大水深鏈斗式挖泥船斗橋的設(shè)計

呂波

摘 要：斗橋設(shè)計是鏈斗式挖泥船設(shè)計過程中的一項重要工作，對于作業(yè)于深水區(qū)的鏈斗式挖泥船，其斗橋尺度大，特別是長度與寬度之比很大，在作業(yè)過程中的強度和剛度問題較為突出。本文主要研究了大水深鏈斗式挖泥船的斗橋設(shè)計方法，參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對箱型梁的規(guī)定，并結(jié)合挖泥船實際工作對斗橋的要求來確定斗橋的主要尺度和結(jié)構(gòu)布置。

關(guān)鍵詞：鏈斗式挖泥船；斗橋設(shè)計；結(jié)構(gòu)強度

中國分類號：671.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：The bucket ladder design is important in the design of bucket dredger. With large dimensions， particularly in the ratio of the length and the width， the ladder of bucket dredger working in deepwater area is faced with prominent strength problems during different operating conditions. This Paper mainly studies the ladder design method of bucket dreger working in deepwater area. The principal dimensions are determined by reference to the regulations on box girders in Design Code for Steel Structures and combined with the dreger's actual work reqiurements.

Key Words：Bucket dredger；Bucket ladder design；Structure strength

1 引言

三峽水庫建成后，庫區(qū)內(nèi)尤其是大壩和庫尾區(qū)泥沙淤積問題日益突出。作為河道清理的主要工程設(shè)備。鏈斗式挖泥船適用于挖掘淤泥、松散沙等，在三峽庫區(qū)的泥沙清理中能夠發(fā)揮其巨大的作用。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前國內(nèi)鏈斗式挖泥船的挖深一般在20 m～30 m以下，其挖深遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足庫區(qū)挖泥作業(yè)的要求，增大挖深成為必然，斗橋的長度也會隨之加長，其在作業(yè)過程中的強度問題也尤為突出。本文的研究是為這種大尺度斗橋的設(shè)計提供一定的參考，為大水深挖泥船的挖泥作業(yè)提供依據(jù)。

2 斗橋的一般設(shè)計思路

斗橋是鏈斗式挖泥船挖泥機具的重要組成部分。目前，關(guān)于斗橋的設(shè)計還沒有一種很完善的方法，斗橋的跨度一般較大，在水下作業(yè)時所承受的外力較為復(fù)雜，在設(shè)計中，對其強度和剛度的要求很高。而箱型梁截面抗扭剛度大，具有較大的剖面模數(shù)，是大跨度梁最好的結(jié)構(gòu)形式，在施工和作業(yè)過程中又具有良好的靜、動力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時，箱型梁的頂板具有很高的平整度，有利于泥斗自下而上的輸泥運動，所以一般采用箱型梁作為斗橋的基本結(jié)構(gòu)形式。

對于大水深鏈斗式挖泥船斗橋的設(shè)計，由于船的設(shè)計挖深大，便要求斗橋尺度相應(yīng)很大，長度可能達(dá)到100 m以上，且自身重量很大，為了保證斗橋作業(yè)過程中的受力和變形在正常范圍內(nèi)，需要將斗橋設(shè)計為封閉式結(jié)構(gòu)。在作業(yè)工況時，會向斗橋的部分艙室中注水，保證斗橋前端下放到預(yù)定深度的工作區(qū)域，并使吊點處的鋼絲繩承受一定的拉力，以及維持斗橋受力的均勻性和合理性。

3 大水深斗橋作業(yè)載荷分析及模型簡化

3.1 斗橋作業(yè)載荷分析

斗橋作為鏈斗式挖泥船必不可少的一部分，在作業(yè)中所受到的載荷種類與船的載荷十分相似，但由于其作為挖泥機具，功能和工作狀態(tài)的不同又會使其相應(yīng)的受到其他不同的靜、動載荷。大水深斗橋的載荷一般包含以下幾類：

式中：表示環(huán)境載荷的數(shù)量，表示第個環(huán)境載荷， 表示第個環(huán)境載荷對斗橋結(jié)構(gòu)的影響因子（0≦≦1）；

（4）斗橋的約束：在以上各載荷的作用下，斗橋還受到后斗塔上齒輪箱的支撐，以及前斗塔處鋼絲繩的約束，從而達(dá)到最終的平衡狀態(tài)。

3.2 斗橋作業(yè)工況力學(xué)模型簡化

斗橋在各作業(yè)工況時，其固定載荷均保持不變。本文研究的大水深鏈斗式挖泥船斗橋主要是針對三峽庫區(qū)這一水域進(jìn)行作業(yè)的，三峽庫區(qū)的風(fēng)和波浪本身較為平穩(wěn)，斗橋在作業(yè)過程中，大部分都處于水下，受風(fēng)和波浪的影響相對很小，因此，在模型簡化中，將環(huán)境載荷中風(fēng)和波浪的影響進(jìn)行忽略處理。對斗橋的模型簡化如圖1所示。

在圖1中，將斗橋簡化成后端簡支于支座A，吊點B處實際是采用鋼絲繩約束，以鋼絲繩對吊點產(chǎn)生的豎直向上的拉力T表示其對斗橋的作用。

假設(shè)斗橋自身重量沿長度方向均勻分布，斗橋上方鏈斗及斗中泥砂的重量也均勻分布在其頂板上，這兩部分重量對斗橋的作用可簡化為對梁向下的均布載荷，斗橋下方處于懸鏈狀態(tài)的鏈斗重量和下導(dǎo)輪重量簡化為作用于梁兩端的集中載荷、，水面以下部分對斗橋產(chǎn)生的浮力為。此時梁沿 軸方向的力和對支座A的力矩平衡方程為：

4.2 斗橋截面的初步設(shè)計

斗橋在作業(yè)狀態(tài)下由于受到浮力的作用，而浮力的作用是有利于斗橋總縱強度的，可以在一定程度上緩解其由重力作用引起的變形，因此，吊起狀態(tài)是斗橋最危險的工況，在設(shè)計過程中，以此工況的載荷情況作為其結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

4.2.1 水平吊起狀態(tài)下斗橋的載荷分析

斗橋處于水平吊起狀態(tài)時，所承受的固定載荷包括斗橋自身重量、泥斗重量、鏈條及導(dǎo)輪重量、銷子重量以及斗橋前端六角輪的重量；可變載荷包括泥斗中泥的重量（設(shè)計過程中取極限狀態(tài)，認(rèn)為泥斗充泥率均為1），雖然在水平吊起狀態(tài)下，泥斗中并無泥砂，但該狀態(tài)作為其他工況分析的參考，依然將泥砂重量視為設(shè)計過程中的一個固定載荷。

5 結(jié)語

本文主要對大水深鏈斗式挖泥船的斗橋設(shè)計進(jìn)行了研究，從大水深作業(yè)斗橋與大跨度箱型梁和船體結(jié)構(gòu)的相似之處著手，參考這兩種結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計過程，研究了作業(yè)于深水區(qū)域斗橋的設(shè)計方法。文中所考慮的是斗橋結(jié)構(gòu)的總縱強度問題，在大水深作業(yè)過程中，斗橋前段空艙處所承受的水壓力而引起的局部強度問題也應(yīng)在后續(xù)設(shè)計中加以考慮，另外，斗橋在不同作業(yè)工況下各艙室的注水方案也需進(jìn)行充分研究。

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