玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計(jì)計(jì)算2001年1月玻璃鋼/復(fù)合材料31玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)訃計(jì)算趙會(huì)娟林維學(xué)付秀君王喜斌（河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院秦皇島分院）（天津大學(xué)）（中國(guó)耀華玻璃集團(tuán)公司）摘It：本文探討了玻璃鋼活節(jié)燈樁的設(shè)計(jì)訃算思想磬岀了玻璃鋼活節(jié)式燈樁靜水力性能，環(huán)境 荷戢，水動(dòng)力性能和燈樁沉壩的計(jì)算方法.關(guān)量詞:玻璃鋼活節(jié)式燈樁設(shè)計(jì)計(jì)算玻璃鋼活節(jié)式燈樁是一種把直立而有浮力的圓柱體用萬(wàn)向接頭連接到海底的海錨（沉塊）上的助航標(biāo)志本文以投放于天津新港主航道8助航標(biāo)志HBT2.0型玻璃鋼活節(jié)式燈樁為例，闡述玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計(jì)計(jì)算思想.1設(shè)計(jì)參數(shù)1.1環(huán)境參數(shù)投放位置:X:4314490.y:2057

2、4900:投放水深為新港深度基準(zhǔn)而以下5.0m;設(shè)汁最髙潮位5.0m;平均大潮高潮面3.8m;波浪周期為45s;波長(zhǎng)2535m;波高l.Jm;海流最大流速1.9節(jié)（0.98m/s）;冰層厚度0.6m:工作風(fēng)速6級(jí)（14nVs）:極限風(fēng)速8級(jí)（2oni/s）;頂部單側(cè)負(fù)載2kN?m;海底狀況為淤泥;燈光焦而髙度為平均大潮髙潮而以上4.0m.1.2燈樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)總體結(jié)構(gòu)為玻璃鋼與鋼復(fù)合;頂而至萬(wàn)向接點(diǎn)的總高11.47m;最大截面（浮體）直徑2.0m;最小截而（立柱）直徑0.25m:最大吃水8.96m;最小吃水3.96m;平均吃水力6m:系留方式為與沉塊較接.1.3坐標(biāo)系選取為了計(jì)算方便，坐標(biāo)系選取

3、萬(wàn)向接點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0,x軸平行于海底,z軸垂直向上，并認(rèn)為燈樁的運(yùn)動(dòng)只是繞英萬(wàn)向接點(diǎn)0在Z0X平而內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng).同時(shí)還采用了極坐標(biāo)系,其原點(diǎn)與上述直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合.其極半徑坐標(biāo)R與宜角坐標(biāo)系x,Z有如下關(guān)系：R2=x2+2環(huán)境荷載汁算2.1計(jì)算依據(jù)對(duì)燈樁所受環(huán)境荷載的計(jì)算按照中國(guó)船級(jí)社1992年版“海上固定平臺(tái)人級(jí)與建造規(guī)范”的有關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載，海流荷載和波浪荷載等流體荷載分別進(jìn)行了計(jì)算對(duì)冰荷載,考慮到 通常冰對(duì)樁柱的沖擊力都小于相應(yīng)的擠壓力，只計(jì) 算了相應(yīng)工況下的冰原擠壓作用力對(duì)于燈樁上的 小構(gòu)件，計(jì)算中予以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化或忽略.2.2風(fēng)荷載按規(guī)范，作用在物體上的左常風(fēng)荷載為：KK

