長江中下游地區(qū)古代坡面禮船舶定位系統(tǒng)選擇

長江中下游地區(qū)古代坡面禮船舶定位系統(tǒng)選擇

1回采回船的布置通常，紀(jì)念船用錨或電纜連接到海岸或特定水域，可用于住宿、碼頭裝卸、水上儲存、加油等服務(wù)。躉船停泊在指定水域時,會受到各種力的作用。為了保持躉船的船位,必須采用躉船系留措施。系留措施的采用應(yīng)根據(jù)碼頭水流情況、水底土質(zhì)狀況、洪水位與枯水位水位差、靠泊船的種類與噸位、躉船允許位移量以及航道情況進行配置。躉船最常見的定位方式為錨鏈系統(tǒng),在躉船的首尾各配3只錨(中間為主錨),呈交叉布置,這樣可充分利用躉船寬度,減少錨鏈及錨伸出船寬的距離;如果存在上下游水流速度差時,可在水流速大的船端多設(shè)1只錨,如圖1(1)、(2)所示。躉船遇到水位差較大或錨鏈鏈徑較大情況時還應(yīng)設(shè)置電動絞鏈設(shè)施,以調(diào)整水中錨鏈的松緊程度。如果靠泊船舶較大且不允許躉船有較大位移或不允許拋外錨的河港碼頭,可采用撐桿系統(tǒng)系留躉船。撐桿系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置撐桿和撐桿墩。撐桿宜布置在躉船兩端部5～10m范圍內(nèi),如圖1(3)、(4)所示。如果由于水域限界或水底土質(zhì)等原因不允許拋錨,或靠泊船舶較大而躉船不允許有較大位移時,可采用定位墩系留躉船。定位墩布置于躉船內(nèi)側(cè)端,也可布置于躉船首尾結(jié)構(gòu)內(nèi),見圖1(5)、(6)。2慢行系統(tǒng)錨泊系統(tǒng)最優(yōu)布置影響躉船載荷的因素很多,包括:風(fēng)的作用力、水流的作用力、波浪的作用力、靠泊船的擠靠力、靠泊船的撞擊力以及其他力。其他力指在特定情況下,流冰、碼頭設(shè)備等對躉船產(chǎn)生的偶然性作用力。在躉船的設(shè)計過程中,由于躉船所受的外力難以確定,在錨泊設(shè)備的配備、撐桿系統(tǒng)的配備以及定位墩系統(tǒng)的配備設(shè)計上存在著相當(dāng)?shù)拿つ啃?一般都是根據(jù)以往設(shè)計建造的躉船的配備使用情況,憑借經(jīng)驗來選配。本文在分析躉船所受各種力的基礎(chǔ)上,推薦出各種受力的計算公式,并綜合匯總,最終為設(shè)計人員進行定位系統(tǒng)和系留設(shè)備的設(shè)計提供重要參考。推薦各計算公式的主要依據(jù)有:“港口工程荷載規(guī)范”(JTJ215-98,簡稱“港規(guī)”)、“海港工程設(shè)計手冊”(簡稱“海工手冊”)、“港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”(JTJ215-98)、“斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計與施工規(guī)范”(JTJ294-98)、“碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范”(JTJ297-2001)。2.1風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)作用于躉船上的橫向風(fēng)力和縱向風(fēng)力的計算公式為:Fxw=73.6×10-5AxwV2xx2ζFyw=49.0×10-5AywV2yy2ζ式中:Fxw、Fyw分別為作用于躉船上的橫向和縱向風(fēng)力,kN;Axw、Ayw分別為水線以上躉船的橫向和縱向受風(fēng)面積,m2;Vx、Vy分別為設(shè)計風(fēng)速的橫向和縱向分量,m/s;ζ為風(fēng)壓不均勻折減系數(shù),風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)ζ可按表1插值確定。風(fēng)壓力計算一般是取離地面10m處平均最大風(fēng)速進行計算的。