浮標(biāo)受力分析

1、1 浮標(biāo)標(biāo)體所受的力 在誰(shuí)中的浮標(biāo)，其標(biāo)體（浮具）所受外力與航行中的船舶相似，主要受水流力、波浪力、風(fēng)載荷等因素的作用，除此之外，還受到系留纜索的拉力。1.1 水流力 標(biāo)體所受水流力即為水流阻力，一般認(rèn)為，水流阻力主要由摩擦阻力（粘性阻力）和興波阻力組成，摩擦阻力來(lái)自于水流的粘性，不僅取決于船舶濕表面積以及光潔程度，也和船舶表面的曲度有關(guān)；興波阻力則是由于船舶在水面激起波浪所造成的力，與液體的粘性無(wú)關(guān)，主要和船型、船舶與水流的相對(duì)速度以及船舶的尺寸有關(guān)。目前，計(jì)算船舶水流摩擦阻力的公式較多，我國(guó)常用的是基于平板實(shí)驗(yàn)和理論分析所得到的阻力計(jì)算公式，其表達(dá)式為：式中，RM 為摩擦阻力（N或KN）；

2、為水的密度（kg/m3）；V為浮標(biāo)與水流的相對(duì)速度，即水流流速（m/s）；為浮標(biāo)標(biāo)體濕表面積，可近似用公式 =（1.7T+·B）L 估算；T為浮標(biāo)吃水（m）；為浮標(biāo)方形系數(shù)；L為浮標(biāo)長(zhǎng)度（m）；B為浮標(biāo)寬度（m）；CM1為摩擦阻力系數(shù)（無(wú)量綱數(shù)）。對(duì)于不同的液體和不同的水流流速，相應(yīng)的阻力系數(shù)也不同，即CM1隨雷諾數(shù)Re而變，Re的表達(dá)式為：式中：v為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，其余與前相同。表1列出了柏蘭特-許立汀關(guān)于摩擦阻力系數(shù)與Re的關(guān)系數(shù)據(jù)。浮標(biāo)浮體表面的粗糙度也將影響標(biāo)體的摩擦阻力，在我國(guó)，對(duì)于鋼質(zhì)船體，摩擦阻力系數(shù)的增加值均為CM2=0.0004，因此，浮標(biāo)標(biāo)體所受的摩擦阻力應(yīng)表示

3、為：1.1.2 興波阻力 根據(jù)模型試驗(yàn)和理論分析，興波阻力（包括漩渦阻力）與重力有密切的關(guān)系，其表達(dá)式為：式中：RR為興波阻力（N或KN）；CR為興波阻力系數(shù)；其余與前面相同。興波阻力系數(shù)CR與付汝德數(shù)Fr有關(guān)，F(xiàn)r定義為：式中：g為重力加速度（m/s2）；其余符號(hào)與前相同。對(duì)于不同的船型，CR數(shù)值不同，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fr<0.15時(shí)，CR=0；對(duì)于較尖瘦的船舶，當(dāng)Fr>0.220.25時(shí)，興波阻力才明顯出現(xiàn)。由于三峽庫(kù)區(qū)現(xiàn)行浮標(biāo)標(biāo)體采用的是長(zhǎng)10m的鋼質(zhì)標(biāo)志船，而成庫(kù)后由于水深大大增加，深水標(biāo)位處水流流速多小于12m/s，即Fr<0.100.2。因此，標(biāo)體所受的興波阻力

4、相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。1.2 波浪力波浪對(duì)浮標(biāo)標(biāo)體的作用力，可按原蘇聯(lián)動(dòng)力部提出的公式計(jì)算：式中：Rb為波浪力（kN）；K1為波浪力系數(shù)，可由圖1差得，圖中T為浮標(biāo)標(biāo)體的吃水（m），LW為波長(zhǎng)（m）；hW為波高（m）；r為水的容重（kN/m3）；Ad為標(biāo)體水下?lián)跛娣e（m2）。波浪力系數(shù)的曲線圖在庫(kù)區(qū)航道中的浮標(biāo)，根據(jù)波浪所形成的原因不同，波浪載荷主要由兩部分構(gòu)成，一是船行波引起的波浪力；二是由風(fēng)載荷引起的波浪力，下面分述兩種波浪要素的計(jì)算方法。1.2.1 船行波世界上已有幾十個(gè)船模型實(shí)驗(yàn)室對(duì)船行波要素進(jìn)行過(guò)研究，并應(yīng)用原體觀測(cè)資料予以了驗(yàn)證。 船行波波長(zhǎng)可應(yīng)用荷蘭Delft水工研究所所建立的

