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37440.大水位差下趸船系留方式研究.pdf

合大水位差的新型浮码头，这种新型码头以钢导桩定位浮，以浮支撑钢引 桥，依靠水的浮力实现浮和钢引桥的自动升降，结构简单可靠，大大减少了 工程建设费用和日常管理费用。杨世殊和范焱斌[26]从计算模型和计算理论两方 面分析了靠船桩船舶撞击力的计算方法，并结合工程实例计算了不同水位下的 船舶撞击力。

1.3.2模糊综合评价法

HG/T 3421-2016 分散红E-4B(C.I.分散红60)武汉理工大学硕士学位论文

杨松林等人[33选取锚泊设计水平、制造水平、材质优劣、使用环境、操作 保养等因素作为评价安全系数的因素集，建立锚链安全系数的模糊优选数学模 型，进行模糊综合评判，从而得到合理的锚链直径，并编制了相应计算机程序， 便于确定在特定工况下最适宜的安全系数

本文在深入分析现有三种船系留方式优缺点的基础上，针对乌江库区水 位变化较大的环境特点，提出一种操作方便，造价低廉的船系留方案。本文 的主要研究内容如下： （1）介绍了三种常见的船系留方式，分析了各自的系留原理和结构设计 并对它们的优缺点进行了综合比较； （2）以乌江库区沙沱码头为实例，结合当地的水文环境和设施条件，提出 种以锚链和钢丝绳为主要系留构件的船混合系留方案，在不同的工况下进 行了受力分析和力学计算，最终确定方案各组成构件的型号尺寸； （3）针对库区水位变化较大的特点，计算出不同水位下应放的镭链长度 便于指导水位变化时的锚链收放，并在限制钢丝绳倾斜角度的前提下，确定系 船环沿岸坡的布置距离： （4）应用模糊综合评价法，建立二级模糊综合评价体系，对现有系留方式 和混合系留方式进行优劣性比较

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船是固定在码头岸边可供过往船直接靠泊的无动力船，是浮码头的 重要组成部分。由于船具有适应水位变化、机动灵活、便于调动转移的优点 在码头作业中发挥着重要的作用。 目前，船的系留方式按照使用要求以及船所处的水域环境可分为锚链 系统、撑杆系统、定位墩系统等方式。

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锚链系统由锚链和锚组成，它靠锚的抓力固定在水底，通过锚链的传递来 平衡船上所受的静载荷，并依靠锚链来吸收作用在船体上的动载荷。 错链以链环组成的链节为基本单元，按照型式可分为有档与无档两种。有 当链环是在每个链环的中央加一横档，因此抗拉强度较大，受力时伸长以及变 形较小。通常而言，有档链环的强度要比无档链环高20%左右，而且链环不易 纠缠，能够较好地通过锚机链轮，所以重锚多采用有档链环作为基本链环。 锚的种类繁多，而分类的方法也有很多种，有的按锚杆的有无区分，有的 按锚爪的数目区分，有的按锚爪能否转动来区分。一般而言，常用的锚有以下 几种： （1）海军锚：海军锚是最著名的，也是使用最广泛的有杆两爪锚，结构简 单，适用于各种土质，由于单爪入土，当船舶在受到环境影响而转动时，锚爪 不会粑松泥土，但易与锚索缠绕，在浅水区域还有可能擦伤其它船只：

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（2）霍尔锚：霍尔锚是典型的无杆转爪锚，结构紧凑，使用保养简便，可 直接收入锚链筒内。锚柄置于两爪之间，可以在锚爪平面作一定程度的转动。 主要特点是抓重比较小，锚入土时两爪入土程度不同，抓力可能不等，产生力 偶矩，抓力较小的爪有可能翻出泥土； （3）斯贝克锚：斯贝克锚与霍尔锚构造性能相似，其特点是锚爪重心接近 锚冠，两爪向锚柄靠拢，故锚尖极易转向地面，啮土稳定性好，减少锚爪翻出 的可能性。由于锚爪易翻转，收锚时爪尖一接触壳板即离开船壳，可避免剥落 油漆以及擦伤船身； （4）大抓力锚：综合霍尔锚和海军锚两者的优点而设计，因其构造的不同 可分为丹福尔锚（燕尾锚）和马特洛索夫锚（马氏大抓力锚）两种，其特点是 锚爪宽而长，抓土深，锚头处设有横杆，克服了两爪进土不均的缺点，减少了 锚爪翻出的可能性。一般作为备用锚或船尾锚使用

