伴升式系船设施研究

引言

国内外大水位差水域船舶的靠泊系揽多采用船闸闸室的浮式系船柱或在浮桥顶面上直接设置系船柱的形式。而在浮桥顶面上直接设置系船柱的形式一般适用于小型船舶的停靠,若有大型船舶欲停靠,通过改造原有浮桥系船设施,其浮箱受力很难满足要求,且改造过程中浮箱结构可能会遭到破坏。因此,考虑设计了一种依托现有直立岸壁和浮桥结构,但不与浮桥固定连接,可以随浮桥上下滑动的系船设施,目前国内外还暂无关于此种伴升式系船设施结构的研究。

1伴升式系船设施的提出

1.1工程背景

1.1.1概况

某游艇码头所处海域设计高低水位差为3.58m,泊位目前停靠船型为8m帆船和机动艇,现欲停靠42m游艇,在对泊位总平面主尺度、码头水工结构及附属设施进行核算后,需主要解决的问题是系船设施的结构设计。

该游艇码头主浮桥浮箱内部填充聚乙烯泡沫,浮箱与浮箱之间采用螺栓连接井连接成整体。为避免游艇与浮码头撞击,限制浮桥水平位移,该福贴岸主浮桥采用导轨固定,导轨间距约为10m。该福浮码头主浮桥设有50kN系船柱,支浮桥上设有25kN系船柱。原浮桥断面如图1所示。

1.1.2系揽力计算

根据《港口工程荷载规范》(JTs144一1一2010）的规定,系缆力标准值按下式计算:

式中,N为系缆力标准值:ZFx、ZFy分别为可能同时出现的风和水流对船舶作用产生的横向风力总和及纵向风力总和(kN）:K为系船柱受力分布不均匀系数,当实际受力的系船柱数目n=2时,K取1.2,n>2时,K取1.3:n为计算船舶同时受力的系船柱数目:α为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角(°）:8为系船缆与水平面之间的夹角(°）。

经计算,42m游艇系揽力标准值为144kN,需选用150kN系船柱。

然而,目前该福浮码头主浮桥设有的系船柱最大规格为50kN,无法满足42m游艇的靠泊系船要求。若考虑在浮桥浮箱上安装150kN系船柱,需将浮箱吊运至陆上,将浮箱内的泡沫全部掏出进行对穿螺栓的连接施工,而该浮箱已服役10年之久,且浮箱为钢筋混凝土结构,壁厚只有80mm,即便施工成功,浮箱壁的强度也很难保证可以承受150kN的系船柱。

1.2传统浮式系船柱

该码头所处海域设计高低水位差为43.8m,若采用浮式系船柱结构,按照传统浮式系船柱结构要求,需为系船柱配备直径为131m的浮筒[1],以保证其能够上下浮动,此种系船柱结构需将胸墙结构自上而下凿挖出直径为131m的空间,但由于该码头直立岸壁胸墙下部为沉箱结构,所凿之处会破坏沉箱结构,且浮式系船柱若用于近海,浮筒、轨道易滋生海蛎子等生物,导致系船设施被卡主。故传统浮式系船柱不适用于此项目结构。

*.1伴升式系船设施结构的提出

依托现有直立岸壁和浮桥结构,考虑设计一种新型的可随浮桥升降而上下滑动的系船设施结构。该结构的轨道设置于直立岸壁上,结构底部不与浮箱固定连接,只放置于浮箱顶面,浮箱上升时,可推动其随之向上滑动:浮箱下降时,该系船结构依托自身重力及系揽力竖直向下分力的作用随之向下滑动。增设1.0kN系船柱后浮桥断面如图2所示。

图2增设150kN系船柱后浮桥断面图

2需解决的技术难题

2.1系船柱需位于浮箱顶面2.1m以上

欲停靠的42m游艇深432m,满载吃水13.m,则空载干舷高度>137m,浮箱干舷高度03.m,欲使系船柱能顺利地跟随浮箱向下滑动,游艇靠泊时系船柱所受系揽力竖直方向分力向下,系船柱需高于浮箱顶面132m。欲采用将系船柱固定于高度为134m的钢结构支架上,钢结构支架需放置于浮箱顶面上。

2.2保证系船柱顺利地上下滑动

系船柱固定于钢结构框架上,钢结构架沿固定于防波堤胸墙上的导轨上下滑动。由于靠泊时端部揽绳产生沿胸墙方向的分力,钢结构支架易被拉拽倾斜,进而被卡住,考虑在轨道翼缘两侧的圆钢上焊接圆管,防止钢结构支架倾斜。

3伴升式系船结构强度有限元分析校核

采用有限元软件ANSYS对该支撑钢框架结构进行强度计算,计算模型与结果如图4、图4所示,单元类型为BEAM188梁单元,弹性模量230e11,施加自重、系船柱荷载及风荷载的组合工况后,应力最大值为1.4MPa,出现在与导轨接触的滚轮部件上。该项目钢结构材质均采用044.B,应力值和变形值均满足规范要求。

4结语

本文所介绍的新型的可随已有浮桥升降而上下滑动的伴升式系船结构,解决了大型游艇停靠时的系揽问题。该系船结构受力明确,形式简单,比传统的浮式系船柱造价低廉,可大规模生产,适用于水位差较大的沿海及内河依托直立岸壁且已有浮桥的码头。