一種新型浮式單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

汪 宏，姜 睿，張新未，王廣強(qiáng)，王 飛

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

一種新型浮式單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

汪 宏，姜 睿，張新未，王廣強(qiáng)，王 飛

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

研究制作了一種抗風(fēng)浪能力強(qiáng),移動、拼接靈活、多用途、穩(wěn)定性較好的新型超大型浮體碼頭模型.根據(jù)相關(guān)理論資料確定浮體碼頭的形狀和尺寸，為驗(yàn)證其破浪穩(wěn)定性,進(jìn)行了初步模型試驗(yàn)研究.通過模型試驗(yàn),得到了新型浮式單體結(jié)構(gòu)相對危險(xiǎn)的工況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該種新型浮式單體結(jié)構(gòu)的波浪穩(wěn)定性要比傳統(tǒng)的箱型結(jié)構(gòu)好.

超大型浮體碼頭; 模型試驗(yàn); 波浪穩(wěn)定性

隨著船舶噸位以及吃水深度的不斷增加,現(xiàn)有不少港口規(guī)模已無法實(shí)現(xiàn)大型船舶的裝卸作業(yè),建造海上超大型多用途浮碼頭的需求日益擴(kuò)大.浮式結(jié)構(gòu)種類很多,其浮力是由均布在波浪中的若干小水面線構(gòu)件提供,用許多根浮桿和節(jié)點(diǎn)構(gòu)件組裝成很大的浮式網(wǎng)格結(jié)構(gòu),具有耐波性能好、波浪穩(wěn)定性好等特點(diǎn),但其結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜安裝維修困難.

超大浮體碼頭是指那些建于深海的一種活動式大型浮式碼頭,尺度以千米計(jì),具有可移動性、可拼接性、綜合性、多用途的功能.為了減小深海風(fēng)、浪、潮、流等惡劣環(huán)境對其影響,通常使用浮式防波堤對波浪進(jìn)行消減,使得碼頭工作環(huán)境中的波高盡量降低.以超大型浮體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),通過研究和開發(fā)利用超大浮體多用途碼頭,在彌補(bǔ)現(xiàn)有碼頭功能相對單一、位置固定不變、造價(jià)高等缺點(diǎn)的同時(shí),可根據(jù)實(shí)際工程需求建設(shè)在近?；蛏詈?完成碼頭貨物裝卸與存儲,并可在需要時(shí)進(jìn)行位置的轉(zhuǎn)移和自身功能的靈活變化.更可以開拓海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展新途徑,這對促進(jìn)我國海洋資源、海洋空間的利用以及國防事業(yè)的發(fā)展具有重要意義.圖1為根據(jù)新型浮式單體結(jié)構(gòu),結(jié)合了新型柔性浮式防波堤所構(gòu)想出的超大浮體多用途碼頭新型浮式港口體系,外圍是新型柔性浮式防波堤,內(nèi)部為新型浮式單體結(jié)構(gòu)組合拼接而成的超大浮碼頭[1-5].

圖1 新型浮式港口體系平面Fig.1 New floating port system plan

1 新型浮式單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在浮式防波堤圍成的海域中設(shè)置的超大浮體碼頭應(yīng)滿足穩(wěn)定性的要求,通過對單個浮體結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì),使其在正常工作即頂面正常堆載時(shí)初步達(dá)到穩(wěn)定,同時(shí)造價(jià)低、安裝維修方便.對于一般的箱型浮體結(jié)構(gòu),由于上部堆載比浮箱本身重量大得多,又因結(jié)構(gòu)趨于扁平,這使得結(jié)構(gòu)整體重心位于浮心上部,會出現(xiàn)不穩(wěn)定平衡.同時(shí)箱型浮體由于結(jié)構(gòu)龐大,如果使用過程中發(fā)生損壞,維修比較麻煩.

文中研制出一種新型浮式單體結(jié)構(gòu)如圖2所示,其不同于傳統(tǒng)的大體積箱體或半潛體,是由陣列式開孔的鋼質(zhì)平臺與通過連接裝置固定于孔中的下部圓柱形浮塊構(gòu)成基礎(chǔ)部分,上面布設(shè)型鋼構(gòu)成桁架式的梁結(jié)構(gòu),再在上部鋪設(shè)開有相同陣列式孔的上部工作平臺,并于孔上蓋有檢修井蓋.通過錨鏈系統(tǒng)固定其在海面的相對位置.該結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單,安裝維修方便,可通過合理的方式進(jìn)行拼接構(gòu)成超大浮體結(jié)構(gòu).

