導管架施工期穩定性試驗研究

蔣冰，黃宣軍，楊建文，李文玉

（1.國家海洋局海洋信息中心，天津 300171；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 概述

導管架碼頭結構是一種新型的碼頭結構型式，其設計靈感來自于海上石油平臺。由于這種結構剛度大，整體性好，抗風浪及潮流能力強，且可以先在工廠用鋼管焊接成整體式空間桁管結構，桁管架運輸至現場后吊裝就位并直接插入海底鉆孔，安裝便捷，因此施工推進速度很快，特別適合水深、浪大、流急，自然條件復雜、惡劣情況下的開敞式碼頭。但是，導管架結構由海洋工程引入到近海港口工程，目前尚未在工程實踐中得到廣泛應用，其施工方法和施工工藝也遠未成熟，相關問題的研究并未充分展開，因此，有預見性地開展導管架施工期有關問題的試驗研究，具有重要的現實意義。

2 試驗設備

試驗在中交海岸工程水動力重點實驗室大型不規則波試驗水槽中進行，水槽長、寬、高分別為98.0 m、4.0 m、1.8 m，水槽中裝備有日本“三井造船株式會社”制造的大型不規則波造波機。根據試驗要求可產生規則波和不同譜型的不規則波。見圖1。

圖1 大型不規則波試驗水槽

3 模型設計與試驗方法

3.1 導管架模擬

試驗采用的導管架原型為前后、左右對稱型式，基本尺寸為長28 m、寬10 m、高38.6 m，總重量達613 t（見圖2）。物模試驗中的導管架模型采用不銹鋼管焊接而成（見圖3），模型比尺采用1∶30，試驗導管架模型與原型導管架滿足外形結構相似、動力特征相似以及浮運特征相似。

圖2 原型導管架碼頭結構平面圖

圖3 導管架碼頭模型

3.2 纜繩的模擬

試驗研究要測定導管架在波浪作用下的拖纜力，拖纜采用鋼纜，纜繩長度為180 m，試驗過程中采用6 m長的鋼絲繩來模擬鋼纜，不考慮鋼纜受力的彈性變形。

3.3 波浪模擬

導管架在海上拖航、現場漂浮及吊裝就位施工期穩定性試驗采用的波浪要素見表1。

表1 試驗波浪要素

試驗開始前，根據《波浪模型試驗規程》的要求進行原始波浪要素率定，滿足波高誤差不超過±5%，周期誤差不超過±2%。試驗采用的不規則波頻譜為JONSWAP，其表達式為：

式中：H1/3為有效波高，m；Tp為譜峰值周期，s；f為頻率，Hz；fp為譜峰值頻率，Hz；γ為譜峰值參數，γ=3.3。

3.4 拖速的模擬

現場拖航速度采用3 kn和4 kn，試驗中拖速通過比尺換算為0.28 m/s和0.38 m/s。試驗拖航速度采用高速臺車控制，臺車可模擬1.50 m/s以下的拖速，試驗開始前進行臺車速度的率定，要求允許偏差控制在±5%以內。

3.5 試驗數據的采集與分析

試驗過程中，在波浪平穩條件下，不規則波連續采集的波浪個數大于150個，采樣間隔為0.03 s，每組試驗至少采集3次，取其平均值作為試驗結果。試驗數據表中給出的拖纜力、錨纜力為各試驗工況下的最大纜力值。

4 試驗結果及分析

4.1 拖航試驗

1）試驗條件見表2。

表2 拖航試驗條件

拖航狀態：采用臥浮型式，在外側四根粗管架頂端設置4個拖點，用鋼絲繩將這4個拖點連接在一起，并由一根更長的鋼絲繩拖纜連接到拖輪上。其中拖點至連接點的鋼絲繩長度0.93 m，與導管架水平夾角為60°；拖纜長度為6 m。試驗4個拖點位置及主拖纜上各放置一個環形測力計，詳見圖4。

圖4 拖航試驗示意圖

2）試驗結果見圖5。

圖5 拖航試驗結果

由試驗結果可知，相同波浪條件下，拖航速度越快，拖纜力越大；相同拖航速度條件下，波高越大，拖纜力越大。另外，在有效波高為1.2～1.5 m區間時，拖速3 kn或4 kn、波周期6 s或7 s作用下的拖纜力差別不大；當有效波高超過1.5 m時，拖纜力隨拖航速度增大或波浪周期的增大都將明顯增大。從而建議在導管架拖航施工過程中，應選擇有效波高小于1.5 m的狀況下進行。

