躉船系纜力計(jì)算(1)

1、1躉船系纜力計(jì)算躉船系纜力計(jì)算重慶交通大學(xué)河海學(xué)院重慶交通大學(xué)河海學(xué)院二二一一年五月一一年五月2 隨著內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多港區(qū)碼頭的通過能力不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展隨著內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多港區(qū)碼頭的通過能力不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，貨物量的持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，使碼頭處于超負(fù)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(zhǎng)，使碼頭處于超負(fù)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(shì)顯著，這對(duì)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(shì)顯著，這對(duì)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(fēng)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(fēng)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(kù)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(kù)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(duì)躉船系錨系泊能力進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)安全性不滿足要求的情況提出可行業(yè)。對(duì)躉船系錨系泊能力進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)。舶大型化

3、發(fā)展的要求，更好地為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)。3目前關(guān)于系纜力對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的影響，我國(guó)都根據(jù)規(guī)范進(jìn)行了粗略計(jì)算：目前關(guān)于系纜力對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的影響，我國(guó)都根據(jù)規(guī)范進(jìn)行了粗略計(jì)算：sincoscoscosyxFFKNnyxFF、風(fēng)和水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的橫向分力總和及縱向分力總和（風(fēng)和水流對(duì)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(jì)算方法已不能滿足精細(xì)化發(fā)展需

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

5、受力情況。力影響，分析船舶靠泊時(shí)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(duì)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(duì)其靠泊5000噸級(jí)船噸級(jí)船型躉船系纜力計(jì)算方法。碼頭設(shè)計(jì)為型躉船系纜力計(jì)算方法。碼頭設(shè)計(jì)為3000噸級(jí)件雜貨泊位，屬架空斜坡滾噸級(jí)件雜貨泊位，屬架空斜坡滾裝貨運(yùn)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(yùn)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(shí)，汽車可沿堆場(chǎng)道路、斜坡道、鋼引橋上躉船；時(shí)，汽車可沿堆場(chǎng)道路、斜坡道、鋼引橋上躉船；當(dāng)水位超過當(dāng)水位超過172.0m時(shí)，汽車到碼頭前沿時(shí)，汽車到碼頭前沿182.0m平臺(tái)，采用浮吊直接進(jìn)行裝平臺(tái)，采用浮吊直接進(jìn)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(tái)。臺(tái)。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(xué)模型、躉船系錨受力分析數(shù)學(xué)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(jì)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(jì)低水位、低水位、 設(shè)計(jì)中水位和設(shè)計(jì)高水位時(shí)

7、的設(shè)計(jì)中水位和設(shè)計(jì)高水位時(shí)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(jì)低水位時(shí)有限元模型設(shè)計(jì)低水位時(shí)有限元模型設(shè)計(jì)中水位時(shí)有限元模型設(shè)計(jì)中水位時(shí)有限元模型設(shè)計(jì)高水位時(shí)有限元模型設(shè)計(jì)高水位時(shí)有限元模型82、計(jì)算船舶靠泊時(shí)船舶和躉船受最大水流和可能出現(xiàn)的風(fēng)組合、計(jì)算船舶靠泊時(shí)船舶和躉船受最大水流和可能出現(xiàn)的風(fēng)組合作用時(shí)的縱向力和橫向力總和作用時(shí)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(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算。 由于是山區(qū)河流，計(jì)算時(shí)取最大水流流速和可能同時(shí)出現(xiàn)的最大吹由于是山區(qū)河流，計(jì)算時(shí)取最大水流流速和可能同時(shí)出現(xiàn)的最大吹開風(fēng)的荷載組合。三峽蓄水后對(duì)工況有一定的影響，但是由于水流流速開風(fēng)的荷載組合。三峽蓄水后對(duì)工況有一定的影響，但是由于水流流速變小，所以計(jì)算系纜力時(shí)不考慮該情況，取最大水流流速為變小，所以計(jì)算系纜力時(shí)不考慮該情況，取最大水流流速為3m/s3m/s，可能，可能同時(shí)出現(xiàn)的吹開風(fēng)為同時(shí)出現(xiàn)的吹開風(fēng)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(fēng)荷載

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

10、g當(dāng)貨船滿載時(shí)為最不利狀況：當(dāng)貨船滿載時(shí)為最不利狀況：log0.2380.727logxwADWlog0.0190.628logywADW當(dāng)貨船減載時(shí)為最不利狀況：當(dāng)貨船減載時(shí)為最不利狀況：經(jīng)計(jì)算得到躉船上的風(fēng)壓力的橫向和縱向分力分別為經(jīng)計(jì)算得到躉船上的風(fēng)壓力的橫向和縱向分力分別為9.05 kN,7.56kN；5000噸噸級(jí)船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力的橫向和縱向分力分別為級(jí)船舶上的計(jì)算風(fēng)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(jì)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(jì)算：xscF水流對(duì)船舶產(chǎn)生的水流力縱向分力（水流