圖2 浮式結(jié)構(gòu)Fig.2 Floating structure

上部工作平臺由下部陣列式排布的圓柱形浮筒提供浮力,由于外圍使用浮式防波堤對波浪進(jìn)行消減,可以使得碼頭工作環(huán)境中的波高降低到2m以下[6-7],所以浮筒水面以上干舷高度為3m以保證在2m波高作用下上部平臺保持干燥的工作環(huán)境.浮筒在水下的部分裝有壓載水,在上部平臺工作過程中荷載條件發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行壓載水的灌排，以保證浮筒干舷高度保持為3m，避免產(chǎn)生過大的剪切作用對結(jié)構(gòu)造成破壞.通過浮體搖擺緩沖裝置由下而上的逐級消能,波浪對上部結(jié)構(gòu)的作用降到實(shí)際要求的范圍之內(nèi),實(shí)現(xiàn)浮式單體結(jié)構(gòu)上部工作平臺的基本穩(wěn)定.

由于上部鋼質(zhì)平臺是由下部位于不同點(diǎn)位的浮筒提供浮力,其抗傾覆穩(wěn)定性較箱型浮體要好.如果其中部分連接裝置損壞,或是下部浮塊需要更換,可以將井蓋打開進(jìn)行操作.

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和測量儀器

目前國內(nèi)外還尚無此結(jié)構(gòu)形式的研究成果,為研究這種新型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,文中對其進(jìn)行了初步模型試驗(yàn)研究. 試驗(yàn)是在江蘇科技大學(xué)船舶先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽中進(jìn)行的.該水槽長50m,寬0.8m,深1.0m,水槽一端裝有液壓式造波機(jī),造流系統(tǒng)采用1臺7.5千瓦雙流向軸流泵,采用變頻控制器調(diào)速,最大流速0.3m/s.造波機(jī)推板行程±350mm,頻率范圍0.2～2.0Hz;最大波高300mm.水槽另一端設(shè)有消浪網(wǎng),用以吸收波浪能量以減少波浪反射.為方便觀測結(jié)構(gòu)在波浪中的搖擺情況,在水槽玻璃擋墻外側(cè)布置有3°,5°,10°和15°的4根角度參考線進(jìn)行對照.水槽試驗(yàn)及模型布置如圖3.

圖3 水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Model test layout

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槌蟾◇w多用途碼頭新型浮式單體結(jié)構(gòu).根據(jù)幾何相似的概念,理論上,幾何比尺愈小,模型相似性愈好.由于實(shí)驗(yàn)條件等限制,幾何比尺無法取得過小,取模型比尺為1∶100的正態(tài)模型,在相似理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)[8-10].根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水槽的尺寸條件,確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L96cm,寬48cm,型深10cm,吃水7cm, 模型有兩種材料組成,上部平臺為有機(jī)玻璃材質(zhì),下側(cè)由雪弗板制作而成,模型的4個角為尼龍繩拉系而成的錨系裝置.

波浪對浮體的影響主要包括波長、波高、波速等三方面.由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,該實(shí)驗(yàn)僅針對波長和波高兩方面進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)主要是確定使浮體結(jié)構(gòu)物模型搖擺角最大的波長,以及在相對危險(xiǎn)波長條件下,浮體搖擺角達(dá)到臨界值3°時(shí)的波高,其次,將新型浮式結(jié)構(gòu)物與傳統(tǒng)箱體浮式結(jié)構(gòu)物的波浪穩(wěn)定性進(jìn)行對比.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)波長的確定

模型試驗(yàn)采用的規(guī)則波.根據(jù)波浪理論,波長λ可通過周期T和水深確定.實(shí)驗(yàn)室水槽波浪水槽水深為1.0m,試驗(yàn)最大波長為4.0m,所以可由深水公式λ=1.56T2進(jìn)行各類波長波的生成.在波高h(yuǎn)一定的情況下,通過不斷調(diào)整波長,確定浮體搖擺角達(dá)到最大的情況.根據(jù)波浪水槽造波參數(shù),只針對波高為3cm時(shí)的工況進(jìn)行試驗(yàn),并且從波長48cm開始,具體見表1(表中尺寸、波高、波長均以厘米計(jì))和圖4.表1給出了在波高為3cm時(shí)改變波長的多組實(shí)驗(yàn),并得到在不同波長情況下新型浮體的擺角大小,以此來確定在該組試驗(yàn)中的波長.圖4直觀描述了在實(shí)驗(yàn)所取的波長下,角度θ的變化趨勢.

通過表1和圖4得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看,當(dāng)波高為3，144，288cm時(shí)擺角較大,在該組實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)波長為48cm時(shí)擺角達(dá)到最大值,此為浮體“不利情況”.

表1 “波長”的確定試驗(yàn)工況Table 1 Most dangerous wavelength determination of data collection

圖4 新型浮式單體結(jié)構(gòu)物波長的確定Fig.4 New floating single structure to determine themost dangerous wavelength

2)浮體結(jié)構(gòu)物最小尺寸的確定

在上述 “波長”的情況下,即λ=48cm時(shí)，浮體在波浪中的搖擺是隨著波高的增加而加劇的,為此,可以確定使浮體搖擺角為臨界角3°時(shí)的波高.通過該波高與現(xiàn)實(shí)2m波高的比例關(guān)系(1∶100),可以由表2推算得到現(xiàn)實(shí)浮體的最小尺寸.表2給出的是在波長一定的情況下,通過改變實(shí)驗(yàn)允許范圍內(nèi)的波高值,以得到在波高不同的情況下,新型浮體的擺角大小.圖5記錄了在波長一定的情況下,擺角隨著波高h(yuǎn)的增加而增大的趨勢.