锚链一般采用静力分析法计算，按照《斜坡码头及浮码头设计与施工规范》 的要求可采用悬链线通用公式计算锚链的基本参数，在多根镭链共同作用的情 况下，应该结合理论力学知识和几何方法分析力系，并计算船的位移。 在工作状态下，锚链在水中的曲线为一悬链线，在理想情况下，锚链的悬 垂长度等于所抛出的锚链长度。然而，实际情况下，为了保证锚泊的安全， 般会有一段卧链长度，此时抛出的锚链长度等于悬链长度与卧链长度之和。 定船的锚链系统一般配置有多锚，其中中锚沿船纵轴方向布置，其它锚 与纵轴呈一定角度布置。锚产生的抓力通过锚链张力传递到船，与作用在 估上的外力平衡，使得船保持固定或发生轻微位移。以船为研究对象进行 受力分析，通过建立平衡方程式，可以得到各个锚链的张力，从而选择合适的 锚链型号[35]。 在波浪载荷较大或波浪周期较长时，船和锚链系统将产生明显的动力响 立，船及锚链系统的振幅偏移和动张力较大，此时应采用动力分析法，在分 沂计算过程中应考虑锚链的受力变形以及船运动速度产生的惯性力的影响。 由于动力分析法计算过程较为复杂，一般应编写计算机程序进行动力分析

根据锚受力的不同，锚的选取应该分两种

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（一）锚链有卧链长度 此时，锚链曲线与水底的切线为水平，锚只承受水平张力。锚的选取主要 考虑锚的抓力，锚的抓力一方面与锚的类型有关，另一方面与水底土质有关。 由于锚在水底所提供的抓力与作用在船舶上的外力平衡，因此锚的重量应该根 据船所承受的外力合力和锚的抓重比来确定。 （二）锚链无卧链长度 此时，锚链曲线与水底平面相交，具有一定的夹角，锚不仅承受水平力， 还有垂直力。在这种情况下锚的选取，主要采用沉块作锚，靠沉块和上面土重 来维持整个锚链系统的稳定性，沉块作为重力式构件来进行计算[36]

2.3.1 撑杆和撑墩

麦形空腹式缀合撑杆一般须按下列要求布置： 1.缀条一般采用交叉布置，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60°； 3．缀合撑杆的中部、端部应以缀板连接，而且两端应做成封闭式； 4.缀合撑杆应设置横隔板，其间距一般为4~5米[38]。 撑杆一端与船相连，另一端支撑在护岸或撑杆墩上。撑杆的作用是固定 船，承受来自船的荷载，并将其载荷传递给护岸或撑杆墩。随着水位的变 化，撑杆的倾斜度也在变化，因此在船随水位升降时撑杆两端的接头不但要

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目前采用的撑杆墩主要有重力式和桩基式两种。当地形较陡，船离岸较 近时，撑杆墩位于岸上，一般宜用重力式；若地形平缓，船离岸较远，撑杆 墩位于岸滩上，根据不同的地质条件可选用重力式或桩基式。撑杆墩的位置应 满足设计高水位时撑杆的仰角不大于8°，设计低水位时俯角不大于15°为宜。

2.3.2 撑杆的设计

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根据我国现有浮码头的统计资料，撑杆与定船联结点到定船申板面的高度h 可近似取为船干高度的1/2；撑杆与撑杆墩联结处的高程H可近似取为比设 计高低水位之间的中间水位高度高1~2m的高度，即：

H ~(Hmx +Hmin)+(1.0 ~ 2.0)

要包括长度、断面高度及宽度，影响撑杆

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靠泊最大船型、船舶撞击力和挤靠力、水位差等。撑杆断面尺寸主要根据船舶 撞击力和挤靠力以及杆件的细长比确定，以两个方向等刚度或等稳定性的方形 或圆形截面较为合理。影响撑杆长度的主要因素是水位差△H，撑杆的俯仰角α， 我国浮码头采用的平行撑杆长度一般在12~22米范围内，设有悬重消能设备的 万吨级浮码头撑杆长25~30米。根据《斜坡码头及浮码头设计与施工规范》的 规定，撑杆长度可按下列原则确定[35]： ①在设计高水位时的斜度不陡于1：6； ②在设计低水位时的斜度不陡于1：4.5

设撑杆长度为L，高低水位的落差高度为△H，则由高低水位的极限状态， 可得：

进一步求解，得到撑杆长度为：

AH /12 + 4.52 ~1? +62

撑杆系统中常设有消能设施，专门的消能设施是指在船端部、撑杆端部 专设置的消能装置，如橡胶护、悬重块等，其目的是为了平衡停靠船舶的 撞击能量，减少船的位移和锚链的受力。其型式多种多样，也应根据能量转 换和理论力学的相关知识进行专门设计

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定位墩结构一般采用直钢管桩导桩式结构，不仪具有高强度、高刚度、弹 性好、能够承受较大水平力、吸收较大变形能的优点，而且制作简单、运输快 捷、施工方便。当由于码头水域环境不充允许抛锚，或靠泊船舶较大而船不允 许有较大的位移时，可采用定位墩系留船。定位一般布置在定船的首尾两 端，也可以布置在船靠近码头一侧的内航。 根据不同的环境条件和使用要求，定位墩可以采用由几根钢管桩并在一起 的簇桩形式，或者由直桩、斜桩及桩台组成一个小的靠船墩，从而更好得抵抗 水平力和弯矩的作用，其入土深度一般应满足弹性长桩的条件。每根导桩的桩 位允许偏差应小于100mm，垂直度允许偏差应小于1%，且各桩应严格保持平行。 对于钢管导桩直接承受船舶撞击力作用的部分，管内应该加焊加筋横隔板，其 间距应控制在1.5~2.0m范围内。当导桩采用嵌岩桩时，应按水文、地质及施工 工期等条件选用合适的施工机具和施工方法。 有些浮码头，也采用在船内外两侧均设置直桩的布置形式，在直桩与 船之间设有缓冲设施[40]

