躉船系纜力計算(1)

1、1躉船系纜力計算躉船系纜力計算重慶交通大學河海學院重慶交通大學河海學院二二一一年五月一一年五月2 隨著內(nèi)河航運經(jīng)濟的發(fā)展，很多港區(qū)碼頭的通過能力不能滿足經(jīng)濟發(fā)展隨著內(nèi)河航運經(jīng)濟的發(fā)展，很多港區(qū)碼頭的通過能力不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的要求，貨物量的持續(xù)穩(wěn)步增長，使碼頭處于超負荷狀態(tài)，給港區(qū)的裝卸工的要求，貨物量的持續(xù)穩(wěn)步增長，使碼頭處于超負荷狀態(tài)，給港區(qū)的裝卸工藝、生產(chǎn)安排等帶來安全隱患。在航道條件允許的情況下，到港船舶大型化藝、生產(chǎn)安排等帶來安全隱患。在航道條件允許的情況下，到港船舶大型化趨勢顯著，這對碼頭系泊設(shè)備提出了更多要求。內(nèi)河船舶靠泊碼頭后，主要趨勢顯著，這對碼頭系泊設(shè)備提出了更多要求。內(nèi)河船

2、舶靠泊碼頭后，主要受到風和水流的作用，由于水位差大，水流較急，一般采用錨鏈系統(tǒng)系留躉受到風和水流的作用，由于水位差大，水流較急，一般采用錨鏈系統(tǒng)系留躉船。庫區(qū)蓄水的變化，躉船系纜設(shè)施的承載能力不足，直接影響碼頭安全作船。庫區(qū)蓄水的變化，躉船系纜設(shè)施的承載能力不足，直接影響碼頭安全作業(yè)。對躉船系錨系泊能力進行評估，并對安全性不滿足要求的情況提出可行業(yè)。對躉船系錨系泊能力進行評估，并對安全性不滿足要求的情況提出可行的解決措施提高碼頭對新船型的適應(yīng)能力，完善港口功能，適應(yīng)現(xiàn)代化和船的解決措施提高碼頭對新船型的適應(yīng)能力，完善港口功能，適應(yīng)現(xiàn)代化和船舶大型化發(fā)展的要求，更好地為經(jīng)濟社會發(fā)展服務(wù)。舶大型化

3、發(fā)展的要求，更好地為經(jīng)濟社會發(fā)展服務(wù)。3目前關(guān)于系纜力對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，我國都根據(jù)規(guī)范進行了粗略計算：目前關(guān)于系纜力對碼頭結(jié)構(gòu)的影響，我國都根據(jù)規(guī)范進行了粗略計算：sincoscoscosyxFFKNnyxFF、風和水流對船舶作用產(chǎn)生的橫向分力總和及縱向分力總和（風和水流對船舶作用產(chǎn)生的橫向分力總和及縱向分力總和（kN） ； 系船柱分布不均系數(shù)系船柱分布不均系數(shù) ； 受力的系船柱數(shù)目；受力的系船柱數(shù)目； 系船纜的水平投影與碼頭系船纜的水平投影與碼頭 前沿線所成夾角前沿線所成夾角 ； 系船纜與水平面之間的夾角。系船纜與水平面之間的夾角。 nK 4 規(guī)范上的躉船系纜力計算方法已不能滿足精細化發(fā)展需

4、求，而應(yīng)規(guī)范上的躉船系纜力計算方法已不能滿足精細化發(fā)展需求，而應(yīng)用有限元法計算分析，可以得到更準確的船舶荷載，為碼頭結(jié)構(gòu)的計算用有限元法計算分析，可以得到更準確的船舶荷載，為碼頭結(jié)構(gòu)的計算提供依據(jù)。提供依據(jù)。 思路：思路：計算船舶靠泊時船舶和躉船受最大水流和可能出現(xiàn)的風組計算船舶靠泊時船舶和躉船受最大水流和可能出現(xiàn)的風組合作用時的縱向力和橫向力總和，建立躉船系留的數(shù)學模型，考慮不同合作用時的縱向力和橫向力總和，建立躉船系留的數(shù)學模型，考慮不同水位下系纜角度對系纜力的影響以及在各設(shè)計水位下水位的變動對系纜水位下系纜角度對系纜力的影響以及在各設(shè)計水位下水位的變動對系纜力影響，分析船舶靠泊時系留設(shè)施

5、受力情況。力影響，分析船舶靠泊時系留設(shè)施受力情況。5 以重慶某物流有限公司現(xiàn)役斜坡式碼頭泊位為例來對其靠泊以重慶某物流有限公司現(xiàn)役斜坡式碼頭泊位為例來對其靠泊5000噸級船噸級船型躉船系纜力計算方法。碼頭設(shè)計為型躉船系纜力計算方法。碼頭設(shè)計為3000噸級件雜貨泊位，屬架空斜坡滾噸級件雜貨泊位，屬架空斜坡滾裝貨運碼頭，設(shè)置兩條架空斜坡道，采用鋼聯(lián)橋與前方躉船相連，供船泊裝貨運碼頭，設(shè)置兩條架空斜坡道，采用鋼聯(lián)橋與前方躉船相連，供船泊系靠，躉船采用錨墩、錨鏈及自帶錨具系錨。采用汽車直上躉船的浮碼頭系靠，躉船采用錨墩、錨鏈及自帶錨具系錨。采用汽車直上躉船的浮碼頭工藝，水位低于工藝，水位低于172.0