根據(jù)表2數(shù)據(jù),當(dāng)波長為該組“波長”48cm,波高增大達(dá)到水槽最大值3cm時(shí),擺角最大,為8°.當(dāng)擺角為3°時(shí),模型表面觸水,此時(shí)波高為1.5cm.由于實(shí)驗(yàn)條件限制,最小尺寸有待后續(xù)研究進(jìn)一步確定.

表2 浮式單體結(jié)構(gòu)最小尺寸的確定Table 2 Data collection of the minimum size of the floating monomer structure

圖5 波長情況下臨界波高的確定Fig.5 Determination of the critical wave height

3)新型浮式單體結(jié)構(gòu)物的波浪穩(wěn)定性與傳統(tǒng)箱型浮體比較

與新型浮式單體結(jié)構(gòu)相比,傳統(tǒng)箱型浮體從外形上看,多是長方體或其他形狀的浮箱,并無如圖1所示水下浮動裝置.選取相同排水體積的箱型浮體,在波高為3cm的前提下,不斷增大波長,測定并記錄新型浮式單體結(jié)構(gòu)物與箱型浮體各自的搖擺角,比較其相對大小,見圖6.

圖6 新型浮式單體結(jié)構(gòu)物的波浪穩(wěn)定性與傳統(tǒng)箱型單體結(jié)構(gòu)之比較Fig.6 Comparison of the wave-stabilitybetween NFMS and BFMS

通過上圖表對比可以看出,該新型浮式單體結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的箱型單體結(jié)構(gòu)而言,其擺角在實(shí)驗(yàn)中的每組波長下,均比箱型結(jié)構(gòu)小,并且根據(jù)流體力學(xué)的知識[2],定傾半徑:

(1)

式中：τ為浮體排開的流體體積；ZG為浮體的重心高度；ZF為浮心高度；I為浮體與液面對過其形心的軸線的最小二次矩；加浮體的質(zhì)量為m；長為a；寬為b；高為h；正浮式吃水深度為e；重心距離地面距離為r；浮心距離底面的距離為ZF(ZF=e/2),假設(shè)浮體在風(fēng)浪作用下的擺角為θ,則此時(shí)浮體與水面面積A對過其形心的軸線的最小二次矩為:

(2)

由式(2)代入式(1)得：

(3)

由浮體穩(wěn)定性判據(jù)可知,當(dāng)d>0時(shí),浮體是穩(wěn)定的,根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?以及實(shí)驗(yàn)得到的擺角數(shù)據(jù),帶入式(3)計(jì)算得d>0,浮體穩(wěn)定.所以綜合新型浮體與箱型浮體的擺角比較以及流體力學(xué)知識的計(jì)算,由此可判斷新型浮式單體結(jié)構(gòu)的波浪穩(wěn)定性較好.

3 結(jié)論

1) 通過對比分析可知,該種新型浮式單體結(jié)構(gòu)的波浪穩(wěn)定性要比箱型結(jié)構(gòu)好,即新型浮式單體結(jié)構(gòu)具有較好的抗波浪能力.

2) 模型尺寸為96cm×48cm的新型浮式單體結(jié)構(gòu)物在其他實(shí)驗(yàn)條件都相同的前提下,遇48cm波長時(shí)處于該組最危險(xiǎn)狀態(tài).

3) 在波長為最危險(xiǎn)波長不變時(shí),波高增加到1.5cm左右時(shí)搖擺角達(dá)到3°.

4) 由于該實(shí)驗(yàn)為初步模型實(shí)驗(yàn)研究并受實(shí)驗(yàn)室條件限制,在后續(xù)的研究中,進(jìn)一步確定該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸,并將針對更多不同的工況和不同的幾何比尺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.

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(責(zé)任編輯：貢洪殿)

Anexperimentdesignedtostudythestructureofthenewmonomerandfloatingwavestability

Wang Hong, Jiang Rui, Zhang Xinwei, Wang Guangqiang, Wang Fei

(School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

A strong anti-wave,removable,flexible splicing and multipurpose large floating dock model with a good stability was built and investigated.Based on relevant data,we designed the shape and size of the floating dock,and verified its good stability in waves and determined the relative risk situation through model tests.Also by comparative analysis,this kind of new floating structure is better than the traditional box structure in wave stability.

very large floating structures; model test; wave stability

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.04.003

2014-01-13

汪宏(1960—)，男，教授，研究方向?yàn)楦劭?、航道與近海工程.E-mail:wh2900@163.com

U656.1+17

A

1673-4807(2014)04-0317-04