一种新型浮式单体结构设计及波浪稳定性试验研究

汪 宏，姜 睿，张新未，王广强，王 飞

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

一种新型浮式单体结构设计及波浪稳定性试验研究

汪 宏，姜 睿，张新未，王广强，王 飞

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

研究制作了一种抗风浪能力强,移动、拼接灵活、多用途、稳定性较好的新型超大型浮体码头模型.根据相关理论资料确定浮体码头的形状和尺寸，为验证其破浪稳定性,进行了初步模型试验研究.通过模型试验,得到了新型浮式单体结构相对危险的工况.实验结果表明：该种新型浮式单体结构的波浪稳定性要比传统的箱型结构好.

超大型浮体码头; 模型试验; 波浪稳定性

随着船舶吨位以及吃水深度的不断增加,现有不少港口规模已无法实现大型船舶的装卸作业,建造海上超大型多用途浮码头的需求日益扩大.浮式结构种类很多,其浮力是由均布在波浪中的若干小水面线构件提供,用许多根浮杆和节点构件组装成很大的浮式网格结构,具有耐波性能好、波浪稳定性好等特点,但其结构构造复杂安装维修困难.

超大浮体码头是指那些建于深海的一种活动式大型浮式码头,尺度以千米计,具有可移动性、可拼接性、综合性、多用途的功能.为了减小深海风、浪、潮、流等恶劣环境对其影响,通常使用浮式防波堤对波浪进行消减,使得码头工作环境中的波高尽量降低.以超大型浮体结构为基础,通过研究和开发利用超大浮体多用途码头,在弥补现有码头功能相对单一、位置固定不变、造价高等缺点的同时,可根据实际工程需求建设在近海或深海,完成码头货物装卸与存储,并可在需要时进行位置的转移和自身功能的灵活变化.更可以开拓海洋经济发展新途径,这对促进我国海洋资源、海洋空间的利用以及国防事业的发展具有重要意义.图1为根据新型浮式单体结构,结合了新型柔性浮式防波堤所构想出的超大浮体多用途码头新型浮式港口体系,外围是新型柔性浮式防波堤,内部为新型浮式单体结构组合拼接而成的超大浮码头[1-5].

图1 新型浮式港口体系平面Fig.1 New floating port system plan

1 新型浮式单体结构设计

在浮式防波堤围成的海域中设置的超大浮体码头应满足稳定性的要求,通过对单个浮体结构形式的设计,使其在正常工作即顶面正常堆载时初步达到稳定,同时造价低、安装维修方便.对于一般的箱型浮体结构,由于上部堆载比浮箱本身重量大得多,又因结构趋于扁平,这使得结构整体重心位于浮心上部,会出现不稳定平衡.同时箱型浮体由于结构庞大,如果使用过程中发生损坏,维修比较麻烦.

文中研制出一种新型浮式单体结构如图2所示,其不同于传统的大体积箱体或半潜体,是由阵列式开孔的钢质平台与通过连接装置固定于孔中的下部圆柱形浮块构成基础部分,上面布设型钢构成桁架式的梁结构,再在上部铺设开有相同阵列式孔的上部工作平台,并于孔上盖有检修井盖.通过锚链系统固定其在海面的相对位置.该结构构造简单,安装维修方便,可通过合理的方式进行拼接构成超大浮体结构.

图2 浮式结构Fig.2 Floating structure

上部工作平台由下部阵列式排布的圆柱形浮筒提供浮力,由于外围使用浮式防波堤对波浪进行消减,可以使得码头工作环境中的波高降低到2m以下[6-7],所以浮筒水面以上干舷高度为3m以保证在2m波高作用下上部平台保持干燥的工作环境.浮筒在水下的部分装有压载水,在上部平台工作过程中荷载条件发生变化时进行压载水的灌排，以保证浮筒干舷高度保持为3m，避免产生过大的剪切作用对结构造成破坏.通过浮体摇摆缓冲装置由下而上的逐级消能,波浪对上部结构的作用降到实际要求的范围之内,实现浮式单体结构上部工作平台的基本稳定.

由于上部钢质平台是由下部位于不同点位的浮筒提供浮力,其抗倾覆稳定性较箱型浮体要好.如果其中部分连接装置损坏,或是下部浮块需要更换,可以将井盖打开进行操作.

2 物理模型试验

2.1 试验设备和测量仪器

目前国内外还尚无此结构形式的研究成果,为研究这种新型结构的稳定性,文中对其进行了初步模型试验研究. 试验是在江苏科技大学船舶先进设计制造技术实验室的波浪水槽中进行的.该水槽长50m,宽0.8m,深1.0m,水槽一端装有液压式造波机,造流系统采用1台7.5千瓦双流向轴流泵,采用变频控制器调速,最大流速0.3m/s.造波机推板行程±350mm,频率范围0.2～2.0Hz;最大波高300mm.水槽另一端设有消浪网,用以吸收波浪能量以减少波浪反射.为方便观测结构在波浪中的摇摆情况,在水槽玻璃挡墙外侧布置有3°,5°,10°和15°的4根角度参考线进行对照.水槽试验及模型布置如图3.

图3 水槽试验模型Fig.3 Model test layout

2.2 试验方案

试验模型为超大浮体多用途码头新型浮式单体结构.根据几何相似的概念,理论上,几何比尺愈小,模型相似性愈好.由于实验条件等限制,几何比尺无法取得过小,取模型比尺为1∶100的正态模型,在相似理论的基础上进行试验[8-10].根据实验室水槽的尺寸条件,确定试验模型长96cm,宽48cm,型深10cm,吃水7cm, 模型有两种材料组成,上部平台为有机玻璃材质,下侧由雪弗板制作而成,模型的4个角为尼龙绳拉系而成的锚系装置.

