淺海浮式棧橋錨碇系統(tǒng)布鏈方式比較

趙晶

(海軍研究院海防所,山東青島 266100)

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，沿海地區(qū)的淺海水域開(kāi)發(fā)建設(shè)越來(lái)越廣泛,但水深極淺的淺海水域給大宗貨物上岸帶來(lái)了極大麻煩，如能建設(shè)大型的海上浮式平臺(tái)并通過(guò)淺海浮式棧橋與淺海灘涂連接，可為解決這一難題提供一種便捷有效的方法[1-2]。海上浮式棧橋能否成功應(yīng)用，在很大程度上取決于錨定技術(shù)是否可靠[3-5]。與此相關(guān)的內(nèi)河浮橋的錨定技術(shù)早已有了充分的研究和成熟的設(shè)計(jì)理論，但海上浮式棧橋常常受到風(fēng)、流、浪等使用環(huán)境因素及珊瑚礁盤(pán)的地質(zhì)條件的影響[6-7]，海上浮式棧橋的錨定技術(shù)與內(nèi)河浮橋有一定的不同，故本文對(duì)淺海浮式棧橋錨碇系統(tǒng)的布鏈方式進(jìn)行進(jìn)一步研究[8]。

1 實(shí)體參數(shù)及建模

圖1 單橋節(jié)浮箱的主體尺寸及波向角定義

1.1 淺海浮式棧橋的實(shí)體參數(shù)

淺海浮式棧橋入海端連接靠泊平臺(tái)，連岸端連接卸載平臺(tái)，中間由3節(jié)橋節(jié)連接而成，每一個(gè)橋節(jié)即為一個(gè)巨大的浮箱，浮箱高1.8 m，吃水深度約為0.36 m，其主體平面尺寸如圖1所示。

1.2 建模

圖2 浮箱計(jì)算模型

根據(jù)浮箱的主要技術(shù)參數(shù)，圖1中的xOy平面為水面，采用ANSYS軟件中的殼單元shell63對(duì)單個(gè)浮箱進(jìn)行建模。由于利用AQWA-LINE對(duì)浮箱的附加質(zhì)量、輻射阻尼、衍射力數(shù)據(jù)以及每個(gè)波長(zhǎng)、每個(gè)波浪方向上的漂移力等進(jìn)行計(jì)算時(shí)[9]，水面線以下部分對(duì)計(jì)算精度有很大影響，故在劃分網(wǎng)格時(shí)，以水面線為基準(zhǔn)對(duì)浮箱的計(jì)算模型進(jìn)行分割，將水面線以下部分劃分為較為細(xì)密的網(wǎng)格，水面線以上部分劃分為較大的網(wǎng)格[10]。

通過(guò)ANSTOAQWA命令將節(jié)點(diǎn)和單元信息導(dǎo)出，再用于AQWA-LINE計(jì)算的卡片式輸入文件中，輸入投錨點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)并修改其他計(jì)算參數(shù)，建立淺海浮式棧橋的計(jì)算模型。導(dǎo)入至AQWA中的模型如圖2所示。

2 荷載施加與布鏈方式

2.1 荷載施加的方法

淺海浮式棧橋的作業(yè)條件為3級(jí)海況，風(fēng)速相當(dāng)于蒲福風(fēng)級(jí)5～6級(jí)，流速1.5 m/s，波高1.0 m。錨碇系統(tǒng)布鏈方式和預(yù)張力與單個(gè)浮式棧橋橋節(jié)所受的荷載有關(guān)。淺海浮式棧橋的外部荷載主要有風(fēng)荷載、水流荷載和波浪荷載，荷載的大小和方向?qū)蝹€(gè)浮式棧橋橋節(jié)的運(yùn)動(dòng)和錨碇系統(tǒng)的受力有很大影響。由于淺海浮式棧橋是用于淺海水域建設(shè)時(shí)的臨時(shí)性施工便橋，無(wú)重載車(chē)輛通行和頻繁的車(chē)輛行駛，對(duì)布鏈方式的選擇影響極小，故在計(jì)算時(shí)忽略了垂向荷載的作用。

