趸船定位系统的设计

1、趸船定位系统的设计第28卷第4期2011年08月江苏船舶jiangsushipvo1.28no.4aug.2011趸船定位系统的设计张平,任华胜,孙莉,张纹梅(1.江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江212003;2.南通中远船务工程有限公司,江苏南通226006)摘要:在分析趸船可能所受各种外力的基础上,区分出趸船的主要受力并提出计算主要受力的合适公式,结合趸船停泊区域的地质条件,水文状况以及趸船在使用过程中可能存在的限制条件,推荐合适的定位系统的选择方式.同时指出,为了平衡靠泊船舶产生的撞击能量,应采用合适的防冲装置和吸能装置,可减少趸船的位移和趸船系留设备的受力,保护系留设备不受损坏.

2、关键词:趸船;定位系统;锚链系统;撑杆系统;定位墩系统;防冲装置;吸能装置中图分类号:u674.249文献标识码:a1趸船常规定位方式趸船一般用锚或缆索系固于岸边或特定水域,可用于住宿办公,码头装卸,水上仓储,油水供应等服务.趸船停泊在指定水域时,会受到各种力的作用.为了保持趸船的船位,必须采用趸船系留措施.系留措施的采用应根据码头水流情况,水底土质状况,洪水位与枯水位水位差,靠泊船的种类与吨位,趸船允许位移量以及航道情况进行配置.趸船最常见的定位方式为锚链系统,在趸船的首尾各配3只锚(中间为主锚),呈交叉布置,这样可充分利用趸船宽度,减少锚链及锚伸出船宽的距离;如果存在上下游水流速度差时,可

3、在水流速大的船端多设1只锚,如图1(1),(2)所示.趸船遇到水位差较大或锚链链径较大情况时还应设置电动绞链设施,以调整水中锚链的松紧程度.如果靠泊船舶较大且不允许趸船有较大位移或不允许抛外锚的河港码头,可采用撑杆系统系留趸船.撑杆系统应设置撑杆和撑杆墩.撑杆宜布置在趸船两端部510m范围内,如图1(3),(4)所示.如果由于水域限界或水底土质等原因不允许抛锚,或靠泊船舶较大而趸船不允许有较大位移时,可采用定位墩系留趸船.定位墩布置于趸船内侧端,也可布置于趸船首尾结构内,见图1(5),(6).2船舶载荷计算影响趸船载荷的因素很多,包括:风的作用力,收稿日期:20110523作者简介:张平(19

4、66一),男,研究员级高级工程师,研究方向船舶工程;任华胜(1979一),男,助理工程师,研究方向为船舶工程.水流的作用力,波浪的作用力,靠泊船的挤靠力,靠泊船的撞击力以及其他力.其他力指在特定情况下,流冰,码头设备等对趸船产生的偶然性作用力.在趸船的设计过程中,由于趸船所受的外力难以确定,在锚泊设备的配备,撑杆系统的配备以及定位墩系统的配备设计上存在着相当的盲目性,一般都是根据以往设计建造的趸船的配备使用情况,凭借经验来选配.本文在分析趸船所受各种力的基础上,推荐出各种受力的计算公式,并综合汇总,最终为设计人员进行定位系统和系留设备的设计提供重要参考.推荐各计算公式的主要依据有:港口工程荷载

5、规范(jtj21598,简称港规),海港工程设计手册(简称海工手册),港口工程钢结构设计规范(jtj21598),斜坡码头及浮码头设计与施工规范(jtj29498),码头附属设施技术规范(jtj2972001).2.1风载荷的受力计算作用于趸船上的横向风力和纵向风力的计算公式为:=73.610af=49.010-5a式中:ff分别为作用于趸船上的横向和纵向风力,kn;a分别为水线以上趸船的横向和纵向受风面积,m;,i/v分别为设计风速的横向和纵向分量,m/s;为风压不均匀折减系数,风压不均匀折减系数可按表1插值确定.风压力计算一般是取离地面10m处平均最大风速进行计算的.计算高层建筑物的风力时