4、2PoA(N)其中:K為風(fēng)荷載系數(shù)，對(duì)圓柱體側(cè)壁可取0.7; 為海上風(fēng)壓高度變化系數(shù):A為垂直于風(fēng)向的輪 廓投影而積(m2);Po為基本風(fēng)壓=0.613(Pl)；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速(m/s).2.3海流荷載：按規(guī)范，對(duì)于構(gòu)件單位長(zhǎng)度的海流荷fD可按下 式計(jì)算：1D= cD p? A?u(N/m)其中:CD為阻力系數(shù)，對(duì)圓形構(gòu)件可取1.0:p為海水 密度:A為單位長(zhǎng)度上構(gòu)件垂直于海流方向上的投影 面積(rd/m);u為設(shè)計(jì)流速(m/s).對(duì)上式沿?zé)魳冻运e分即得到作用在整個(gè)燈樁 上的海流載荷Fn.2.4冰載荷(擠壓作用力)：考慮冰層厚度為0.6m,并允許通過(guò).則對(duì)應(yīng)不 同潮位狀況，由幾何關(guān)系可以確定此

5、時(shí)極限角日. 考慮冰載荷作用單獨(dú)出現(xiàn),并使燈樁沒(méi)入水中. 由力矩平衡應(yīng)有：M1+MG:M 目其中:Ml為冰載荷矩M=F1?L1Me 為重力矩 Mc:G? c?sin0M 目為浮力矩 MB:(lrB+AFt;?aLs)8-0從而可求得冰載荷F1.2.5波浪載荷：對(duì)于本燈樁可視為小尺度物體.因此可按Mori, n公式計(jì)算英波浪載荷.對(duì)小尺度圓形構(gòu)件，垂直 于其軸線方向單位長(zhǎng)度上的波浪力為:.f-vc:號(hào) cD?p?D rul.u+cM?P?詈?D2?(N) 其中:Co為拖曳力系數(shù)，對(duì)圓形構(gòu)件取0.61.0;cM 為慣性力系數(shù)，對(duì)圓形構(gòu)件取2.0:D為圓形構(gòu)件的32玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計(jì)計(jì)算2001

6、年1月 直徑(m):u扮別表示垂宜于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相 對(duì)于構(gòu)件和加速度矢量.對(duì)于活節(jié)式燈樁的波浪載荷汁算，只需計(jì)及燈 樁本身繞餃接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度的影響，且波 浪水質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)為垂直其軸線上的分量，這時(shí)作用 于運(yùn)動(dòng)物體dr微段上波浪載荷mol8on公式為： -CDpD(r)lV 一曲 1(V 曲 xlr+cMP D2(r)(曲)dr+p嘻其中:r為dr徼段形心至績(jī)接點(diǎn)的距離;D(r)為dr微 段直徑;0,日分別為該燈樁繞狡接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和 角加速度;m為dr微段質(zhì)量.考慮靜傾角0.沿吃水枳分，整理得：口 O1f 一=虧 PcDD(r)lV 一曲 1(V 一曲)dr+cMP 號(hào))()Pcm

7、 -mlriO其中:為附加質(zhì)量系數(shù)，對(duì)圓柱體cm=l且=c+l;V=ll 刪觀一 wsinO.可見(jiàn)此時(shí)運(yùn)動(dòng)物體上波浪載荷作用包含了附加質(zhì)量力和慣性力，波浪力和拖曳力.同理，波浪力矩：T/O08-M 一跚 wave其中:dM 哪 e=cDpD(r)lV 一曲 1(V 一曲)dr+cMPD2(r)( 一船+p m0考慮燈樁的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)十分緩慢,且英吃水并不大,則上兩式中的0項(xiàng)可以忽略不計(jì),計(jì)算中視不同 工況分別采用A.啊波理論和Stokes五階波理論由 Stokes五階波理論可知波浪水質(zhì)點(diǎn)x,z向速度和加 速度分別為：u=言 n Gcli(iikx)cosn(kx 一而 t)w=宴 n，ch(nkx

8、)siiin(kx 一瑟)耋 n2 eh(nkx)siiin(kx 一武)az= n?G=ch(nkx)eosn(h 一)其中:k為波數(shù)為水深;自為圓頻率.GI=aAIl+ll 3A13+a5A1562=如+G3=Aoc+a5A35G4=A44島朋55An=l/SAn= C2(5C2+l)/(8s6)AII=(1184C 1440C- 1992c6+2641C249+18)/( 1536S.)Aoo=3/(8s4)A.4=(192 424c63120+480C217)/(768S.OA33=(13 一ICz)/(64S7)f512C+4224C 6800Cs 一 1 甥oo1+167o4c43