在施加波浪荷載時(shí)，導(dǎo)入了JONSWAP波浪譜，并可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求和外部環(huán)境條件來(lái)定義波浪的波高和波向等參數(shù)。絕大部分的海岸帶水域由海向陸逐漸變淺，由于波浪的折射作用，無(wú)論波浪初始傳播方向如何，隨著水深變淺，都有逐漸轉(zhuǎn)向垂直于海岸向岸推進(jìn)的趨勢(shì)[11]。但由于淺海水域的淺水區(qū)寬度不足，又考慮到淺海浮式棧橋向海中延伸了一段較長(zhǎng)的距離，波浪的這種近岸效應(yīng)難以使波向角完全達(dá)到0°，故在數(shù)值模擬時(shí)可將波浪荷載的波向角假定為30°，波向角的定義如圖1所示。

波浪在礁盤(pán)邊緣破碎后，演變?yōu)樯习读骱晚槹读鳎较蚣礊?°和90°，由于浮箱浮于水面且吃水較淺，僅按照水面處的流速進(jìn)行了定義。在施加風(fēng)荷載時(shí)，采用NPD風(fēng)譜，同樣可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和環(huán)境條件定義高度為10 m處的風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)。由于風(fēng)荷載方向更加多變，出于設(shè)計(jì)安全的考慮，使風(fēng)荷載與波浪荷載、流荷載方向相同，形成相互疊加的效應(yīng)，故選取風(fēng)荷載方向?yàn)?°、30°、90°三種方向進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 布鏈方式

圖3 α示意圖

對(duì)于淺海浮式棧橋布鏈方式的研究目前并沒(méi)有具體的理論，相關(guān)研究尚在探討階段[12-15]。文獻(xiàn)[16]通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，錨泊線夾角為22.5°～67.5°的錨碇系統(tǒng)布置方式的系統(tǒng)回復(fù)力顯示出方向上的平穩(wěn)性，而夾角為40°～60°，45°～60°提供的系統(tǒng)回復(fù)力隨著波浪方向的變化而變化。文獻(xiàn)[17]根據(jù)潮流實(shí)驗(yàn)電站的實(shí)際錨泊布置需要，討論了復(fù)雜海底地形的錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)環(huán)境要求設(shè)計(jì)了4條錨泊線組成的錨泊陣列，錨泊線的張角根據(jù)近岸和離岸兩側(cè)水深不同而采用不同的角度。錨泊線的最優(yōu)夾角應(yīng)處于一定范圍之內(nèi)，而且會(huì)根據(jù)環(huán)境條件和水深的不同而變化。由于在淺海水域無(wú)法使用大型的施工船舶，施工作業(yè)面臨很多困難，所以要盡量減少投錨的次數(shù)以方便施工，因此每個(gè)浮箱使用4根錨鏈進(jìn)行錨定，分別系掛在如圖3所示的橋節(jié)上A、B、C、D處的系錨點(diǎn)上。設(shè)各系錨點(diǎn)上錨鏈走向與浮箱長(zhǎng)邊夾角為α，如圖3所示。α以15°為步長(zhǎng)，在15°～165°范圍內(nèi)取值，α為15°～75°時(shí)的布鏈方式為“交叉式”，α為90°時(shí)的布鏈方式為“平行式”，105°～165°時(shí)的布鏈方式為“八字式”。淺海浮式棧橋所處淺海的水深為8.0 m，根據(jù)資料可將投錨距離定為90.0 m。