計算高層建筑物的風(fēng)力時,還應(yīng)考慮風(fēng)壓增大系數(shù),一般該系數(shù)可取在1.1～1.2之間;相對特別高的聳立結(jié)構(gòu)物,該系數(shù)可取在1.5左右。2.2水流阻力計算(1)船舶初始生物參數(shù)FT=CFSv1.83+CRAMvp式中:FT為作用于躉船上的水流力,N;CF為摩擦阻力系數(shù),一般取1.66;S為船體浸濕面積,m2;v為縱向水流速度,m/s;CR為剩余阻力系數(shù),CR的值取決于躉船首尾兩端削斜的程度,削斜程度越大,則取值越小,取值范圍在150～300之間;AM為浸水部分的船中橫剖面面積,m2;p為指數(shù),當(dāng)v≤2.57m/s時,p=2;當(dāng)v>2.57m/s時,p=2.33。(2)根據(jù)港規(guī)e相關(guān)算法，當(dāng)水流以船縱軸平行時，或以船流角15和165時sc、mc、knFxsc=CxscρV2B′/2Fxmc=CxmcρV2B′/2式中:Fxsc、Fxmc分別為水流對船首的橫向分力和船尾橫向分力,kN;Cxsc、Cxmc分別為水流力船首橫向分力系數(shù)和船尾橫向分力系數(shù);ρ為水的密度,t/m3;V為水流速度,m/s;B′為船舶吃水線以下的橫向投影面積,m2。橫向水流分力Fyc=CycρV2S/2式中:Fyc為水流船舶作用產(chǎn)生的縱向水流分力,kN;Cyc為縱向水流分力系數(shù)。當(dāng)水流與船舶縱軸的夾角在15°<θ<165°之間時,水流對船舶作用產(chǎn)生的橫向水流分力和縱向水流分力計算公式為:Fxc=CxcρV2Ayc/2Fyc=CycρV2Axc/2式中:Fxc為水流船舶作用產(chǎn)生的橫向分力,kN;Cxc為橫向水流分力系數(shù);Axc、Ayc分別為船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積,m2。計算公式中的各水流分力系數(shù)、各計算面積以及水的密度取值可參照附錄E中的對應(yīng)狀態(tài)進行選取。2.3靠泊船的撞擊作用靠泊船在靠泊過程中,總是會以一定的速度靠向躉船,從而產(chǎn)生撞擊力。撞擊力的計算公式有動量公式、振動公式和能量公式,現(xiàn)在較普遍采用的是能量公式。其基本原理是:靠泊船撞擊躉船時所產(chǎn)生的有效撞擊能量,通過護舷和船舶局部結(jié)構(gòu)的變形全部轉(zhuǎn)化為外力所做的功?？坎创坎磿r的有效撞擊能量E0可按下式進行計算:E0=ρ′MV2nn2/2式中:E0為靠泊船產(chǎn)生的有效撞擊能量,kJ;ρ′為有效動能系數(shù),一般取0.7～0.8;M為靠泊船的質(zhì)量,按滿載排水量進行計算,t;Vn為靠泊船的法向靠船速度,m/s。計算出E0的數(shù)值以后,可按橡膠護舷性能曲線,查出護舷反力值(即撞擊力)。關(guān)于靠泊船的法向靠船速度值,各種橡膠護舷的能量、反力曲線在“港規(guī)”、“海工手冊”的相關(guān)章節(jié)里可以查找選擇。一般而言,躉船所受的撞擊力總是要大于躉船所受的靠泊船產(chǎn)生的擠靠力,特別是在有掩護的碼頭條件下。波浪對船舶產(chǎn)生的撞擊力,通常僅在設(shè)計開敞式碼頭時予以考慮。2.4計算的壓力損失當(dāng)靠泊船停靠于躉船邊時,躉船所受的擠靠力比撞擊力小,受力方向一致,因而可以忽略不計。3系統(tǒng)的設(shè)計3.1錨鏈長度和長度躉船錨鏈系統(tǒng)一般是多錨配置,除了中錨外,其他錨與船舶縱軸呈一定角度布置,以產(chǎn)生兩個方向的拉力;通過錨鏈張力的傳遞,使得錨產(chǎn)生的抓力與作用在躉船上的外力平衡,使船體不致發(fā)生位移或僅產(chǎn)生少量位移。錨鏈曲線為一懸垂線,在理想狀態(tài)下,當(dāng)錨鏈的懸垂長度等于所拋出的錨鏈長度,即錨鏈在水底的下端恰好保持與水底相切時,就是既定的錨鏈(長度為L,單位長度重量為ω)在一定水深H時所能承受的最大外力載荷Q。此時,懸垂線上各點的張力從水底與錨連接端開始到水面與船連接端是逐漸變大的,其所受張力值T從T=Q變化到T=Q+ωH,并且水面端錨鏈張力的水平分力值為Q、垂直分力值為ωL。