9、154C2+107J/(4096S(6C21)=(80c68160+1338C- 197)/(1536S(6C21)A55=(2880C 一 7248oc+32400c643200c4163470C216245)/(61440S(6C21)(8011C2+3)其中:S=sinhkh;C=coshlda.以上公式若只取lit=l項(xiàng)，就是對(duì)應(yīng)A波理論 公式.2.5.1怎常環(huán)境荷載作用下的豎直靜平衡狀態(tài)： 計(jì)算表明，低潮位，來(lái)波周期T=4秒下波浪荷 載取得最大值.2.5.2左常環(huán)境荷載作用下的傾斜平靜衡狀態(tài) 選擇工作風(fēng)速6級(jí)，單側(cè)負(fù)載200N工況,此時(shí)為 最大靜傾角狀態(tài)計(jì)算表明，低潮位，來(lái)波周期T=

10、4 秒下波浪荷載亦取得最大值.3靜水力性能計(jì)算總重量G=ZGII重量矩 MG=5P(v)rdv=毒 Gi重心極坐標(biāo)半徑k:轉(zhuǎn)動(dòng)(極)慣量J=lp(v)r2= Gi總排水體積V=v;i=l排水體積矩Mv=svjri2001年1月玻璃鋼/復(fù)夸材料33其中:L為第i個(gè)組件的重心極坐標(biāo)半徑 浮心極坐標(biāo)半徑Ls：!總浮力Fs=p?V有教浮力F=FsG靜傾角的汁算;將燈樁上作用的所有靜力(風(fēng)荷載，海流荷載)和英自身的浮力，重力對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)0(狡接點(diǎn))取矩，可以求得靜傾角&knd+FD考慮負(fù)載時(shí)有:,k+F其中咖為風(fēng)荷載作用點(diǎn)極坐標(biāo)半徑;Lo為海流荷 載作用點(diǎn)極坐標(biāo)半徑:AG為頂部單側(cè)負(fù)載;G為頂 部單側(cè)負(fù)載

11、作用點(diǎn)極坐標(biāo)半徑.4水動(dòng)力性能計(jì)算4.1附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣計(jì)算由于該燈樁屬于細(xì)長(zhǎng)體,流體經(jīng)過(guò)并引起其運(yùn) 動(dòng)時(shí)，附近的流體主要任垂直其軸線的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)， 因此可以將該三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維問(wèn)題處理，即采 用切片法在XOZ平面內(nèi)饒鐵接點(diǎn)O的極附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量同時(shí)該燈樁又屬于小尺度物體,因此可以忽略 阻尼力作用.由切片法知，對(duì)于半徑為a的圓形剖面，苴二維附加質(zhì)量系數(shù)為：A,=p?a2當(dāng)燈樁繞鐵接點(diǎn)0運(yùn)動(dòng)時(shí)，極坐標(biāo)半徑為r的切 片有切向加速度r?,在該切片上對(duì)應(yīng)的切向力： d=A=(Ps?aZ(r)dr)此時(shí)對(duì)原點(diǎn)0的矩：dM5:A55?r2?:(P 且 2(r)dr)?I2?對(duì)其沿長(zhǎng)度積分得到總的搖蕩力矩為；T(

