异型沉箱吊浮稳定性试验研究

摘要

随着码头规模的提升，重力式沉箱码头中的主体结构（沉箱）将超大型化，如40万吨级矿石码头的沉箱高度达到了28m。因使用需求，沉箱可出现单侧脚趾等非对称型式，亦称为“异型沉箱”。这种超大异型沉箱的浮运稳性问题随之成为了工程施工过程中必须解决的重要课题，现有规范对此尚无明确规定供工程直接参照。 运用物理模型试验的方法，研究了采用吊浮工艺浮运超大异型沉箱时的稳定性问题。试验考虑浮吊输出吊力、浮运速度、波浪、水流、沉箱启动时的平均加速度、吊架形式等因素的影响，实测了不同试验条件下吊缆吊力的变化过程并同步观测沉箱姿态，重点研究了吊缆吊力的变化规律及其与沉箱稳定性的关系。研究结果表明： 浮吊输出吊力是沉箱维持浮运平衡的决定性因素。浮吊输出吊力越大，沉箱浮运的稳定性越好，浮运过程中吊缆吊力分配越均匀。当浮吊输出吊力不足时，即使在静水中，异型沉箱也不能保持平衡姿态，只要有轻微干扰，沉箱就会倾斜，倾斜方向具有不确定性，沉箱倾角多为空间角度且单轴倾斜的概率极低，沉箱倾斜方向取决于初始扰动源方向。 压舱水的自由液面对沉箱浮运稳定性有重要（不利）影响。在沉箱产生倾斜的情况下，沉箱内的压舱水将改变沉箱的重心位置而使得沉箱倾斜的幅度逐渐增大，并且倾斜速度会越来越快直至沉箱彻底倾覆。如果吊浮系统各构件具有足够的能力，则沉箱倾斜幅度将在沉箱所受的重力、浮力和吊缆吊力达到新的平衡时不再增长。此过程也是各个吊缆吊力重新分配的过程。 对长19.58m、宽19.21m（含前趾1.0m）、高28.0m、重量4575t的沉箱（试验对象），在使用线性吊架的吊装方式条件下，流速U≤30cm/s、波高≤1m、波周期≤6s、无风的海洋动力条件下，当浮吊总吊力输出≥3200KN时，沉箱移动速度达到指定速度（20cm/s）后开始平稳行驶时，各单根吊缆吊力可逐步恢复到相对稳定状态。换言之，浮吊吊力输出3200KN时可视为浮吊输出临界吊力。当流速U≤30cm/s、波高≤1m、波周期≤6s时，水流和波浪的存在对沉箱平衡的影响不显著。 沉箱由静止开始启动，因加速度的作用吊缆吊力会有短时、显著、非同步增大，使得沉箱产生一个小的倾斜，当浮吊输出吊力不足时，沉箱将失稳。沉箱在浮运过程中，浮运速度（10.9cm/s~150cm/s范围内）对沉箱稳定性也有影响，浮运速度越快，浮运沉箱所使用的吊缆的吊力变化幅度越大，沉箱越趋于平稳。但在浮运结束后，沉箱的稳定性会随浮运速度的增大而变差。 与线性吊架相比，采用矩形吊架浮运沉箱时，吊缆吊力的变化幅度相对较小。在浮运结束后，沉箱达到新平衡状态时，采用矩形吊架浮运的沉箱，其倾斜角度较采用线性吊架浮运沉箱时的倾斜角度相对较小，表明使用矩形吊架浮运沉箱较使用线性吊架浮运沉箱更有助于吊缆吊力的均匀分配和保持沉箱浮运的稳定性，建议采用。

目录

声明

1.绪论

1.1课题背景和研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1超大型沉箱在我国的使用情况

1.2.2国内外对吊浮系统的研究现状

1.3本文主要工作

2.物理模型试验

2.1原型参数、模型设计与制作

2.1.1原型参数

2.1.2模型设计与制作

2.2试验设备及测试仪器

2.3试验方法

3.初始吊缆吊力对沉箱稳定性影响

3.1静水中无吊缆吊力的沉箱姿态

3.2静水中初始吊缆吊力对沉箱稳定性的影响

3.3水流中输出总吊力对沉箱稳定性的影响

3.4流速+航速条件下，输出总吊力对沉箱稳定性的影响

3.5本章总结

4.波浪对沉箱稳定性的影响

4.1波高对沉箱稳定性的影响

4.2周期对吊缆吊力变化的影响

4.3 本章总结

5.航速对沉箱稳定性的影响

5.1浮运过程中吊缆吊力变化过程

5.2浮运启动阶段吊缆吊力变化过程分析

5.3浮运阶段吊缆吊力变化过程分析

5.4浮运停止阶段吊缆吊力变化过程分析

5.5浮运停止阶段沉箱倾斜角度变化过程分析

5.6本章总结

6.吊架形式对沉箱稳定性的影响

6.1线性吊架对沉箱稳定性的影响

6.2矩形吊架对沉箱稳定性的影响

6.3两种吊架形式对沉箱稳定性影响的比较

6.4本章总结

7.结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

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