4.2 漂浮試驗

1）試驗條件見表3。

表3 漂浮試驗條件

漂浮狀態：采用臥浮型式，在外側兩根粗管架兩端各設置1個錨纜點，錨纜長度約50 m，一端與錨纜點相連，另一端固定在水底，保持整個導管架漂浮在水中。由于導管架上下非完全對稱，致使臥浮時前后吃水略有偏差，試驗示意圖詳見圖6。

圖6 導管架漂浮示意圖

2）試驗結果見表4。

表4 波浪作用下導管架漂浮試驗結果

從試驗結果可知，有效波高≤1.5 m時，周期6 s、8 s時的最大錨纜力相差不大，可8 s時的最大搖擺角接近20°；有效波高＞1.5 m時，周期6 s、8 s時的最大纜力均超過1100 kN，且周期6 s時的最大錨纜力比周期8 s時要大，分析其主要原因是周期8 s時的波長長，波浪穿透性強，可就因為波長長，導管架結構隨波浪擺幅也大，造成橫搖角度均超過30°。為此，建議在導管架漂浮施工過程中的波要素為：有效波高≤1.5 m、周期≤6 s。

4.3 吊裝就位試驗

1）試驗條件見表5。

表5 吊裝就位試驗條件

首先，在導管架外側四個角的鋼管上分別焊接一個吊環，然后用鋼纜將吊環與起吊鉤相連，在吊鉤上方安裝一個測力計，測定不同起吊高度時的吊纜力。為了便于分析，每起吊3 m高度時記錄一次吊纜力。起吊示意圖見圖7。

2）試驗結果見圖8。

圖7 吊裝就位過程示意圖

由試驗結果可以看出，相同起吊高度時，不同波浪作用下的吊纜力相差不大。起吊高度為0～15 m范圍內，隨著起吊高度的增大，導管架的起吊力穩步增加；起吊高度為15～21 m范圍內，不同起吊高度下的起吊力相差不大；起吊高度為21～30 m范圍內，隨起吊高度增加，導管架的起吊力先減小后增大，直至整個導管架呈直立狀態。吊纜力減小的原因主要是起吊高度大于21 m后，導管架受波浪作用明顯減小。為此可以看出波浪對于導管架起吊力的影響較小，且隨著起吊距離的增加，影響程度也相應減小。

圖8 不同波浪、不同起吊高度下的吊纜力

5 結語

導管架碼頭結構是一種新型的碼頭結構型式，此種碼頭結構具有整體性好，剛度大，抗風、浪、流能力強，適合在巖基地質條件且水深、浪大、流急地區建設碼頭。

通過波浪作用下導管架施工期穩定性的試驗研究，得到了不同拖速、不同波浪作用下，導管架在海上拖運時的拖纜力，在存儲現場漂浮狀態的錨纜力，在吊裝就位時的起吊力，為導管架在海上施工工藝提供科學依據。

從試驗研究結果分析得到：

1）導管架浮運過程中，其拖纜力的大小取決于拖航速度和波浪大小。拖速越快，拖纜力越大，根據實測拖纜力大小，導管架相對拖航速度盡量控制在4 kn（2.06 m/s）以下。

2）相同拖速條件下，波高對拖纜力的影響比波周期對拖纜力的影響要明顯，波高越大，拖纜力也越大。H13%≤1.5 m時，波浪對導管架影響不大，而當波高增大到2.5 m時，拖速3 kn和4 kn條件下的拖纜力都較大。所以，浮運過程中波高H13%≤1.5 m為宜。

3）導管架運抵施工現場后，如不能立即安裝，則需要在海上存儲。海上存儲可采用四點系縛。從漂浮試驗結果看出，波高對于導管架錨纜力的影響比較明顯，波高越大，導管架的升沉量和錨纜力也越大。而當周期大于6 s增至8 s時，導管架的搖擺度明顯增加。為此，導管架海上存儲時，應選擇海上波高H13%≤1.5 m、周期T≤6 s為宜。

4）導管架浮運到施工現場后，需要借助大型起重船舶，將導管架起吊至直立狀態進行定位，整個起吊過程中的吊纜力隨起吊高度的增加呈現穩步增大→基本不變→相差不大→略有減小→迅速增大至穩定。由試驗結果可得到波浪對于導管架起吊力的影響較小，且隨著起吊距離的增加，影響程度也相應減小，盡管不同起吊高度的最大吊纜力＜300 t，但由于導管架重量為613 t，為安全起見，建議起重船的起吊能力至少在600 t為宜。

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