沉箱浮游稳定问题

• 本题中后排加水不能采用 t+t0 ，因为偏心状态下，前后舱压舱水对沉箱纵轴线的力 臂和力矩都是不同的。
• 在计算加水后的沉箱重心时，水和沉箱的重度不同，所以要用重量矩计算。因为我 们已经用后舱 t0 深的压舱水对沉箱进行了扶正，所以无须再求不平衡力矩。
• 沉箱排水体积计算： F 浮=G 重=ρgv 排 ρ是液体密度，g 是重力加速度，ρg 是液体重度。
• 第一种形式：每个沉箱布置 8 个吊鼻，分别位于四角结合腔和外横隔墙与前后壁的 交界处。安装时结合腔部分的吊鼻用来调整安装缝宽，横隔墙部分的吊鼻用来调整 前沿线。这种形式操作简单但浪费材料。
• 第二种形式：每个沉箱布置 4 个吊鼻，位于外横隔墙与前后壁的交界处。安装时每 个吊鼻分别与已安沉箱吊鼻对拉和斜拉，来达到对缝宽和前沿线的控制效果。这种 形式能节约吊鼻（吊鼻规格高），但每个手拉葫芦都需要钢丝绳接长（手拉葫芦有 3m 和 6m 的规格），现场会比较凌乱。
• X 轴和 Y 轴方向的体积矩除以沉箱体积可求得沉箱在 X 轴和 Y 轴方向的重心。但 沉箱重心与 X 轴和 Y 轴的选取无关。
• 不平衡力矩△M 的计算，应以沉箱纵轴线为转动轴。 △M =沉箱总重*沉箱重心到沉箱宽度方向中心线的距离。可以理解为沉箱自重对沉箱的倾 覆力矩。因为存在这个倾覆力矩，所以需要施加一个扶正力矩，常用的方法就是压舱调平。 3、假定前排舱加水深度 t，计算后排加水深度、重算重心高度、沉箱排水体积和浮心高度。
当 m>0 时，即定倾中心 M 在重心 C 之上，沉箱在外力矩作用下发生倾斜时，存在 一个由沉箱重力 G 和浮力 Vγ构成的扶正沉箱的力偶，此时沉箱是稳定的；当 m<0 时，即 M 在 C 之下，则存在一个使沉箱继续倾斜的力偶，此时沉箱是不稳定的。 • 为了保证沉箱的浮游稳定性有一定的安全度，《重力式码头设计与施工规范》规定近程（同 一港区内或运程 30 海里内）浮运 m≥0.2 米；远程（整个浮运内有夜间航行或运程大于等于 30 海里）浮运分两种情况，固体压载时 m≥0.4 米，液体压载时 m≥0.5 米。因为自由液面 的存在将降低压舱的效果。 • 定倾高度 m=ρ-α α为重心 C 到浮心 W 的距离。当 C 在 W 之上时α为正值，反之为负值。 • 定倾半径：ρ=（Ⅰ—Σi）/ V Ⅰ——沉箱在水面处的断面对纵轴的惯性矩。 惯性矩是面积对轴的二次矩，量纲是长度单位的四次方，与面积的大小和面积对轴的 分布远近有关。 惯性矩的几何意义：是任意平面上所有微面积 dA 与其坐标 Y（或 Z）平方乘积的总和。 工程中常把惯性矩表示为平面图形的面积与其一长度平方的乘积。 选择不同方向的中心轴计算结果是不同的，选择沉箱的横轴计算，因为有三次幂的存在，其 I 值、ρ值和 m 值都会大很多，也就是说沉箱在横轴方向的倾覆可能要远小于在纵轴方向的 倾覆可能。由于这个结论很明显也很直观，所以我们只需要对不利情况进行计算。 • Σi——自由液面的惯性矩之和（各格舱压舱水的水面面积对其纵轴的惯性矩之和。 这里的纵轴指的是各格舱压舱水水面的纵轴）。当采用固体压载时，Σi=0。 • V——沉箱的排水量。其值=沉箱的断面积×吃水+异形的水下部分体积。比如说前 后趾和结合腔等。 • 关于重度的取值： 根据《重力式码头设计与施工规范》（JTJ 290-98）：计算定倾高度时，钢筋混凝土和水的 重度应根据实测资料确定。当没有实测资料时，钢筋混凝土重度宜采用 24.5kN/m³（计算沉 箱吃水时，宜采用 25 kN/m³）；水重度宜采用 10 kN/m³（淡水）或 10.25 kN/m³（海水）。