5、基于LordKelin理論導(dǎo)出的計(jì)算公式：式中：VS為傳播航速（m/s）；Lw1為船行波計(jì)算波長(zhǎng)（m）。Havelock基于LordKelin理論導(dǎo)出了深水條件下船行波相對(duì)波高的關(guān)系式：式中：hw1為船行波計(jì)算波高（m）；S為要求測(cè)定的波處距船舶的距離（m）；H為水深（m）；1、2為與船型、船舶吃水深度和船速等有關(guān)的系數(shù)，對(duì)已有的實(shí)測(cè)資料分析得：對(duì)于巡邏艦、滿載內(nèi)河馬達(dá)船1=1.0，對(duì)于歐洲空載貨船1=0.5，對(duì)于空載馬達(dá)船和拖牽輪1=0.35；2=2.67。1.2.2 風(fēng)成浪當(dāng)受風(fēng)力作用時(shí)，其波高和波長(zhǎng)可借用官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算：式中：hw2為風(fēng)波計(jì)算波長(zhǎng)（m）；Lw2為風(fēng)波計(jì)算波高（m）；Vf

6、為計(jì)算風(fēng)速（m/s）；Df為吹程(m),由浮標(biāo)標(biāo)體前沿至對(duì)岸的最大直線距離。1.3 風(fēng)載荷作用于浮標(biāo)標(biāo)體上的風(fēng)壓力可由港口工程計(jì)算規(guī)范所給出的計(jì)算公式確定：式中：RW為作用于浮標(biāo)標(biāo)體上的風(fēng)壓力（kN）；K2為浮標(biāo)標(biāo)體的風(fēng)載體形系數(shù)：風(fēng)向垂直標(biāo)體的縱軸時(shí)，K2=1.2，風(fēng)向平行于標(biāo)體的縱軸時(shí)，K2=0.8；q為計(jì)算風(fēng)壓（kN/m2），可按q=0.001Vf2計(jì)算；AU為浮標(biāo)水上受風(fēng)面積（m2）；其余符號(hào)與前相同。1.4 水面坡降力由于河道水面具有一定的坡降（水面比降），浮標(biāo)標(biāo)體將沿水流方向產(chǎn)生一個(gè)分力，即為坡降力，坡降力的大小可按下式計(jì)算：式中：Rj為浮標(biāo)標(biāo)體所受的坡降力（kN）；為標(biāo)體的排水量

7、或重量（噸）；J為標(biāo)體處的水面坡降。2 浮標(biāo)標(biāo)體的受力計(jì)算前述給出了標(biāo)體的受力計(jì)算公式，現(xiàn)根據(jù)庫(kù)區(qū)的水流、氣象、風(fēng)浪等特征對(duì)各項(xiàng)受力進(jìn)行定量分析和計(jì)算。深水浮標(biāo)所使用的10m鋼質(zhì)標(biāo)志船的主要參數(shù)見(jiàn)表2現(xiàn)以某大橋設(shè)置深水浮標(biāo)為例，計(jì)算其所受的水流力、波浪力、風(fēng)載荷等外力。假設(shè)浮標(biāo)水域的水流、航道、放浪等自然條件如下： 設(shè)水深H=80m；設(shè)標(biāo)水域至岸邊的最大距離800m；標(biāo)為處至主航道的最短距離30m；過(guò)往船舶航速5.0m/s；汛期水面比降J0.5；流速v一般小于2.5m/s；氣象戰(zhàn)實(shí)測(cè)多年平均風(fēng)速為2m/s左右，最大平均風(fēng)速約為20m/s。根據(jù)以上取值，綜合其它因素，估算的浮標(biāo)標(biāo)體所受的水流力、

