基于物理模型的浮式码头结构波浪效应试验研究

基于物理模型的浮式码头结构波浪效应试验研究

1港浮式码头结构设计方案海洋建筑物的波浪作用是一个相对复杂的问题。随着波元素、波运动形式和海洋开发计划结构类型的变化，其性能发生了变化。波浪对浮式建筑物作用,包括波浪、船舶、防冲系统、系靠船结构相互作用问题,其中的许多问题没有合适的理论解,需要依靠物理模型进行试验研究。某港浮式码头结构设计方案由趸船、活动钢引桥和桥台组成。拟建在某码头东侧驳岸外,水深-7.0m,趸船系留设施采用固定墩方式,在西侧设2个固定墩,东侧、北侧各设1个固定墩,每个墩下设12根直径1.2m钢管桩,墩及趸船通过3个Y800橡胶护舷沿墩侧钢筒浮动来联系固定。钢引桥桥台端在驳岸上,设铰支座固定,趸船端采用滚轮自由搁置在趸船上,钢引桥在台风期吊起,避免风浪作用,台风过后将钢引桥放下继续使用(设计方案见图1)。码头位于开敞海域,将承受50a一遇的风浪,运用整体物理模型对波浪作用下,趸船所受的波浪力及趸船对固定墩的撞击力和趸船的稳定性进行试验研究。2治理试验和试验设备钢趸船尺寸为53m×32m×3.50m,干舷高2m,吃水1.50m;防冲设施采用规格为ϕ800×ϕ400(长度1m)的标准型橡胶筒护舷(表1);钢引桥长65m,宽7.00m,重170t。驳岸斜坡护面块体为6t扭王字块,坡度1∶1.5;试验进行设计高水位和极端低水位两种情况,分别为+7.45m和-0.51m,试验采用不规则波重现期为50a、25a和10a一遇波浪作用;波向为SE向,水文要素组合情况见表2。3不同几何比尺试验在波浪港池中进行,几何比尺λ=35,周期比尺λt=λ√λt=λ,压力比尺λF=λ3。趸船模型设计满足几何及重力和惯性力相似,几何比尺λL=λ=35,船舶质量比尺λM=λ3;重力比尺λG=λ3;船舶横摇及纵摇角θ比尺λθ=1;船舶转动惯量比尺λJ=λM·λ2=λ5;重心纵向位置Xg和垂向位置Zg比尺均为λ。3.1相似准则计算设计方案中趸船为均质矩形浮体,排水量2544t,重心纵向位置(距边)Lg=L/2=26.5m和垂向位置Z=H/2=1.75m处。趸船的转动惯量在方案设计阶段没有给出,按下列公式近似计算出:Ix=D12g(B2+4Z2g)Ιx=D12g(B2+4Ζg2)(1)Iy=D12g(L2+4Z2g)Ιy=D12g(L2+4Ζg2)(2)式中:Ix为横向转动惯量,Iy为纵向转动惯量;D为船重;L为船长度;B为船宽;Zg为船重心高度;g为重力加速度。依相似准则按式(1)、(2)计算出船模的纵、横向转动惯量为Iy=11.542kg.m2,Ix=4.225kg.m2。船模制作依几何相似按空壳设计,外形尺寸151.4cm×91.4cm×10.0cm,采用配重压载达到要求的排水量59.33kg。由于不是采用均质材料制作而成,因此制作后的船模需要进行调整配重的静力校准和动力校准实验以保证重心和转动惯量与计算出的值一致。3.1.1船模重心横向位置调整静力校准实验包括船模重心纵向位置和竖向位置的确定和调整:船模重心的纵向位置的确定通常将船模的一端悬吊,另一端置于台秤上面的支座上(图2),由力矩平衡方程Dxgm=Px,得:xgm=PDxxgm=ΡDx(3)式中:D为船模重量;P为船模在支座上的压力,由台秤称出;xgm为船模重心G至悬吊平面的距离;x为支座至悬吊平面的距离。本方案趸船重心纵向位置在中间为Lgm=Lg/35=75.7cm。作调整实验时,在船模上安装悬挂刀口,使其纵向位置与要求的船模重心纵向位置相等。悬挂船模、设置一个竖向标尺来测量船模的纵倾,并按称重得到的压载铁数量在船模中摆放压载铁,使船模保持水平,平衡于悬挂刀口上(纵倾为零)。