6、,还应考虑风压增大系数,一般该系数可取在1.11.2之间;相对特别高的耸立结构物,该系数可取在1.5左右.2江苏船舶第28卷水流,7口,f,一岸线(1)水流t(3)水流厂一1趸船r一lf2).远.三1.锚链2.撑杆3.撑杆墩4.定位墩图1趸船定位方式示意图表1风压不均匀折减系数的选择式为:船舶水面以上最大轮廓尺寸/m5o10o2002501.00.9o.7o.62.2水流力的计算(1)趸船的纵向水流力可按卡伦比托夫公式进行估算:fr=cfsv+cram式中:f为作用于趸船上的水流力,n;c为摩擦阻力系数,一般取1.66;js为船体浸湿面积,m;为纵向水流速度,m/s;c为剩余阻力系数,的值取决

7、于趸船首尾两端削斜的程度,削斜程度越大,则取值越小,取值范围在150300之间;a为浸水部分的船中横剖面面积,m;p为指数,当2.57m/s时,p=2;当>2.57m/s时,p=2.33.(2)按照港规附录e的算法,当水流与船舶纵轴平行或流向角15.和0165.时:水流对船舶作用产生的船首横向分力和船尾横向分力计算公式为:f:cscpv2b/2=c,.pv2b/2式中:f,f分别为水流对船首的横向分力和船尾横向分力,kn;c,c分别为水流力船首横向分力系数和船尾横向分力系数;p为水的密度,t/m;v为水流速度,m/s;b为船舶吃水线以下的横向投影面积,m.水流对船舶作用产生的纵向水流分力

8、计算公fr,=cypus/2式中:为水流船舶作用产生的纵向水流分力,kn;c为纵向水流分力系数.当水流与船舶纵轴的夹角在15.<0<165.之间时,水流对船舶作用产生的横向水流分力和纵向水流分力计算公式为:f=c2ac/2f=crpl/2a/2式中:f为水流船舶作用产生的横向分力,kn;c为横向水流分力系数;aa分别为船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面积,m.计算公式中的各水流分力系数,各计算面积以及水的密度取值可参照附录e中的对应状态进行选取.2.3撞击力的计算靠泊船在靠泊过程中,总是会以一定的速度靠向趸船,从而产生撞击力.撞击力的计算公式有动量公式,振动公式和能量公式,现在

9、较普遍采用的是能量公式.其基本原理是:靠泊船撞击趸船时所产生的有效撞击能量,通过护舷和船舶局部结构的变形全部转化为外力所做的功.靠泊船靠泊时的有效撞击能量e.可按下式进行计算:=jldmv/2式中:e.为靠泊船产生的有效撞击能量,kj;p为有第4期张平等:趸船定位系统的设计3效动能系数,一般取0.70.8;m为靠泊船的质量,按满载排水量进行计算,t;vo为靠泊船的法向靠船速度,m/s.计算出的数值以后,可按橡胶护舷性能曲线,查出护舷反力值(即撞击力).关于靠泊船的法向靠船速度值,各种橡胶护舷的能量,反力曲线在港规,海工手册的相关章节里可以查找选择.一般而言,趸船所受的撞击力总是要大于趸船所受的

10、靠泊船产生的挤靠力,特别是在有掩护的码头条件下.波浪对船舶产生的撞击力,通常仅在设计开敞式码头时予以考虑.2.4挤靠力的计算当靠泊船停靠于趸船边时,趸船所受的挤靠力比撞击力小,受力方向一致,因而可以忽略不计.3定位系统的设计3.1锚链系统趸船锚链系统一般是多锚配置,除了中锚外,其他锚与船舶纵轴呈一定角度布置,以产生两个方向的拉力;通过锚链张力的传递,使得锚产生的抓力与作用在趸船上的外力平衡,使船体不致发生位移或仅产生少量位移.锚链曲线为一悬垂线,在理想状态下,当锚链的悬垂长度等于所抛出的锚链长度,即锚链在水底的下端恰好保持与水底相切时,就是既定的锚链(长度为,单位长度重量为)在一定水深日时所能