3 計(jì)算結(jié)果的比較分析

橫搖在淺海浮式棧橋使用中對(duì)車(chē)輛安全通行影響最大，其次是縱搖，但不能僅按照橫搖和縱搖來(lái)判定布鏈方式的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[18]在單個(gè)系泊浮體布鏈方式的研究中指出，衡量布鏈方式優(yōu)與劣的主要因素是錨鏈所能提供的橫搖和艏搖恢復(fù)力矩的大小和方向。如果綜合考慮艏搖和橫搖，錨鏈?zhǔn)强刂启紦u的主要因素，所以其恢復(fù)力矩的大小直接影響到艏搖幅值的大?。粚?duì)于橫搖來(lái)說(shuō)，除錨鏈橫搖恢復(fù)力矩外，還有靜水恢復(fù)力矩，且對(duì)于較大尺度浮體，一般情況下錨鏈橫搖恢復(fù)力矩遠(yuǎn)小于靜水恢復(fù)力矩，所以錨鏈不是控制橫搖的主要因素，可以不必考慮其對(duì)橫搖幅值的影響[18]。除此之外，文獻(xiàn)[19-20]都以浮體水平位移和水深的比值作為浮體允許位移的標(biāo)準(zhǔn)。

因此在波浪荷載方向?yàn)?0°、風(fēng)流荷載方向分別為0°、30°和90°三種情況下，計(jì)算300 s內(nèi)浮箱6個(gè)自由度方向的位移平均值和4根錨鏈的錨鏈力隨α變化情況，并進(jìn)行比較分析。

3.1 風(fēng)、流荷載方向?yàn)?°

風(fēng)流荷載方向?yàn)?°時(shí)，浮箱在6個(gè)自由度方向的位移隨α的變化如圖4所示。

圖4 風(fēng)流荷載方向?yàn)?°時(shí)浮箱在6個(gè)自由度方向的位移隨α的變化

由圖4a)、b)可知：當(dāng)α較小或較大時(shí)，即采用交叉布鏈或八字布鏈，且錨鏈的走向與風(fēng)、流荷載方向夾角很小時(shí)，錨鏈對(duì)浮箱縱蕩的限制作用比較明顯，而對(duì)浮箱橫蕩難以形成有效的限制作用，只有當(dāng)浮箱橫蕩達(dá)到一定程度時(shí)，錨鏈被“拉緊”后，錨鏈水平分力才能與外部荷載相平衡；當(dāng)α=90°時(shí)，即平行布鏈時(shí)，錨鏈走向與風(fēng)、流荷載方向的夾角為90°，錨鏈對(duì)浮箱橫蕩的限制作用十分明顯，而對(duì)浮箱縱蕩難以形成有效的限制，只有當(dāng)縱蕩到達(dá)一定程度，錨鏈水平分力方向與風(fēng)、流荷載方向不再具有明顯的垂直關(guān)系時(shí)，錨鏈才能對(duì)浮箱的縱蕩產(chǎn)生一定的限制作用。

由圖4e)可以看出:隨α的增加，浮箱的橫搖平均值存在著減小的趨勢(shì)，但浮箱橫搖的變化幅度不足0.1°。由此可見(jiàn)，交叉布鏈對(duì)浮箱橫搖的限制作用比八字布鏈弱，但八字布鏈的優(yōu)勢(shì)并不是十分明顯。

由圖4f)可以看出:當(dāng)α較小時(shí)，艏搖平均值較大，這主要是由于錨鏈走向與風(fēng)、流荷載方向的夾角較小，錨鏈難以對(duì)浮箱艏搖形成有效的限制作用；當(dāng)α=40°～70°時(shí)，浮箱的艏搖平均值的變化較小；當(dāng)α=90°時(shí)，即平行布鏈時(shí)，浮箱艏搖平均值存在最小值；當(dāng)α大于90°時(shí)，即八字布鏈時(shí)，艏搖平均值先隨α增加而增大，后有所減小，并在145°附近存在極大值。

由圖4可知，隨α的增加，浮箱縱蕩、橫蕩和艏搖平均值的變化幅度較大，浮箱垂蕩、橫搖和縱搖平均值的變化幅度較小。若只從對(duì)車(chē)輛安全通行影響最大的橫搖平均值來(lái)判定，顯然是八字布鏈稍具優(yōu)勢(shì)。但在作業(yè)條件下浮箱的水平位移也應(yīng)有一定的限制，交叉布鏈和八字布鏈的縱蕩平均值和橫蕩平均值的變化十分相似，α=40°～70°時(shí)的交叉布鏈艏搖平均值比α在110°～140°時(shí)的八字布鏈艏搖平均值小。通過(guò)比較可以看出，平行布鏈或α接近90°的交叉布鏈和八字布鏈不可取，而且當(dāng)α較小或者較大時(shí)，也并非合適的布鏈方式。