这时船模的重心纵向坐标即为所要求的位置。船模重心的竖向位置可以用倾斜试验方法来确定。把船模悬吊在空中,如图3所示,沿船模的甲板横向移动重物T,则船模的横倾角θ为:tgθ=TxDmOGtgθ=ΤxDmΟG(4)OG=TxDmtgθΟG=ΤxDmtgθ(5)Zgm=h-OG(6)式中:T为移动的重物重量;x为横向移动的距离;Dm为船模重量;tgθ=Δ/l,其中:Δ为指针偏离的横向距离;l为指针距刀口的距离;h为刀口距基线距离;OG为重心距刀口距离;Zgm为重心竖向距离。先求出的船模重心竖向坐标Zgm(本方案Zgm=Zg/35=5cm),然后在横向方向将重量为T砝码移动x距离,在已知P、x、l、Dm、h和Zgm时,根据(4)～(6)式,反算出Δ值。调整船模内压载铁的高度,使移动砝码时,在竖向标尺上读得的Δ值满足计算值,则表示船模重心的高度为要求值Zgm。3.1.2船模自振周期船模的动力校准即调整船模对纵、横轴的质量惯性矩。计算出船模的转动惯量值后,根据物理摆的原理和转动惯量的平行轴定理,将上述重心位置调整好的船模悬挂,当具有要求的转动惯量Im时,受到纵向瞬态扰动作用后,其绕悬挂刀口的纵摇周期应满足下式:T=2πIm+Mm×(h−Zgm)2Mmg×(h−Zgm)−−−−−−−−−−−−√Τ=2πΙm+Μm×(h-Ζgm)2Μmg×(h-Ζgm)(7)式中:Im为纵向或横向转动惯量;Mm为船模质量;其余参数同图3所示。用上式计算出船模沿纵、横轴方向的周期后,在船模上纵向或横向对称于重心位置向两端或向中心移动压载铁,并测量纵向或横向摇动周期,如测量值等于按上式的计算值,则表示船模自振周期为要求值,此时船模配重的水平和竖向位置满足转动惯量相似条件。经过上述两项实验调整后的船模的外形尺寸、排水量、重心纵向位置、垂向位置满足要求,调整实验中船模沿纵、横向的自振周期与用(7)式计算出的周期误差在2%以内,满足转动惯量的相似条件。3.2模型型护弦的设计护舷是码头前沿为减少船舶对码头撞击力而采取的工程措施,护舷的模拟对受力测量有较大影响。模拟时必须保证其受压方向尺度的几何相似和相似的压力变形曲线。橡胶护舷模型设计情况如下:原型尺寸:Φ800×Φ400,长1000mm。模型材料采用特制橡胶加工制作而成。模型尺寸按长度比尺λ=35进行缩小。力学性能按原型的压力～变形率曲线和压力相似准则进行设计。考虑到模型材料应较原型材料软,在模拟护弦内侧挖槽卸载,以满足模型压力、变形率曲线与原型相似。模型护舷的尺寸为:外径22.80mm,内径14.80mm,长28.60mm。模型护弦的变形曲线(称为模型曲线)与原型护弦的变形曲线按压力相似准则缩小后的曲线(称为理论曲线)的对比如图4(由于护舷压力-变形曲线只含变形50%以内情况,而超过50%变形后,反力增加很大,图4没有表示出)所示。原型标准型护舷压缩变形50%时,反力242kN,模型护舷为240kN;原型标准型护舷压缩变形70%时,反力4800kN,模型护舷为4810kN,满足相似条件。(试验中对护舷变形超过70%以上情况也进行了率定,模型护舷变形74%时,反力为11780kN,模型护舷变形76%时,反力为15730kN。3.3试验前的测量过程模型波浪由大型港池蛇形不规则波造波机模拟。波高采用DJ-800型动态水位仪采集;波压力的测量采用硅横向压阻式压力传感器,布置在钢趸船和固定墩的各个面,测量出点压强,再通过积分计算物体所受波浪力。钢趸船对固定墩的撞击力采用两台华东电子仪器厂生产的YD-15型动态电阻应变仪进行数据采集。