2.4.2定位墩的设计

定位墩承受的荷载主要包括墩身自重、船传递过来的撞击力、水流力、 风荷载、系缆力等[42]。 当定位墩有两个或两个以上时，应考虑到船舶可能最先撞击船的某一处 所以一般可以认为一个定位墩承受船舶撞击力，并按能量平衡法计算船舶撞击 力。船舶靠泊时的有效撞击能量应被消能设施和定位墩的变形所吸收，这里略 去了水的阻力和船船体的变形，以简化计算。船舶的撞击力由一个定位墩承 受时，可按下式计算：

式中：E。一一船舶靠泊时的有效撞击能量（kN·m） E。消能设施吸收的能量（kN·m); E，一定位墩结构产生弹性变形所吸收的能量（kN·m）。 当一个定位墩由两根以上导桩组成时，每根导桩承受的横向力可按下式计

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式中：Q——单根导桩所承受的横向力（kN）; P——船舶靠泊时的撞击力（kN）; n——一个定位墩的受力导桩数量； K一一受力不均匀系数，取1.1~1.2。

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本章首先介绍了常见的几种船系留方式，按照主要组成构件的不同，分 为锚链系统、撑杆系统和定位墩系统。对于锚链系统，在介绍锚和锚链基本概 况的基础上，重点阐述了锚链选取和锚选取的方法；对于撑杆系统，在分析其 持点的基础上，详细介绍了撑杆结构设计的计算方法；对于定位墩系统，主要 进行了受力分析。最后，本文对上述三种系留方式从经济性、适应性等方面进 行综合比较，总结出三种系留方式各自的优缺点，在此基础上结合乌江库区的 水域环境，提出以锚链和钢丝绳为主要构件的船混合系留方案，

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第3章定船系留静力计算

在分析现有常用船系留方式的基础上，本文提出锚链加钢丝绳的混合系 留方式。系留方式计算的主要内容是各组成构件的选取和校核，这些组成构件 应满足在受力最不利的工况下仍能正常工作的要求，因此外载荷计算是系留方 式计算的前提，然后以此为基础，进行锚链和钢丝绳的选取和校核。

作用在船的载荷有很多，主要有：风的作用力、水流的作用力、来自于 靠泊船只的系缆力、挤靠力和撞击力2。本节下述所有外载荷计算公式中各参数 均按照《港口工程荷载规范》的相关规定选取。

设计风速的横向和纵向分量应根据工程实际情况确定，对没有特殊要求的 港口，可按九级风即风速22m/s考虑。

当水流与船舶纵轴平行或流向角θ小于15°或大于165°时，水流力可以分解 为垂直于中纵面的横向分力和平行于中纵剖面的纵向分力。

1水流力的船首横同分力和船尾横向分力的计算公式如下：

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当水流流向角为15°~165°时，水流力的横向分力与纵向分力的计算公式如 下：

K ZF F N= n Isinαcosβ cos αcos β N, = Nsinαcos β N, = Ncosαcos β N, = Nsinβ

当船舶系泊在码头时，在风或横流的作用下，船舶会产生挤靠力，并通过 护航作用在船上，挤靠力应该考虑风和水流对计算船舶作用产生的横向分力 的总和。 当橡胶护连续布置时，作用在每米船长度范围内的挤靠力标准值F，为

当橡胶护间断布置时LS/T 3256-2017 大蒜油，作用在每组或每个护航上的挤靠力标准值F为：

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靠泊船在靠岸时，会以一定的速度靠向船，从而对船产生撞击力。撞 击力的计算国内外普遍采用的是能量法，船舶靠泊时的有效撞击能量可按下列 公式计算：

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悬链线是指一种具有均质、完全柔性而无延伸的链或索自由悬挂于两点上 时所形成的曲线。船舶在抛锚系留时，因为锚链具有良好的柔性和均匀的质量 在与重力相比流体作用力可以忽略的假设条件下，锚链被看作是完全挠性的 单一的锚链可视作简单的悬链线，

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ds为锚链微元长度，T为锚链微元下端张力，dT为张力在ds上的增量，θ为T 的方向（微元下端切线方向）与水平线夹角，d为θ在ds上的增量。

考虑到当do为极小量时GB/T 19518.1-2017 爆炸性环境 电阻式伴热器 第1部分：通用和试验要求，cosdo~1和sindo~do，且忽略含二阶微量dTd6 的项，于是可简化上式得到：

上式对9在0.0区域内积分，得