趸船系缆力计算(1)

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泊位：趸船系锚设施布置如图所示
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1、趸船系锚受力分析数学模型
趸船系留设施受力分析采用有限单元法，分别建立趸船、钢缆绳和铸钢锚链在设计 低水位、 设计中水位和设计高水位时的1：1有限元模型，见下图。其中趸船采用Solid45 单元模拟，弹性钢缆绳和锚链采用link10单元模拟。缆绳弹性模量为2.06×105 MPa，泊 松比为0.3，密度7800 kg/m3。
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以重庆某物流有限公司现役斜坡式码头泊位为例来对其靠泊5000吨级船 型趸船系缆力计算方法。码头设计为3000吨级件杂货泊位，属架空斜坡滚 装货运码头，设置两条架空斜坡道，采用钢联桥与前方趸船相连，供船泊 系靠，趸船采用锚墩、锚链及自带锚具系锚。采用汽车直上趸船的浮码头 工艺，水位低于172.0m时，汽车可沿堆场道路、斜坡道、钢引桥上趸船； 当水位超过172.0m时，汽车到码头前沿182.0m平台，采用浮吊直接进行装 卸作业。趸船上配备20吨和40吨浮吊各1台。
F y c ——水流对船舶产生的水流力纵向分力（kN） Cxc、Cyc ——水流力纵向分力系数；
—— 水的密度(t/m3)；
V
——水流速度（m/s）；
B
——船舶吃水线以下的横向投影面积（m2） ；
S
——船舶吃水线以下的纵向投影面积（m2） ；
经计算，趸船上的计算水流力的横向和纵向分力分别为36.35kN,69.86kN； 5000吨船舶上的计算水流力的横向和纵向分力分别为137.28kN,139.48kN。
式中：FxW、FyW ——分别为作用在船舶上的风压力的横向和纵向分力（kN）； AxW、AyW ——分别为船体水面以上横向和纵向受风面积（m2）；
V
、
x
V
y
——设计风速的横向和纵向分量（m/s）；
x、 y ——风压不均匀折减系数；
当货船满载时为最不利状况：
当货船减载时为最不利状况：
lo A xg w 0 .03 0 .7 6l4o D 2gW lo g A x w 0 .2 3 8 0 .7 2 7 lo g D W loA yg w 0 .10 0 .7 6l2 o D gW lo g A y w 0 .0 1 9 0 .6 2 8 lo g D W
②在横向风速Vx＝0，Vy＝22m/s和水流流速V=3m/s条件下，产生的横向合力
为 Fx17.63k4N ，纵向合力为 Fy26.09k1N 。
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3 系缆力计算
将风和水流荷载作用下的横向合力和纵向合力施加到有限元模型上， 计算分别考虑设计低水位(147.4米)、设计中水位(160米)和设计高水位 (172米)三种水位下系缆角度对系缆力的影响以及在各设计水位下水位变 动对系缆力影响。
（2）水位变动时系缆力分析
下游外开锚受力达到最大值 工况： （设计高水位、吹拢风）
① 在设计低水位下，当水位上涨1.2m时，领水锚链最大拉力将增大20%。 ② 在设计高水位下，当水位上涨0.3m时，首缆最大拉力将增大20%。
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4 系锚设施承载能力适应度分析
趸船系锚设施受力比较
系锚设施 项目
领水锚链
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目前关于系缆力对码头结构的影响，我国都根据规范进行了粗略计算：
NK nsin cF oxscos c F o ys Fx、Fy ——风和水流对船舶作用产生的横向分力总和及纵向分力总和（kN） ；
K ——系船柱分布不均系数 ；
n ——受力的系船柱数目； ——系船缆的水平投影与码头
前沿线所成夹角 ；
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(3) 风和水流同时作用下对趸船和船舶产生的纵向合力和横向合力：
∑Fx、∑Fy —应根据可能同时出现的风和水流的情况，不应将两者最大值叠加， 一般可按最大计算吹开风和可能同时出现的水流来叠加。
①在横向风速Vx＝11m/s，Vy＝0和水流流速V=3m/s条件下，产生的横向合力
为 Fx18.05k3N ，纵向合力为 Fy20.39k4N 。
趸船系缆力计算
重庆交通大学河海学院 二○一一年五月