6、m時，汽車可沿堆場道路、斜坡道、鋼引橋上躉船；時，汽車可沿堆場道路、斜坡道、鋼引橋上躉船；當水位超過當水位超過172.0m時，汽車到碼頭前沿時，汽車到碼頭前沿182.0m平臺，采用浮吊直接進行裝平臺，采用浮吊直接進行裝卸作業(yè)。躉船上配備卸作業(yè)。躉船上配備20噸和噸和40噸浮吊各噸浮吊各1臺。臺。6泊位躉船系錨設(shè)施布置如圖所示泊位躉船系錨設(shè)施布置如圖所示：71、躉船系錨受力分析數(shù)學模型、躉船系錨受力分析數(shù)學模型 躉船系留設(shè)施受力分析采用有限單元法，分別建立躉船、鋼纜繩和鑄鋼錨鏈在設(shè)計躉船系留設(shè)施受力分析采用有限單元法，分別建立躉船、鋼纜繩和鑄鋼錨鏈在設(shè)計低水位、低水位、 設(shè)計中水位和設(shè)計高水位時

7、的設(shè)計中水位和設(shè)計高水位時的1：1有限元模型，見下圖。其中躉船采用有限元模型，見下圖。其中躉船采用Solid45單元模擬，彈性鋼纜繩和錨鏈采用單元模擬，彈性鋼纜繩和錨鏈采用link10單元模擬。纜繩彈性模量為單元模擬。纜繩彈性模量為2.06105 MPa，泊，泊松比為松比為0.3，密度，密度7800 kg/m3。設(shè)計低水位時有限元模型設(shè)計低水位時有限元模型設(shè)計中水位時有限元模型設(shè)計中水位時有限元模型設(shè)計高水位時有限元模型設(shè)計高水位時有限元模型82、計算船舶靠泊時船舶和躉船受最大水流和可能出現(xiàn)的風組合、計算船舶靠泊時船舶和躉船受最大水流和可能出現(xiàn)的風組合作用時的縱向力和橫向力總和作用時的縱向力和

8、橫向力總和 可依據(jù)可依據(jù)港口工程荷載規(guī)范港口工程荷載規(guī)范進行計算。進行計算。 由于是山區(qū)河流，計算時取最大水流流速和可能同時出現(xiàn)的最大吹由于是山區(qū)河流，計算時取最大水流流速和可能同時出現(xiàn)的最大吹開風的荷載組合。三峽蓄水后對工況有一定的影響，但是由于水流流速開風的荷載組合。三峽蓄水后對工況有一定的影響，但是由于水流流速變小，所以計算系纜力時不考慮該情況，取最大水流流速為變小，所以計算系纜力時不考慮該情況，取最大水流流速為3m/s3m/s，可能，可能同時出現(xiàn)的吹開風為同時出現(xiàn)的吹開風為22m/s22m/s。 業(yè)主提供的船型尺度：業(yè)主提供的船型尺度： 單位（單位（m m）9(1) 船舶和躉船由風荷載

9、產(chǎn)生的橫向力和縱向力按下列公式計算：船舶和躉船由風荷載產(chǎn)生的橫向力和縱向力按下列公式計算：xxxWxWVAF25106 .73yyyWyWVAF25100 .49式中：式中：xWyWFF、分別為作用在船舶上的風壓力的橫向和縱向分力（分別為作用在船舶上的風壓力的橫向和縱向分力（kN）；）；xWyWAA、分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（m2）；）；xyVV、設(shè)計風速的橫向和縱向分量（設(shè)計風速的橫向和縱向分量（m/s）；）；xy、風壓不均勻折減系數(shù)；風壓不均勻折減系數(shù)；DWAxwlog742. 0036. 0logDWAywlog62. 0107. 0lo

10、g當貨船滿載時為最不利狀況：當貨船滿載時為最不利狀況：log0.2380.727logxwADWlog0.0190.628logywADW當貨船減載時為最不利狀況：當貨船減載時為最不利狀況：經(jīng)計算得到躉船上的風壓力的橫向和縱向分力分別為經(jīng)計算得到躉船上的風壓力的橫向和縱向分力分別為9.05 kN,7.56kN；5000噸噸級船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力分別為級船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力分別為66.13kN,52.12kN。10(2) 船舶和躉船由水流產(chǎn)生的橫向力和縱向力按下列公式計算：船舶和躉船由水流產(chǎn)生的橫向力和縱向力按下列公式計算：xscF水流對船舶產(chǎn)生的水流力縱向分力（水流