風(fēng)流荷載方向?yàn)?°時(shí)錨鏈力隨α的變化如圖5所示。

對(duì)于1#錨鏈，由于浮箱重心發(fā)生了偏向A點(diǎn)的位移，故α較小時(shí)，即布鏈方式為交叉布鏈時(shí)，1#錨鏈被“拉緊”，所以錨鏈力較大，且隨著α的增加而增大；當(dāng)α較大時(shí)，即為八字布鏈時(shí)，1#錨鏈處于“放松”的狀態(tài)，故錨鏈力偏小。

對(duì)于2#錨鏈，當(dāng)α較小時(shí)，即交叉布鏈時(shí)，與B點(diǎn)相連接的2#錨鏈處于“放松”的狀態(tài)，故錨鏈力偏??；當(dāng)α較大時(shí)，即為八字布鏈時(shí)，2#錨鏈被“拉緊”，故錨鏈力較大。

對(duì)于3#、4#錨鏈，由浮體縱蕩和橫蕩位移的方向，雖然3#錨鏈力和4#錨鏈力出現(xiàn)的變化與1#錨鏈力和2#錨鏈力的變化不同，但原因是相同的。3#錨鏈力在α為40°～70°的交叉布鏈時(shí)比較小，4#錨鏈力在α為45°附近時(shí)有著一段較為平穩(wěn)的值。

a)1#錨鏈 b)2#錨鏈 c)3#錨鏈 d)4#錨鏈圖5 風(fēng)流荷載方向?yàn)?°時(shí)錨鏈力隨α的變化

由圖5可以看出，3#錨鏈和4#錨鏈的受力較大，外部環(huán)境荷載主要施加于浮箱的CD邊一側(cè)。同時(shí)可以看出，當(dāng)α接近90°時(shí)，錨鏈力平均值較大，故要盡量避免采用平行布鏈或α接近90°的交叉布鏈和八字布鏈。

3.2 風(fēng)、流荷載方向?yàn)?0°

風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)，浮箱在6個(gè)自由度方向的位移隨α的變化如圖6所示。

圖6 風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)，浮箱在6個(gè)自由度方向的位移隨α的變化

由圖6可知，浮箱縱蕩、橫蕩和艏搖隨α的變化與風(fēng)、流荷載方向?yàn)?°時(shí)的浮箱縱蕩、橫蕩和艏搖隨α的變化規(guī)律基本相似，故不論是選擇交叉布鏈還是八字布鏈，α的值都要處于一個(gè)較為適中范圍內(nèi)。在橫搖平均值的比較上，交叉布鏈在α=45°附近時(shí)，浮箱橫搖方向的位移有著一個(gè)極小值，而且從浮箱艏搖方向的位移看來(lái)，α=40°～70°時(shí)的交叉布鏈似乎更為合適。

風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)錨鏈力隨α的變化如圖7所示。

由圖7可以看出，3#錨鏈和4#錨鏈的受力比風(fēng)、流荷載方向?yàn)?°時(shí)3#、4#錨鏈的受力更大。同時(shí)，3#錨鏈力在α為45°～75°時(shí)出現(xiàn)了變化比較平穩(wěn)且數(shù)值較小的一段曲線，4#錨鏈力在45°附近時(shí)存在極小值。故在選定布鏈方式后，可由此確定一個(gè)較為具體的α值。

a)1#錨鏈 b)2#錨鏈 c)3#錨鏈 d)4#錨鏈圖7 風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)錨鏈力隨α的變化

3.3 風(fēng)、流荷載方向?yàn)?0°

風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)，浮箱在6個(gè)自由度方向的位移隨α的變化如圖8所示。

圖8 風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)，浮箱在6個(gè)自由度方向的位移隨α的變化