12、J O?aZ(r)?r2sdr)?5由泄義知*15小勺?5Ta2(r)dr由于燈樁由不同直徑的圓柱或圓臺(tái)組成因此 可將上式離散得附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：_+1A=Xfy?(r)?r2?dri4.2燈樁靜水中運(yùn)動(dòng)方程和自由搖擺周期 不考慮流體阻力作用，括肖式燈樁在靜水中繞 鐵接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為：(J+aJ)1+(FBGt-)O=O即+()8=0這樣，自由搖擺運(yùn)動(dòng)周期為：T=74.3燈樁波浪中運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算 在風(fēng)，流和波浪的聯(lián)合作用下，燈樁將在其靜傾 角平衡位置發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng)，此時(shí)應(yīng)給出其動(dòng)傾角幅 值.考慮外力平衡，對(duì)錢接點(diǎn)o取矩,得到精確描述 燈樁規(guī)則波中搖擺運(yùn)動(dòng)的方程為：(J+AJh+RO=M其中:M 為波浪

13、力矩:R為恢復(fù)力矩.R=FBLssinO-Gl .csinO-A GIsinO+號(hào) g)+吉 J)si 曲 s其中:D為水線而附近燈樁直徑.則有：m.曲，M =J =PCDIun 一曲 f(u 仇一O)D(r)rdr+4(D_u.tdr其中.im為垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)部件軸線上的速度分量Un:ucosO vsinO,燈樁的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)單自由度系統(tǒng)在周期變化環(huán) 境載荷作用下的往復(fù)搖蕩運(yùn)動(dòng)由波浪激勵(lì)力矩可 以看岀該力矩與燈樁運(yùn)動(dòng)相耦合，且為燈樁轉(zhuǎn)動(dòng)角 速度的非線性函數(shù)，這樣方程只能采用數(shù)值方法求 解.問(wèn)題的處理變得十分復(fù)雜，這對(duì)工程問(wèn)題的解 決是得不償失的.如果考慮其轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)十分緩慢，且靜傾角很小， 吃水亦很

14、小這樣問(wèn)題會(huì)得到適當(dāng)簡(jiǎn)化對(duì)波浪力 矩,忽略含0項(xiàng),并考慮加一曲I 口 0.則有：M 一:吉 PC.qD()rdr+4(r)kirdr+fpCDuD(r)dr?O這樣,燈樁搖擺運(yùn)動(dòng)方程可寫為：(J+AJ)H+09+R0:M:其中:C為拖曳阻尼力矩，且：口 1甜C=J pcDuD(r)?drM為波浪激勵(lì)干擾力，且：嚨1專 PCDu 仇 D(r)rdr淺析玻璃鋼夾砂管道優(yōu)點(diǎn)和運(yùn)用2001年1月+4(r)_urdr為訃算方便，考慮燈樁在諧激勵(lì)作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與激勵(lì)相同頻率的振蕩，則令：M啪=1代啪一叫J0:e 一娃)得:|R-(J+AJ)%=e,0方程為關(guān)于燈樁轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傾角幅值的復(fù)數(shù)方程,解得:eP)

15、R -(J+aJ)- i另外,由于波浪激勵(lì)干擾力一與時(shí)間有關(guān)，亦可以采用變步長(zhǎng)RugeKutta法或迭代法在每一選左的時(shí)間段內(nèi)直接對(duì)基本運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值求解.5計(jì)算燈樁沉塊重疑燈樁為重力式活節(jié)式玻璃鋼燈樁，主要靠水下沉塊底部與淤泥問(wèn)的摩擦力抗滑，由地基基礎(chǔ)理論可知，為保護(hù)平衡狀態(tài)，應(yīng)有如下關(guān)系：亳K其中:為抗滑阻力，且Fm=(W+G 一 1S).其中:為摩擦系數(shù)FH為滑動(dòng)力，且FH=F-+Dd+FnK為安全系數(shù)則沉塊重量w. K+1SG計(jì)算中考慮最危險(xiǎn)狀態(tài),即風(fēng)荷載取極限風(fēng)速8級(jí)，波浪荷載取波浪同期中最大值，且低潮位狀態(tài)燈樁所受的水平滑動(dòng)力為最大.6計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果由表1給出.表1計(jì)算鰭果注:

16、未考慮在定常環(huán)境載荷作用下燈樁產(chǎn)生的靜傾角,僅考慮其豎直靜平衡狀態(tài).(下轉(zhuǎn)第36頁(yè))淺折玻璃鋼夾砂管道優(yōu)點(diǎn)和運(yùn)用2001年1月按一個(gè)月供水量25萬(wàn)I,輸水距離為40Km採(cǎi)用一條工業(yè)污水排放工程建設(shè).工業(yè)污水都含 有腐內(nèi)徑2.0m的管道供水，用鋼管全年運(yùn)行耗電量約為蝕性的酸,堿物質(zhì)，特別是造紙，印染，制革, 冶煉和化680萬(wàn)KW?h.如用混凝土管全年運(yùn)行耗電量為840工等工業(yè)廢水，腐蝕性更為嚴(yán)重鋼,鑄鐵和 鋼筋混萬(wàn)KW?h.用玻璃鋼夾砂管道全年運(yùn)行耗電量?jī)H為凝上管道工程壽命很短這些管道埋于地下, 維修和380萬(wàn)KW?h,且后者無(wú)需年年檢修，水質(zhì)無(wú)銹，無(wú)污更新非常困難.成本較高，因此使用玻璃鋼 夾

17、砂管道染.玻璃鋼夾砂管道還可廣泛用于原有管道改造最適宜.拯統(tǒng)訃，我國(guó)城鎮(zhèn)供水管道中鑄鐵管道約占75%.(4)農(nóng)田灌溉建設(shè)我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水量約占總 用由于管道的銹蝕，摩擦阻力逐年加大，輸水能量逐年水量的80%,可我國(guó)絕大部分采用傳統(tǒng)的 土渠輸水，下降，使用510年后便逐步阻塞和裂漏,因?yàn)槁┧疂B透損失極為嚴(yán)重.隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，科技 的興起，沖破公路地而而停產(chǎn)搶修的情況屢見(jiàn)不鮮.若采用我國(guó)一些地區(qū)使用了玻隅鋼管逍和玻璃鋼 夾砂管道玻璃鋼夾砂管道進(jìn)行更新改造,不僅比原有管道小輸水灌溉(包括無(wú)匪力輸水，噴灌，滴灌等)獲 得節(jié)水，20%的管徑，又可以減少不必要的流失.節(jié)地，節(jié)能，高產(chǎn)的巨大經(jīng)濟(jì)效益.城市下水

18、道排污工程建設(shè).城市生活污水處(5)苴他排水工程建設(shè)在沿?；蛱詈Ｔ斓氐?理和排放是市政建設(shè)中的重要環(huán)境衛(wèi)生摘施近幾區(qū)，廠礦，機(jī)場(chǎng)，碼頭，道路等工程中排泄雨水 和污水年由于城市發(fā)展迅速，人VI猛增，導(dǎo)致生活污水排放的管道均可采用耐酸堿.占地少，流疑大, 運(yùn)輸輕便，量日漸上升，已經(jīng)超過(guò)了工業(yè)污水的排放量.原有下挖填方量小的玻璃鋼管道和玻璃鋼夾砂管 道.水道大多超負(fù)荷運(yùn)行而急需擴(kuò)建平均每年要更新綜上所述，實(shí)踐證明使用玻璃鋼管逍和玻璃 鋼夾1018%.從城市整潔和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，建議在擴(kuò)建砂管道為主的運(yùn)輸管材，是新材料的一次重 大突破，及更新下水道時(shí)，優(yōu)先采用防腐耐用，光滑流暢的玻不僅有著顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，而 且是利國(guó)，璃鋼夾砂管道利民，利創(chuàng)業(yè)的一件大好事.BRIEFINTRODUCTIONOFPIPEADVANTAGEANDAPPLICATIONZhouXiaozlien(Ji.iChcmicalCo.DA)Ahi 嘲:TheattialedclibesRPMpireadvantageandapplication.Kq_fds:RPMpipead vantageapplication收稿日期:2ooo-