• 通水孔设置： 通水孔/串水孔必须设在浮游稳定加水线以下并且留有富余。现场施工一般设在底加强角 附近，以便于进水时各格舱能尽早达到水位的平衡。通水孔材料用 PVC 管或镀锌钢管预埋。
• 吊鼻设置： 本题沉箱吊鼻按安装用（非吊装）吊鼻来考虑。吊鼻采用 ø40 以上圆钢制作，埋深应满足 25 倍直径的要求。吊鼻四周用钢筋网片进行加固。吊鼻布置有以下两种形式：
例题： 某工程有设备需要进行装卸，设备可以看作为高度 9m，平面尺度为等腰梯形的方块，梯形 高度 2.5m，上边 3m，下边 4m，如下图：（单位：mm）
1、请对本方块的吊点（采用 4 点吊）、吊鼻、吊索进行设计（素砼容重按照 2.4t/m³，吊索 采用 6×37 钢丝绳，钢丝绳公称抗拉强度 1400MPa）； 2、采用 350t 起重船，起重船最大吊高离甲板以上为 21m，吊起本重物后干舷高度为 1.5m。 如果现有钢丝绳长度已固定为 9m（垂直高度），本设备已经在起重船甲板上存放，现需要将 本设备吊装到岸上，岸上码头标高为+8.0m，需要几米以上的潮水才能将本设备吊装到岸 上？ 1、吊点和吊鼻设计 （1）吊点选择
• 本题的吊物是断面为梯形的柱体，为满足起吊过程中不发生偏转，起吊的合力应通 过柱体的重心方向。
梯形断面的形心与下底边的距离为 yc
方法一：yc=
=1.19m
方法二：yc=
=1.19m
方法三：借助 cad，用特性求断面质心（massprop）。 • 为方便施工，吊点呈矩形布置以满足钢丝绳等长。矩形对角线过断面形心来保证起
F=（3+4）*2.5/2*9*24*1000=1890000N r=39.8，取 Ø80mm 的 Q235 圆钢。 （3）吊绳设计
• 起吊中每根钢丝绳分担重力=1890kN/4=472.5kN • 钢丝绳应力计算有三种办法：
a、采用生产厂家提供的钢丝绳参数（宣传册、试验报告等）； b、查询“钢丝绳容许应力查用表”； c、在资料缺乏的情况下，可采用经验公式 F 破断=50d²（F 单位为 kN，d 单位为 cm） • 现在我们用查表的方法做一下： 6×37，Ø80 钢丝绳破断拉力为 3620KN（或查断面面积*公称抗拉强度*换算系数得出）， 按机械吊装最小 5 倍安全系数考虑，可提供的允许拉力为 3620/5=724kN。设钢丝绳与吊物 夹角θ，临界状态下： θ=arcsin(472.5/724)=40.7° 即：在钢丝绳与吊物的夹角大于 40.7°时，钢丝绳张力小于钢丝绳允许拉力，满足要求。 规范要求钢丝绳与吊物的夹角不得小于 60°。 2、吊装潮水计算 假设波高 0.5m，工作富余高度 0.5m 则须 4.5m 以上潮水才能将块体吊装到岸上。
其中：F——沉箱的干舷高度； h——波高；