11、承受的最大外力载荷9.此时,悬垂线上各点的张力从水底与锚连接端开始到水面与船连接端是逐渐变大的,其所受张力值71从t=q变化到t=q+日,并且水面端锚链张力的水平分力值为p,垂直分力值为.将趸船所受合外力载荷在水平面内分解成两个方向的外力载荷,再将水面端各锚链所受张力同样分解在与外力载荷同一坐标系的相同两个方向上,通过受力平衡方程即可选择到合适参数的锚链系统配置.上面的平衡方程是在静力平衡状态下求得的,并没有考虑锚链在受力作用下的伸长变形以及趸船在受外载荷作用后运动速度产生的惯性力的影响,因此在锚链系统设计时,应选择合适的安全系数.锚重应根据选用的锚的形式,抓力系数,水文地质条件等因素确定,锚

12、链的规格,长度可按现行船舶规范的要求结合水深情况进行配套选择.锚抓力系数.,7值见表2.表2锚抓力系数值表土壤类别锚的类型淤泥砂性土砾石粘性土单抓锚2.2(3.8)3(5一)3.5(7一)4(10一)铸铁蛙锚1.5(3)2(4)2(4.5)2(5)钢筋混凝土蛙锚1.1(2.3)1.5(3)1.5(3.5)1.5(3.5)表2中:(1)括号内数值适用于挖坑抛锚情况,其余数值适用于锚抛于水底表面情况.(2)数值均适用于土壤中等密实情况.当土壤松散时表中数值可减少10%一25%;密实时可增加10%25%,但带者不应减少,带者不应增加.(3)单抓锚的抓力系数可根据具体选用锚的形式作适当增减.3.2撑杆

13、系统钢撑杆宜采用两个方向刚度相等的方形或圆形截面,可采用箱式结构或菱形空腹式缀合结构(也称格构式).钢撑杆的设计应符合下列要求:(1)当趸船上一个支撑点采用叉式双撑杆时(如图1(4),双撑杆间的夹角宜为60.;当采用单撑杆时,撑杆轴线应垂直趸船的内舷线.(2)撑杆长度和撑杆支撑点高程之间的关系应符合.设计高水位时撑杆的斜度不陡于1:6,设计低水位时撑杆的斜度不陡于1:4.5.(3)撑杆两端应设置拉环,用链条分别与趸船和撑杆墩系连.(4)撑杆两端支撑点可采用自由搁置,十字铰或球铰等,以便于撑杆在垂直面内的自由转动和一定程度的纵向移动.如果是采用格构式撑杆时,还应符合以下一些要求:(1)缀条一般采

14、用交叉布置,当轴向力和撑杆长度较小时,可采用单斜布置.(2)斜缀条与杆件的夹角一般为45.或6o.(3)撑杆的中部和端部应以缀板连接,其两端应做成封闭式.(4)撑杆应设置横隔板,其间距一般为45m.趸船在受外力作用下传递给撑杆的轴向力可按下式计算:n=kiv/ncosot式中:为作用在一根撑杆上的轴向压力,kn;k为不均匀系数,可取1.3;为由趸船传递给撑杆系统4江苏船舶第28卷的最大横向力,kn;凡为撑杆数目;ot为撑杆轴线与水平面的夹角,.钢撑杆主要承受自重力和船舶靠泊趸船时产生的挤靠力或撞击力,其强度和稳定性应按偏心受压杆件计算校核.对于格构式撑杆,必须保证每个受压杆件的稳定性,不致于构

15、件先于整体失去承压能力.在钢撑杆受压杆件的计算中,杆件的稳定系数,长细比的取值可根据撑杆两端的约束条件参考相关的设计手册,规范加以确定,受压稳定裕度值一般可取在1.53.0之间,视钢撑杆所处的环境以及趸船所受外力变化的复杂程度而定.撑杆墩可根据地质,地形,水流等条件采用重力式墩结构或桩式墩结构,同时撑杆墩不应作为风暴系缆墩使用.3.3定位墩系统定位墩系留趸船的方式如图1(5),(6)所示.定位墩结构宜采用直钢管桩导桩式结构,其具有强度高,抗弯能力强,能承受较大水平力的作用;弹性好,能吸收较大的变形能,并且具备制作,运输,施工方便快捷等优点.不承受轴向力的钢管桩,其强度计算公式如下:or=wo式