护舷固定在钢片上,同时钢片上方贴好应变片。试验前,在护舷的位置上率定出受力与应变片的变形参数,存入计算机中,通过载波单电桥工作原理采集整个受力过程。钢趸船的稳性及上下位移通过同济大学研制的YHD-200型位移计来测量。在钢趸船上位置与固定墩固定位置相同的地方,各悬挂1根细绳,另一端通过滑轮与4个位移计相接,位移计上下量程10cm(模型值),测量前位移计定零。当趸船上下浮动时,可测出相应位移过程;通过3个点可决定趸船甲板面的位置,其变化过程也可得,用数学方法及编程可求出钢趸船的重心位移、横摇、纵摇。试验前,在原地形上对不同重现期波浪及不同水位,依据试验的波要素进行率定,不规则波的波谱(JONSWAP谱)。每组试验采集的波个数中,不规则波不少于200个。试验结果给出了出现频率为1%时的值。4海上作用下的三种典型浮波SE向各重现期波浪波峰线与钢趸船x方向(东驳岸护岸沿线)夹角呈18°,近乎横浪作用,东驳岸扭王字块体斜坡护面有反射,固定墩体波浪反射不明显,钢趸船甲板面上水,波浪轻微反射。钢趸船在不规则波浪作用下不规则运动,产生横摇、纵摇、垂荡等运动型式,趸船在50a一遇不规则波浪的作用下对固定墩的撞击力很大,护舷变形已超过70%。试验前,虽然对护舷变形超过70%以上情况进行了率定,但与原型并不相似,由于此时护舷的弹性变得很硬,吸收的能量较少,试验的结果是偏于安全的。4.1#固定墩受事故影响表3列出了各种重现期波浪作用下,趸船对固定墩的撞击力情况。力的角度定义为以正x向基准,逆时针旋转为正(图1)。从表中可得,钢墩对固定墩的最大作用力位置随机性较大。设计高水位情况,10a一遇不规则波作用时,3#固定墩所受撞击力最大为3660kN;25a、50a一遇不规则波作用时,1#固定墩所受撞击力较其它墩大,分别为11819kN和15365kN,最大力方向基本在y向附近;极端低水位情况也相同,10a一遇不规则波作用时,3#固定墩所受撞击力最大为2990kN;25a、50a一遇不规则波作用时,1#固定墩所受撞击力较其它墩大,分别为6613kN和8597kN,最大力方向基本在y向附近;极端低水位波要素要小于设计高水位,趸船对定位墩的作用力也要小于设计高水位。波浪作用下的船舶撞击力对外海开敞式码头设计至关重要。《港口工程荷载规范》附录F用能量的概念给出了一参考公式,该公式适用范围为横浪作用,主要考虑船舶质量、波高、波陡、相对波长、相对水深等影响因素,且相对水深符合一定条件。本次试验还表明,在该方案的设计中,选择合适的护舷对撞击力的大小影响很大,如果护舷选择的太软,变形超过50%以上,则趸船在波浪作用下的位移变大,运动的法向速度变大,趸船对固定墩的作用力也大大增大。因此,如何减少趸船与固定墩之间在波浪作用下趸船的位移变化,对降低撞击力有较大作用。同时,也说明该方案的护舷选取不适宜。4.2波浪力的合成表4中列出的波面力为趸船4个面中所受到的出现频率为1%的最大波浪力,方向力为x方向或y方向两面所受波浪力的合成,波浪总力为两个方向波浪力的合成。从中可以看出,趸船所受的最大波应力、波面力都在A面即迎浪面(A、B、C、D面,见位置图1);所受最大波浪方向力在A-B方向,即y方向;所受最大波浪总力的方向在y方向附近,其中设计高水位情况要大于极端低水位情况,最大值为设计高水位50a一遇不规则波作用时的2745kN,方向角度为84°。4.3波要素变化不充分的情况下横摇无摇特性从表5可以看出,随着波要素的加大,横摇、纵摇和重心位移加大,但纵摇的增幅要小,尤其在极端低水位情况,因此在横浪作用下,波要素的改变对纵摇的影响有限;横摇一般逆时针方向摇摆(+1%值)要大于顺时针