θ——沉箱的倾斜角度；溜放时等于滑道末端的坡度角；在有掩护区拖运时采用 6～8°； 需要精确，其中 F 为使沉箱倾斜的力；e 为倾斜力 F 的力臂；G 为沉箱重力；m 为定倾中心 高度；
S——干舷富余高度。一般取 0.5～1.0m。 • 本题干舷 157cm，如果θ取 7°，h 取 0.3m，s 取 0.5m，F 需 107cm。富余量不大主
要是由于沉箱前壁厚、高宽比大、格舱小等原因造成的。 • 如果沉箱的吃水和干舷高度不满足要求，则需要考虑用起重船或浮筒助浮/助扶的方
法来代替压舱，减少沉箱吃水，增加干舷高度，或者密封舱顶出运。 Ⅲ、校核
为了运算准确，还可以借助 3d 软件对计算结果进行校核。在 CAD 中将沉箱的三视 图做成面域，分别在三维空间进行长度、宽度和高度方向的拉伸，然后叠加到一起，用布尔 运算取并集，完成沉箱建模。
的交点上。三角形的形心是中线交点，在各边高度上 1/3 处。 • 体积矩就是对应的形心矩和体积的乘积。
• 注意： 1）沉箱定倾中心高度的计算要求精确到厘米，为了减少误差，我们在过程计算中要求精 确到毫米。
2）实际计算须对盖板、阀门和操作人员等进行计算。 2、计算沉箱重心位置、对沉箱宽度中心的不平衡力矩及保持沉箱平直所需的后舱加水深度 t0。
沉箱浮游稳定问题
浮游稳定性是指物体在浮游状态下的稳定性。计算沉箱浮游稳定是为了保证沉箱在水下 漂浮、拖运和沉放的过程中不发生倾覆。浮游稳定性用定倾中心高度来表示和量化。
浮体在外力矩的作用下发生倾斜，在倾斜过程中浮体的浮心位置也随之变化。根据小倾 角（倾角<15°）理论，在小倾角情况下（沉箱倾斜一般属于小倾角），浮心的运行轨迹接 近于圆弧，圆弧的圆心称为定倾中心 M，圆弧的半径称为定倾半径ρ，定倾中心距浮体重 心 C 的距离称为定倾中心高度 m。 如图 1—1 所示：
≤3
9 ≤ 21
9 甲板
+8.0 ≤3 1.5
构件
编号
名称
1
底板
2
前趾
3
后趾
4
前臂
5
后壁
6
底加强角
7
内加强角
8侧墙ຫໍສະໝຸດ 9纵隔墙10 横隔墙
11
体积总计
12
盖板及人
合计
12
沉箱总重
沉箱自重吃水
13 沉箱重心位置
西突堤 A 型沉箱浮游稳定性计算
体积 V (m3)
150.88 10.25 4.10 10.25 4.10 148.42 1.76
吊不会产生偏转力矩，同时与块体外边留出大于 4 倍吊鼻直径的净距。布置如下图：
• 对于需要考虑中部抗弯的板类梁类构件，宜将吊点选择在物体的分块重心上来减少 物体在起吊过程中由于自重产生的弯矩。
（2）吊鼻设计
• 其中 F 为构件总重设计值；n 为吊鼻数，4 点吊取 3；fy 为抗拉强度设计值，Q235 钢筋直径 60～100mm 时 fy 取 190N/mm²；
h
B
S
M
m ρ
αC
Vγ
WG W
h
H
T
wcYY
B
图 1---1
M
m
ρ
αC
Vγ
WG W
图 1--2
Ⅱ、沉箱浮游稳定计算步骤： 1、列沉箱材料体积和体积矩计算表，计算沉箱各部分的体积、形心矩和体积矩。
• 用 excel 做出沉箱材料体积和体积矩的计算表。 • 形心矩指断面形心到相应轴的距离。有两个对称轴的平面图形，形心在两个对称轴