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随着内河航运经济的发展，很多港区码头的通过能力不能满足经济发展 的要求，货物量的持续稳步增长，使码头处于超负荷状态，给港区的装卸工 艺、生产安排等带来安全隐患。在航道条件允许的情况下，到港船舶大型化 趋势显著，这对码头系泊设备提出了更多要求。内河船舶靠泊码头后，主要 受到风和水流的作用，由于水位差大，水流较急，一般采用锚链系统系留趸 船。库区蓄水的变化，趸船系缆设施的承载能力不足，直接影响码头安全作 业。对趸船系锚系泊能力进行评估，并对安全性不满足要求的情况提出可行 的解决措施提高码头对新船型的适应能力，完善港口功能，适应现代化和船 舶大型化发展的要求，更好地为经济社会发展服务。
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（1）设计低、中和高水位时系缆力计算 计算得到各系缆设施的系缆力最大值及其对应的受荷工况，如下图：
领水锚受力达到最大值
横缆受力达到最大值
工况： （设计底水位、纵向顺水风） 工况： （设计高水位、吹开风）
首缆受力达到最大值 工况： （设计高水位、纵向顺水风）
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上游外开锚受力达到最大值 工况： （设计低水位、吹拢风）
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横缆
首缆
单位:（kN）
尾缆
上游
下游
外开锚 外开锚
锚链及钢缆破断力 583.00 397.06 550.95 550.95 1370.00 812.00
锚链及钢缆承载力 194.33
锚墩承载力
/
118.44 341.25
157.41 341.25
157.41 341.25
456.67 /
270.67 /
经计算得到趸船上的风压力的横向和纵向分力分别为9.05 kN,7.56kN；5000吨 级船舶上的计算风压力的横向和纵向分力分别为66.13kN,52.12kN。
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(2) 船舶和趸船由水流产生的横向力和纵向力按下列公式计算：
FxmcCxmc2V2B
FycCyc2V2S
F x s c ——水流对船舶作用产生的水流力横向分力（kN） ；
实际最大受力 148.86 112.07 130.19 12.16 180.84 99.80
安全储备
足够
足够
足够
足够
足够
足够
5000吨级的船舶受码头前沿水深的限制，须减载才能停靠。由上表可知该等 级船舶靠泊时，在设计低、中、高水位下，趸船系锚设施承载能力均满足减载后 船舶安全停靠的要求并且有足够的安全储备，但是在设计低水位下水位上涨1.2m 或者设计高水位下水位上涨0.3m时，其安全富裕度将减小，趸船上的系缆柱受力 将增大，存在着被拉断可能，所以建议当水位上涨的幅度达到上述情况时，应考 虑在趸船上松缆，以减小或消除增加的拉力，并增强趸船上的系缆柱和外开锚。
设计低水位时有限元模型
设计中水位时有限元模型
设计高水位时有限元模型
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2、计算船舶靠泊时船舶和趸船受最大水流和可能出现的风组合 作用时的纵向力和横向力总和
可依据《港口工程荷载规范》进行计算。
由于是山区河流，计算时取最大水流流速和可能同时出现的最大吹开 风的荷载组合。三峡蓄水后对工况有一定的影响，但是由于水流流速变 小，所以计算系缆力时不考虑该情况，取最大水流流速为3m/s，可能 同时出现的吹开风为22m/s。
业主提供的船型尺度：
船舶类型
总长
型宽
趸船68.9 19.31来自5000t靠泊船型 106
16.2
单位（m）
型深 3 5
吃水 1.35 4.3
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(1) 船舶和趸船由风荷载产生的横向力和纵向力按下列公式计算：
F xW 7.6 3 1 5 0 A xW V x 2x
F yW 4.0 9 1 5 0 A yW V y 2y
——系船缆与水平面之间的夹角。
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规范上的趸船系缆力计算方法已不能满足精细化发展需求，而应用 有限元法计算分析，可以得到更准确的船舶荷载，为码头结构的计算提 供依据。
思路：计算船舶靠泊时船舶和趸船受最大水流和可能出现的风组 合作用时的纵向力和横向力总和，建立趸船系留的数学模型，考虑不同 水位下系缆角度对系缆力的影响以及在各设计水位下水位的变动对系缆 力影响，分析船舶靠泊时系留设施受力情况。