiàn)在給定環(huán)境中該類型防污屏是安全可靠的。因此,建立等效模型是非常關(guān)鍵實(shí)用的方式,對(duì)實(shí)際工程中既要保證防污屏結(jié)構(gòu)的可靠性,又要兼顧經(jīng)濟(jì)性、工程時(shí)間效率,該方法有很高的推廣借鑒意義。