由圖8可知：各方向的浮箱位移平均值隨α的變化較之前兩種工況下的變化趨勢(shì)基本一致。浮箱縱蕩、橫蕩隨α的變化與風(fēng)、流荷載方向?yàn)?°和45°時(shí)的浮箱縱蕩、橫蕩隨α的變化仍然十分相似。交叉布鏈時(shí)的橫搖平均值雖然仍大于八字布鏈時(shí)的橫搖平均值，但變化范圍更小。在交叉布鏈α約為45°～75°時(shí)，浮箱的艏搖平均值比較小且存在著極小值，而在α較大時(shí)，即八字布鏈時(shí)，浮箱的艏搖平均值略大。

風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)錨鏈力隨α的變化如圖9所示。

a)1#錨鏈 b)2#錨鏈 c)3#錨鏈 d)4#錨鏈圖9 風(fēng)流荷載方向?yàn)?0°時(shí)錨鏈力隨α的變化

由圖9可以看出，1#錨鏈力和2#錨鏈力隨α的變化與之前兩種工況下的變化規(guī)律基本相似，但變化范圍明顯變小，可見(jiàn)1#錨鏈和2#錨鏈處于 “放松”的狀態(tài)。3#錨鏈力和4#錨鏈力隨α的變化與之前兩種工況下的變化規(guī)律有所不同，當(dāng)α較小或較大時(shí)，3、4#錨鏈的錨鏈力平均值都比較大，這主要是由于錨鏈的走向與比風(fēng)、流荷載方向的夾角接近90°，浮箱只有在出現(xiàn)一定的橫向位移，錨鏈被“拉緊”后，才能產(chǎn)生與外部荷載相平衡的錨鏈水平分力。

在實(shí)際工程中，淺海浮式棧橋是由首尾相連的浮箱式橋節(jié)拼組而成，浮橋縱向兩端會(huì)安裝多根纜索來(lái)固定浮箱，整個(gè)棧橋的縱蕩位移還會(huì)有所減小。上述分析表明：縱蕩平均值和橫蕩平均值的變化范圍較大，故α的取值應(yīng)當(dāng)適中為宜，不應(yīng)較小或較大或接近于90°，八字布鏈時(shí)的橫搖平均值較交叉布鏈時(shí)的橫搖平均值略大，而縱搖和艏搖平均值的比較可以看出交叉布鏈較小。但布鏈方式的選擇不僅需要考慮浮箱位移和錨鏈力的大小，還要考慮布鏈方式對(duì)施工、通航、經(jīng)濟(jì)性等方面的影響，考慮到通航和前方尚需要建造靠泊平臺(tái)的情況，且在α的取值較為適中時(shí)交叉布鏈和八字布鏈的區(qū)別較小，故將布鏈方式定為交叉布鏈。淺海浮式棧橋的α具體值可根據(jù)浮箱六自由度位移隨α的變化情況，以及錨鏈力隨α的變化情況，將其定為45°。

4 結(jié)論

利用ANSYS下基于勢(shì)流理論的高度集成模塊AQWA，對(duì)浮式棧橋錨碇系統(tǒng)的布鏈方式進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比浮箱六自由度的位移平均值和4根錨鏈的錨鏈力平均值，表明：

1)浮箱的橫蕩平均值和縱蕩平均值受布鏈方式的影響很大，在內(nèi)河浮橋錨定中常用的平行式布鏈并不適用于淺海浮式棧橋的錨定，α較小的交叉式布鏈或α較大的八字布鏈同樣不適用于淺海浮式棧橋的錨定。

2)布鏈方式不是控制橫搖的主要因素,是控制艏搖的因素。

3)對(duì)處于迎受風(fēng)、流、浪荷載一側(cè)的3#和4#錨鏈而言，錨鏈力遠(yuǎn)比1#和2#錨鏈的錨鏈力大，而且在α為40°～60°、120°～140°的范圍內(nèi)時(shí)，3#和4#錨鏈力基本處于一個(gè)相對(duì)較小的變化范圍。