8、波浪力、風(fēng)載荷、水面坡降見(jiàn)表3由表3可以看出，波浪力和風(fēng)載荷對(duì)浮標(biāo)標(biāo)體的影響程度已明顯超過(guò)水流力和水面坡降力；由于是流速和水面坡比降的進(jìn)一步減緩，水域面積的增大，浮標(biāo)所受的外載荷（除纜繩拉力外），主要是波浪力和風(fēng)載荷。3 浮標(biāo)纜索長(zhǎng)度計(jì)算為分析簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)：纜繩在拉力作用下不發(fā)生變形；錨的抓著力足夠大，不會(huì)發(fā)生走錨現(xiàn)象。由于纜索一般均油沉重材料組成（如常用的錨鏈、鋼絲繩等），纜索對(duì)浮標(biāo)將以重力為主，所受的水流阻力可忽略不計(jì)。則根據(jù)H.O.貝托和巖井聰對(duì)浮標(biāo)受力的平衡分析（如圖2），纜索呈懸曲線形狀。且其長(zhǎng)度和受力可由以下計(jì)算式確定：式中：R為浮標(biāo)標(biāo)體沿水平向所受的總作用力（kN）；為纜繩在錨

9、處與水平向的夾角；Tf為浮標(biāo)所受的纜索拉力；Tm為錨所受的纜繩拉力；H為浮標(biāo)處水深（m），H=y2-y1；S1為從標(biāo)體至原點(diǎn)（=0）的纜索長(zhǎng)度（m）；S為標(biāo)體至錨處的纜索實(shí)際長(zhǎng)度（m）。特殊的，若錨位于原點(diǎn)（=0）處，則：S1=0，所需纜索長(zhǎng)度S=S2=；纜索對(duì)浮標(biāo)的拉力Tf=；纜索對(duì)錨的拉力Tm=R。從式子（11）（13）可以看出，纜索長(zhǎng)度不僅與航道水深有關(guān)，也與浮標(biāo)所受的水平力、纜索單位長(zhǎng)度重量以及纜索在錨處與水平的夾角有關(guān)。（1） 當(dāng)=0，即錨位于原點(diǎn)處時(shí)，此時(shí)系留浮標(biāo)所需的纜索最長(zhǎng)，但纜索對(duì)浮標(biāo)和錨的拉力Tf、Tm最小。若纜索長(zhǎng)度繼續(xù)增加，標(biāo)體和錨所受的纜索拉力將維持不變。（2） 錨處

10、纜索與水平的夾角愈大，則系留浮標(biāo)所需的纜索較短，但纜索對(duì)浮標(biāo)和錨的拉力Tf、Tm相對(duì)較大，將減小浮具的浮力和錨與水底之間的摩擦力，容易走錨；反之，錨的受力愈小，浮具的穩(wěn)定性就愈好，但所需的纜索較長(zhǎng)。應(yīng)用舉例：其余條件同上，假設(shè)浮標(biāo)所受的總水平力最大約R=2500N（綜合各種力的組合疊加），系留浮標(biāo)的鋼纜為直徑d=12mm的鍍鋅鋼纜，單位長(zhǎng)度水下重量w=7.54N/m。計(jì)算纜索拉力及所需的纜索長(zhǎng)度。 現(xiàn)取不同的夾角值，計(jì)算結(jié)果如表4由表4不難得知，當(dāng)纜索在錨處與水平向的夾角在0°30°之間發(fā)生變化時(shí)，該浮標(biāo)所需的纜索長(zhǎng)度為1.643.05倍水深范圍。表 不同角纜索拉力及纜索長(zhǎng)度標(biāo)體所受的風(fēng)、浪等水平力相對(duì)較小，根據(jù)上述計(jì)算可知，浮標(biāo)標(biāo)體（浮具）所需的纜索長(zhǎng)度還可適當(dāng)減短。因此，航標(biāo)設(shè)置人員采用2倍左右設(shè)標(biāo)水深確定纜索長(zhǎng)度具有一定依據(jù)，單一國(guó)注意某些較為特殊的設(shè)標(biāo)水域，如水域面積大、地形開(kāi)闊、風(fēng)力強(qiáng)的部分，由于受風(fēng)浪作用較強(qiáng)，標(biāo)體水平受力