波浪对浮体的影响主要包括波长、波高、波速等三方面.由于受到实验条件的限制,该实验仅针对波长和波高两方面进行.实验主要是确定使浮体结构物模型摇摆角最大的波长,以及在相对危险波长条件下,浮体摇摆角达到临界值3°时的波高,其次,将新型浮式结构物与传统箱体浮式结构物的波浪稳定性进行对比.

2.3 试验结果与分析

1)波长的确定

模型试验采用的规则波.根据波浪理论,波长λ可通过周期T和水深确定.实验室水槽波浪水槽水深为1.0m,试验最大波长为4.0m,所以可由深水公式λ=1.56T2进行各类波长波的生成.在波高h一定的情况下,通过不断调整波长,确定浮体摇摆角达到最大的情况.根据波浪水槽造波参数,只针对波高为3cm时的工况进行试验,并且从波长48cm开始,具体见表1(表中尺寸、波高、波长均以厘米计)和图4.表1给出了在波高为3cm时改变波长的多组实验,并得到在不同波长情况下新型浮体的摆角大小,以此来确定在该组试验中的波长.图4直观描述了在实验所取的波长下,角度θ的变化趋势.

通过表1和图4得出的实验数据看,当波高为3，144，288cm时摆角较大,在该组实验中,当波长为48cm时摆角达到最大值,此为浮体“不利情况”.

表1 “波长”的确定试验工况Table 1 Most dangerous wavelength determination of data collection

图4 新型浮式单体结构物波长的确定Fig.4 New floating single structure to determine themost dangerous wavelength

2)浮体结构物最小尺寸的确定

在上述 “波长”的情况下,即λ=48cm时，浮体在波浪中的摇摆是随着波高的增加而加剧的,为此,可以确定使浮体摇摆角为临界角3°时的波高.通过该波高与现实2m波高的比例关系(1∶100),可以由表2推算得到现实浮体的最小尺寸.表2给出的是在波长一定的情况下,通过改变实验允许范围内的波高值,以得到在波高不同的情况下,新型浮体的摆角大小.图5记录了在波长一定的情况下,摆角随着波高h的增加而增大的趋势.

根据表2数据,当波长为该组“波长”48cm,波高增大达到水槽最大值3cm时,摆角最大,为8°.当摆角为3°时,模型表面触水,此时波高为1.5cm.由于实验条件限制,最小尺寸有待后续研究进一步确定.

表2 浮式单体结构最小尺寸的确定Table 2 Data collection of the minimum size of the floating monomer structure

图5 波长情况下临界波高的确定Fig.5 Determination of the critical wave height

3)新型浮式单体结构物的波浪稳定性与传统箱型浮体比较

与新型浮式单体结构相比,传统箱型浮体从外形上看,多是长方体或其他形状的浮箱,并无如图1所示水下浮动装置.选取相同排水体积的箱型浮体,在波高为3cm的前提下,不断增大波长,测定并记录新型浮式单体结构物与箱型浮体各自的摇摆角,比较其相对大小,见图6.

图6 新型浮式单体结构物的波浪稳定性与传统箱型单体结构之比较Fig.6 Comparison of the wave-stabilitybetween NFMS and BFMS

通过上图表对比可以看出,该新型浮式单体结构相较于传统的箱型单体结构而言,其摆角在实验中的每组波长下,均比箱型结构小,并且根据流体力学的知识[2],定倾半径:

(1)

式中：τ为浮体排开的流体体积；ZG为浮体的重心高度；ZF为浮心高度；I为浮体与液面对过其形心的轴线的最小二次矩；加浮体的质量为m；长为a；宽为b；高为h；正浮式吃水深度为e；重心距离地面距离为r；浮心距离底面的距离为ZF(ZF=e/2),假设浮体在风浪作用下的摆角为θ,则此时浮体与水面面积A对过其形心的轴线的最小二次矩为:

(2)

由式(2)代入式(1)得：

(3)

由浮体稳定性判据可知,当d>0时,浮体是稳定的,根据本文的实验模型尺寸,以及实验得到的摆角数据,带入式(3)计算得d>0,浮体稳定.所以综合新型浮体与箱型浮体的摆角比较以及流体力学知识的计算,由此可判断新型浮式单体结构的波浪稳定性较好.

3 结论

1) 通过对比分析可知,该种新型浮式单体结构的波浪稳定性要比箱型结构好,即新型浮式单体结构具有较好的抗波浪能力.

2) 模型尺寸为96cm×48cm的新型浮式单体结构物在其他实验条件都相同的前提下,遇48cm波长时处于该组最危险状态.

3) 在波长为最危险波长不变时,波高增加到1.5cm左右时摇摆角达到3°.

4) 由于该实验为初步模型实验研究并受实验室条件限制,在后续的研究中,进一步确定该结构的设计尺寸,并将针对更多不同的工况和不同的几何比尺进行实验研究.

References)

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[10] 吴宋任,陈永宽.港口及航道工程模型试验[M].北京：人民交通出版社,2003.

(责任编辑：贡洪殿)

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，研究方向为港口、航道与近海工程.E-mail:wh2900@163.com

U656.1+17

A

1673-4807(2014)04-0317-04