將躉船所受合外力載荷在水平面內(nèi)分解成兩個方向的外力載荷,再將水面端各錨鏈所受張力同樣分解在與外力載荷同一坐標(biāo)系的相同兩個方向上,通過受力平衡方程即可選擇到合適參數(shù)的錨鏈系統(tǒng)配置。上面的平衡方程是在靜力平衡狀態(tài)下求得的,并沒有考慮錨鏈在受力作用下的伸長變形以及躉船在受外載荷作用后運動速度產(chǎn)生的慣性力的影響,因此在錨鏈系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)選擇合適的安全系數(shù)。錨重應(yīng)根據(jù)選用的錨的形式、抓力系數(shù)、水文地質(zhì)條件等因素確定,錨鏈的規(guī)格、長度可按現(xiàn)行船舶規(guī)范的要求結(jié)合水深情況進行配套選擇。錨抓力系數(shù)η值見表2。表2中:(1)括號內(nèi)數(shù)值適用于挖坑拋錨情況,其余數(shù)值適用于錨拋于水底表面情況。(2)數(shù)值均適用于土壤中等密實情況。當(dāng)土壤松散時表中數(shù)值可減少10%～25%;密實時可增加10%～25%,但帶*者不應(yīng)減少,帶**者不應(yīng)增加。(3)單抓錨的抓力系數(shù)可根據(jù)具體選用錨的形式作適當(dāng)增減。3.2格構(gòu)式撐桿設(shè)計要求鋼撐桿宜采用兩個方向剛度相等的方形或圓形截面,可采用箱式結(jié)構(gòu)或菱形空腹式綴合結(jié)構(gòu)(也稱格構(gòu)式)。鋼撐桿的設(shè)計應(yīng)符合下列要求:(1)當(dāng)躉船上一個支撐點采用叉式雙撐桿時(如圖1(4)),雙撐桿間的夾角宜為60°;當(dāng)采用單撐桿時,撐桿軸線應(yīng)垂直躉船的內(nèi)舷線。(2)撐桿長度和撐桿支撐點高程之間的關(guān)系應(yīng)符合。設(shè)計高水位時撐桿的斜度不陡于1:6,設(shè)計低水位時撐桿的斜度不陡于1:4.5。(3)撐桿兩端應(yīng)設(shè)置拉環(huán),用鏈條分別與躉船和撐桿墩系連。(4)撐桿兩端支撐點可采用自由擱置、十字鉸或球鉸等,以便于撐桿在垂直面內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動和一定程度的縱向移動。如果是采用格構(gòu)式撐桿時,還應(yīng)符合以下一些要求:(1)綴條一般采用交叉布置,當(dāng)軸向力和撐桿長度較小時,可采用單斜布置。(2)斜綴條與桿件的夾角一般為45°或60°。(3)撐桿的中部和端部應(yīng)以綴板連接,其兩端應(yīng)做成封閉式。(4)撐桿應(yīng)設(shè)置橫隔板,其間距一般為4～5m。躉船在受外力作用下傳遞給撐桿的軸向力可按下式計算:N=KW/ncosα式中:N為作用在一根撐桿上的軸向壓力,kN;K為不均勻系數(shù),可取1.3;W為由躉船傳遞給撐桿系統(tǒng)的最大橫向力,kN;n為撐桿數(shù)目;α為撐桿軸線與水平面的夾角,°。鋼撐桿主要承受自重力和船舶靠泊躉船時產(chǎn)生的擠靠力或撞擊力,其強度和穩(wěn)定性應(yīng)按偏心受壓桿件計算校核。對于格構(gòu)式撐桿,必須保證每個受壓桿件的穩(wěn)定性,不致于構(gòu)件先于整體失去承壓能力。在鋼撐桿受壓桿件的計算中,桿件的穩(wěn)定系數(shù)、長細(xì)比的取值可根據(jù)撐桿兩端的約束條件參考相關(guān)的設(shè)計手冊、規(guī)范加以確定,受壓穩(wěn)定裕度值一般可取在1.5～3.0之間,視鋼撐桿所處的環(huán)境以及躉船所受外力變化的復(fù)雜程度而定。撐桿墩可根據(jù)地質(zhì)、地形、水流等條件采用重力式墩結(jié)構(gòu)或樁式墩結(jié)構(gòu),同時撐桿墩不應(yīng)作為風(fēng)暴系纜墩使用。3.3鋼管樁的設(shè)計強度定位墩系留躉船的方式如圖1(5)、(6)所示。