11、對(duì)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(duì)船舶作用產(chǎn)生的水流力橫向分力（水流對(duì)船舶作用產(chǎn)生的水流力橫向分力（kN） ；BVCFxmcxmc22SVCFycyc22 經(jīng)計(jì)算，躉船上的計(jì)算水流力的橫向和縱向分力分別為經(jīng)計(jì)算，躉船上的計(jì)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(jì)算水流力的橫向和縱向分力分別為噸船舶上的計(jì)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(fēng)和水流同時(shí)作用下對(duì)躉船和船舶產(chǎn)生的縱向合力和橫向合力：風(fēng)和水流同時(shí)作用下對(duì)躉船和船舶產(chǎn)生的縱向合力和橫向合力：在橫向風(fēng)速在橫向風(fēng)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(fēng)速在橫向風(fēng)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(shí)出現(xiàn)的風(fēng)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(shí)出現(xiàn)的風(fēng)和水流的情況，不應(yīng)將兩者最大值疊加，一般可按最大計(jì)算吹開風(fēng)和可能同時(shí)出現(xiàn)的水流來疊加。一般可按最大計(jì)算吹開風(fēng)和可能同時(shí)出現(xiàn)的水流來疊加。123 系纜力計(jì)算系纜力計(jì)算 將風(fēng)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(fēng)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(jì)算分別考慮設(shè)計(jì)低水位計(jì)算分別考慮設(shè)計(jì)低水位(147.4米米)、設(shè)計(jì)中水位、設(shè)計(jì)中水位(160米米)和設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)高水位(172米米)三種水位下系纜角度對(duì)系纜力的影響以及在各設(shè)計(jì)水位下水位變?nèi)N水位下系纜角度對(duì)系纜力的

14、影響以及在各設(shè)計(jì)水位下水位變動(dòng)對(duì)系纜力影響。動(dòng)對(duì)系纜力影響。13（1）設(shè)計(jì)低、中和高水位時(shí)系纜力計(jì)算）設(shè)計(jì)低、中和高水位時(shí)系纜力計(jì)算 計(jì)算得到各系纜設(shè)施的系纜力最大值及其對(duì)應(yīng)的受荷工況，如下圖：計(jì)算得到各系纜設(shè)施的系纜力最大值及其對(duì)應(yīng)的受荷工況，如下圖： 領(lǐng)水錨受力達(dá)到最大值領(lǐng)水錨受力達(dá)到最大值 工況：工況： （設(shè)計(jì)底水位、縱向順?biāo)L(fēng)）（設(shè)計(jì)底水位、縱向順?biāo)L(fēng)） 橫纜受力達(dá)到最大值橫纜受力達(dá)到最大值 工況：工況： （設(shè)計(jì)高水位、吹開風(fēng)）（設(shè)計(jì)高水位、吹開風(fēng)） 首纜受力達(dá)到最大值首纜受力達(dá)到最大值 工況：工況： （設(shè)計(jì)高水位、縱向順?biāo)L(fēng)）（設(shè)計(jì)高水位、縱向順?biāo)L(fēng)） 14上游外開錨受力達(dá)到最大值上

15、游外開錨受力達(dá)到最大值 工況：工況： （設(shè)計(jì)低水位、吹攏風(fēng)）（設(shè)計(jì)低水位、吹攏風(fēng)） 下游外開錨受力達(dá)到最大值下游外開錨受力達(dá)到最大值 工況：工況： （設(shè)計(jì)高水位、吹攏風(fēng)）（設(shè)計(jì)高水位、吹攏風(fēng)）（2）水位變動(dòng)時(shí)系纜力分析）水位變動(dòng)時(shí)系纜力分析 在設(shè)計(jì)低水位下，當(dāng)水位上漲在設(shè)計(jì)低水位下，當(dāng)水位上漲1.2m時(shí)，領(lǐng)水錨鏈最大拉力將增大時(shí)，領(lǐng)水錨鏈最大拉力將增大20%。 在設(shè)計(jì)高水位下，當(dāng)水位上漲在設(shè)計(jì)高水位下，當(dāng)水位上漲0.3m時(shí)，首纜最大拉力將增大時(shí)，首纜最大拉力將增大20%。15 5000噸級(jí)的船舶受碼頭前沿水深的限制，須減載才能?？?。由上表可知該等噸級(jí)的船舶受碼頭前沿水深的限制，須減載才能停靠。由上表可知該等級(jí)船舶靠泊時(shí)，在設(shè)計(jì)低、中、高水位下，躉船系錨設(shè)施承載能力均滿足減載后級(jí)船舶靠泊時(shí)，在設(shè)計(jì)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?chǔ)備，但是在設(shè)計(jì)低水位下水位上漲船舶安全?？康囊蟛⑶矣凶銐虻陌踩珒?chǔ)備，但是在設(shè)計(jì)低水位下水位上漲1.2m或者設(shè)計(jì)高水位下水位上漲或者設(shè)計(jì)高水位下水位上漲