16、中:为钢管桩的设计应力,kpa;为钢管桩的许用应力,kpa;为钢管桩所受的弯矩,kn?m;wo,433,为钢管桩截面的剖面模数,=m,其工二中:d,d分别为钢桩的内外径,m.钢管桩直接受撞击力作用的管段,管内宜加焊加劲横隔板,横隔板间距在1.52m之间.钢管桩除了强度要满足要求外,还应控制薄壳的弹性失稳.一般而言,钢桩的外径与壁厚之比不宜大于100,且最小有效厚度不小于8mm.根据使用的需要,可以采用几根桩并在一起组成一个桩簇或形成直桩与斜桩的组合,来更好地抵抗水平力或弯矩的作用.承受水平力或弯矩为主作用的桩,其人土深度一般应满足弹性长桩的条件,可按现行有关标准的规定计算.4附属设施的选配4.

17、1防冲装置靠泊船在靠泊趸船的过程中,会对趸船产生撞击,挤压,摩擦作用力.这些力对靠泊船和趸船的结构都会产生不利影响.因此在趸船外沿设置防冲设备,利用防冲设备来吸收撞击能量,是必要的.防冲设备应根据使用条件来确定安装方式.具体安装方式有:固定式,漂浮式或转动式护舷.护舷材料有橡胶护舷,聚氨酯护舷,钢质护舷,轮胎护舷和木护舷等.根据使用要求,防冲设备应尽可能多地吸收撞击能量,同时产生的反力要尽量小,具有足够的抗剪性能和面压值.橡胶护舷在吸能效果,适用范围,制造安装及经济性等方面综合比较具有明显优势.橡胶肪舷的使用方式:首先橡胶护舷的布置应保证船舶在各种水位和不同吃水条件下的安全靠泊,可在趸船外沿竖

18、向布置或水平方向布置或竖向,水平方向组合布置.竖向护舷的布置主要是为了避免靠?白船因其摇摆或靠泊船吃水变化时船舷对护舷产生的刮,卡,顶托现象,尤其是干舷较低的驳船.布置水平方向护舷的作用主要是为了吸收能量.护舷在不同靠泊船的干舷变化大时或靠泊船在装卸过程中吃水变化很大时可水平方向分层布置,护舷的安装数量必须保证.护舷达到设计压缩变形量时,总吸能量应大于靠泊船靠?白时产生的有效撞击能量.护舷的形状可以采用半圆形,拱形或鼓形,其他形式的护舷可根据具体情况参照使用.4.2吸能装置为了减少趸船在受外力作用下对趸船系留设备的冲击力,还可以采取多种吸能措施.撑杆系统和定位墩可以采取弹性橡胶体吸能,悬重块体

19、能量转换,柔性撑杆墩吸能等措施.吸能装置和防冲装置的目的是平衡靠泊船舶的撞击能量,减少趸船的位移和趸船系留设备的受力,保护系留设备不受损坏.5实船举例50m水文趸船用于水文勘测人员的办公,住宿,以及水文测量船的靠泊.本文以此船为例,介绍趸船的受力计算情况.根据港口工程荷载规范(jtj21598)有关条款,可初步计算出各受力情况如下:5.1风力计算(1)横向受风力计算=73.610avk式中:a=200m,=25.1m/s(1o级风),=1.0.=92.7kn(2)纵向受风力计算fm=49.010a式中:a=75m,=25.1m/s(10级风),=第4期张平等:趸船定位系统的设计51.0.f=25.0kn5.2纵向水流力计算横向水流力很小,可忽略不计.趸船的纵向水流力可按卡伦比托夫公式进行估算:fr=(cf?83+cra.1if)10式中:cf=1.66;s=610m;tj=2.5m/s;cr=220;a肘=10.8m;p=2.33.fr=25.5kn5.3靠船撞击力计算趸船外侧平时会停靠一些小型水文测量船,因水文测量船的吨位很小,排水量只有几十吨级,在法向速度很小的情况下,对趸船产生的撞击力很小,可忽略计算.5.4趸船纵