11、對船舶產(chǎn)生的水流力縱向分力（kN）水流力縱向分力系數(shù)；水流力縱向分力系數(shù)；V水流速度（水流速度（m/s）；）；B船舶吃水線以下的橫向投影面積（船舶吃水線以下的橫向投影面積（m2） ； 水的密度水的密度(t/m3)；ycF水流對船舶作用產(chǎn)生的水流力橫向分力（水流對船舶作用產(chǎn)生的水流力橫向分力（kN） ；BVCFxmcxmc22SVCFycyc22 經(jīng)計算，躉船上的計算水流力的橫向和縱向分力分別為經(jīng)計算，躉船上的計算水流力的橫向和縱向分力分別為36.35kN,69.86kN；5000噸船舶上的計算水流力的橫向和縱向分力分別為噸船舶上的計算水流力的橫向和縱向分力分別為137.28kN,139.48k

12、N。ycxcCC 、S船舶吃水線以下的縱向投影面積（船舶吃水線以下的縱向投影面積（m2） ；11(3) 風和水流同時作用下對躉船和船舶產(chǎn)生的縱向合力和橫向合力：風和水流同時作用下對躉船和船舶產(chǎn)生的縱向合力和橫向合力：在橫向風速在橫向風速Vx11m/s，Vy0和水流流速和水流流速V=3m/s條件下，產(chǎn)生的橫向合力條件下，產(chǎn)生的橫向合力為為 ，縱向合力為，縱向合力為 。kNFx03.185kNFy34.209在橫向風速在橫向風速Vx0，Vy22m/s和水流流速和水流流速V=3m/s條件下，產(chǎn)生的橫向合力條件下，產(chǎn)生的橫向合力為為 ，縱向合力為，縱向合力為 。kNFx64.173kNFy01.269

13、Fx、Fy 應(yīng)根據(jù)可能同時出現(xiàn)的風和水流的情況，不應(yīng)將兩者最大值疊加，應(yīng)根據(jù)可能同時出現(xiàn)的風和水流的情況，不應(yīng)將兩者最大值疊加，一般可按最大計算吹開風和可能同時出現(xiàn)的水流來疊加。一般可按最大計算吹開風和可能同時出現(xiàn)的水流來疊加。123 系纜力計算系纜力計算 將風和水流荷載作用下的橫向合力和縱向合力施加到有限元模型上，將風和水流荷載作用下的橫向合力和縱向合力施加到有限元模型上，計算分別考慮設(shè)計低水位計算分別考慮設(shè)計低水位(147.4米米)、設(shè)計中水位、設(shè)計中水位(160米米)和設(shè)計高水位和設(shè)計高水位(172米米)三種水位下系纜角度對系纜力的影響以及在各設(shè)計水位下水位變?nèi)N水位下系纜角度對系纜力的

14、影響以及在各設(shè)計水位下水位變動對系纜力影響。動對系纜力影響。13（1）設(shè)計低、中和高水位時系纜力計算）設(shè)計低、中和高水位時系纜力計算 計算得到各系纜設(shè)施的系纜力最大值及其對應(yīng)的受荷工況，如下圖：計算得到各系纜設(shè)施的系纜力最大值及其對應(yīng)的受荷工況，如下圖： 領(lǐng)水錨受力達到最大值領(lǐng)水錨受力達到最大值 工況：工況： （設(shè)計底水位、縱向順水風）（設(shè)計底水位、縱向順水風） 橫纜受力達到最大值橫纜受力達到最大值 工況：工況： （設(shè)計高水位、吹開風）（設(shè)計高水位、吹開風） 首纜受力達到最大值首纜受力達到最大值 工況：工況： （設(shè)計高水位、縱向順水風）（設(shè)計高水位、縱向順水風） 14上游外開錨受力達到最大值上

15、游外開錨受力達到最大值 工況：工況： （設(shè)計低水位、吹攏風）（設(shè)計低水位、吹攏風） 下游外開錨受力達到最大值下游外開錨受力達到最大值 工況：工況： （設(shè)計高水位、吹攏風）（設(shè)計高水位、吹攏風）（2）水位變動時系纜力分析）水位變動時系纜力分析 在設(shè)計低水位下，當水位上漲在設(shè)計低水位下，當水位上漲1.2m時，領(lǐng)水錨鏈最大拉力將增大時，領(lǐng)水錨鏈最大拉力將增大20%。 在設(shè)計高水位下，當水位上漲在設(shè)計高水位下，當水位上漲0.3m時，首纜最大拉力將增大時，首纜最大拉力將增大20%。15 5000噸級的船舶受碼頭前沿水深的限制，須減載才能?？俊Ｓ缮媳砜芍摰葒嵓壍拇笆艽a頭前沿水深的限制，須減載才能停靠。由上表可知該等級船舶靠泊時，在設(shè)計低、中、高水位下，躉船系錨設(shè)施承載能力均滿足減載后級船舶靠泊時，在設(shè)計低、中、高水位下，躉船系錨設(shè)施承載能力均滿足減載后船舶安全?？康囊蟛⑶矣凶銐虻陌踩珒洌窃谠O(shè)計低水位下水位上漲船舶安全?？康囊蟛⑶矣凶銐虻陌踩珒洌窃谠O(shè)計低水位下水位上漲1.2m或者設(shè)計高水位下水位上漲或者設(shè)計高水位下水位上漲