定位墩結(jié)構(gòu)宜采用直鋼管樁導(dǎo)樁式結(jié)構(gòu),其具有強度高、抗彎能力強、能承受較大水平力的作用;彈性好、能吸收較大的變形能,并且具備制作、運輸、施工方便快捷等優(yōu)點。不承受軸向力的鋼管樁,其強度計算公式如下:σ=M/W0≤[σ]式中:σ為鋼管樁的設(shè)計應(yīng)力,kPa;[σ]為鋼管樁的許用應(yīng)力,kPa;M為鋼管樁所受的彎矩,kN·m;W0為鋼管樁截面的剖面模數(shù),W0=(d3?d30)12m3W0=(d3-d03)12m3,其中:d0、d分別為鋼樁的內(nèi)外徑,m。鋼管樁直接受撞擊力作用的管段,管內(nèi)宜加焊加勁橫隔板,橫隔板間距在1.5～2m之間。鋼管樁除了強度要滿足要求外,還應(yīng)控制薄殼的彈性失穩(wěn)。一般而言,鋼樁的外徑與壁厚之比不宜大于100,且最小有效厚度不小于8mm。根據(jù)使用的需要,可以采用幾根樁并在一起組成一個樁簇或形成直樁與斜樁的組合,來更好地抵抗水平力或彎矩的作用。承受水平力或彎矩為主作用的樁,其入土深度一般應(yīng)滿足彈性長樁的條件,可按現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計算。4輔助設(shè)備的選擇4.1選擇合理的運輸保護裝置靠泊船在靠泊躉船的過程中,會對躉船產(chǎn)生撞擊、擠壓、摩擦作用力。這些力對靠泊船和躉船的結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生不利影響。因此在躉船外沿設(shè)置防沖設(shè)備,利用防沖設(shè)備來吸收撞擊能量,是必要的。防沖設(shè)備應(yīng)根據(jù)使用條件來確定安裝方式。具體安裝方式有:固定式、漂浮式或轉(zhuǎn)動式護舷。護舷材料有橡膠護舷、聚氨酯護舷、鋼質(zhì)護舷、輪胎護舷和木護舷等。根據(jù)使用要求,防沖設(shè)備應(yīng)盡可能多地吸收撞擊能量,同時產(chǎn)生的反力要盡量小,具有足夠的抗剪性能和面壓值。橡膠護舷在吸能效果、適用范圍、制造安裝及經(jīng)濟性等方面綜合比較具有明顯優(yōu)勢。橡膠肪舷的使用方式:首先橡膠護舷的布置應(yīng)保證船舶在各種水位和不同吃水條件下的安全靠泊,可在躉船外沿豎向布置或水平方向布置或豎向、水平方向組合布置。豎向護舷的布置主要是為了避免靠泊船因其搖擺或靠泊船吃水變化時船舷對護舷產(chǎn)生的刮、卡、頂托現(xiàn)象,尤其是干舷較低的駁船。布置水平方向護舷的作用主要是為了吸收能量。護舷在不同靠泊船的干舷變化大時或靠泊船在裝卸過程中吃水變化很大時可水平方向分層布置,護舷的安裝數(shù)量必須保證。護舷達(dá)到設(shè)計壓縮變形量時,總吸能量應(yīng)大于靠泊船靠泊時產(chǎn)生的有效撞擊能量。護舷的形狀可以采用半圓形、拱形或鼓形,其他形式的護舷可根據(jù)具體情況參照使用。4.2撐桿墩吸能措施為了減少躉船在受外力作用下對躉船系留設(shè)備的沖擊力,還可以采取多種吸能措施。撐桿系統(tǒng)和定位墩可以采取彈性橡膠體吸能、懸重塊體能量轉(zhuǎn)換、柔性撐桿墩吸能等措施。吸能裝置和防沖裝置的目的是平衡靠泊船舶的撞擊能量,減少躉船的位移和躉船系留設(shè)備的受力,保護系留設(shè)備不受損壞。5水文測量船的靠泊50m水文躉船用于水文勘測人員的辦公、住宿,以及水文測量船的靠泊。本文以此船為例,介紹躉船的受力計算情況。根據(jù)“港口工程荷載規(guī)范”(JTJ215-98)有關(guān)條款,可初步計算出各受力情況如下:5.1計算的力差(1)u3000xxxFxw=73.6×10-5AxwV2xx2ζ式中:Axw=200m2,Vx=25.1m/s(10級風(fēng)),ζ=1.0。Fxw=92.7kN(2)y2式Fyw=49.0×10-5AywV2yy2ζ式中:Ayw=75m2,Vy=25.1m/s(10級風(fēng)),ζ=1.0。Fyw=25.0kN5.2ft10-3式橫向水流力很小,可忽略不計。躉船的縱向水流力可按卡倫比托夫公式進行估算:FT=(CFSv1.83+CRAMvp)×10-3式中:CF=1.66;S=610