沉箱浮游稳定

1、i一、沉箱浮游稳定计算I、概念浮游稳定性顾名思义是指物体在浮游状态下的稳定性。我们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。h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 p，定倾中心距浮体重心 C的距离称为定倾中心高度 m。? 从图上我们可以看出，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

2、和浮力 V 丫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m0.4米，液体压载时 m0.5米。因为自由液面的存在将降低压舱的效果。? 疋倾咼度m= p - aa为重心C到浮心 W的距离。当C在W之上时a为正值，反之为负值。? 定倾半径：p = （I 工i） / VI 沉箱在水面处的断面对纵轴的惯性矩。惯性矩是

3、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、p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。? 工i 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，工

4、i=0。? V 沉箱的排水量。其值 =沉箱的断面积X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）：计算定倾咼度时，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）。H、沉箱浮游稳定计算步骤：I、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

5、。有两个对称轴的平面图形，形心在两个对称轴的交点上。三角形的形心是中线交点，在各边咼度上 1/3处。? 体积矩就是对应的形心矩和体积的乘积。1）沉箱定倾中心咼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。? 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

6、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。? 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=p gv排p是液体密度，g是重力加速度，p g是液体重度。? 沉箱吃水计算：V=TA+v即：沉箱排水体积 =沉

7、箱吃水 *吃水截面面积 +异形水下部分体积。由此推出本题 v 为前后趾体积。? 浮心计算：浮心是浮力的合力作用点,和加水后的沉箱求重心不同,它不涉及到两种材质重度不等 的问题,所以可以采用体积矩计算。是前后趾的体积矩4、计算定倾半径和定倾高度（前述）5、定倾高度不符合要求,则调整加水深度直到符合为止；在 excel 的每一步推导中要保持各步骤之间的联系和数值上的链接。6、验算沉箱吃水和干舷高度。? 重力式码头设计与施工规范 ：采用滑道或浮坞下水时,要求有 0.3m 富余深度； 干船坞中预制漂浮时, 考虑沉箱与底模的粘结力和真空吸力, 要求有大于 0.5m 的富 余深度；在拖运和沉放时,沉箱吃水

8、应分别小于航道和基床顶面的水深,并保证有0.51.0m的安全富余。? 为保证沉箱在溜放或漂浮、拖运和沉放时水不没顶，应有足够的干舷高度。在拖运 时，干舷高度应满足：其中： F 沉箱的干舷高度；h 波高；0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68°需要精确计算时，可用求得。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 0.51.0m。? 本题干舷157cm，如果0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

9、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。川、校核我们为了运算准确，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。? 从工具中用面域质量特性查询得出沉箱的重心坐标、体积、对各轴的惯性矩等参数 如下图，并依此对计算结果进行校核。? 借助 3d 软件的优点是方便快捷，计算结果精确直观。二、进水孔、通水孔和吊鼻的设置 本题进水孔、通水孔布置图示? 进水孔设置：进水孔布置在

10、沉箱吃水线以下的位置，避开沉箱分层处。按现场施工分层情况时易设在距离沉箱底部5-7米的部位。进水孔采用一侧带有法兰的镀锌钢管预埋。? 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 ？40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：? 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

11、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。三、沉箱出坞? 1）浮坞定位完成后，采用经纬仪、全站仪或RTK对浮坞与沉坞坑的相对位置进行校核，并用水砣对浮船坞四周绕圈打水测量，在确定满足水深要求后，浮船坞注水 下潜。在浮船坞下潜过程中，应保持船体平稳，浮船坞左右吃水差控制在30cm以内，并随时保证四根锚缆紧张状态，防止浮船

12、坞偏移走位。?2）浮船坞下潜至沉箱阀门以上时， 暂时停止下潜，施工人员检查阀门能否正常工作,开始加水。舱内水是用打水板打的，需要用把加水深度换算成舱内干舷。?3）浮船坞继续下潜，当沉箱接近飘浮稳定水位时，注意沉箱有无浮起，带紧固定缆绳，沉箱漂浮后，绞紧带在沉箱上口的缆绳，防止沉箱移动碰撞浮船坞侧壁。拖轮 或锚艇通过尼龙缆与沉箱连接并在前方拖带，后方可设置锚艇或发电船辅助顶推， 沉箱缓慢出坞过程中要适时收放沉箱上口尼龙缆，待沉箱出坞后，解开沉箱固定缆 绳。?4）浮船坞排水起浮，由拖轮拖回预制场前沿定位，准备下一个沉箱出运。拖轮或锚艇将沉箱拖至现场存放或安装。考题：某工程有设备需要进行装卸，设备可

13、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）方法二：yc=1.19m1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6X 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

14、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=1.19m方法一：yc=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:0AA1 丁 k 尸*/i4Hi11> 4? 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， Q2

15、35钢筋直径60100mm时fy取190N/mm2;F= (3+4) *2.5/2*9*24*1000=1890000Nr=39.8，取？80mm 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 X 37, ?80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

16、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0，临界状态下：0 =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。<3SZL+8.0<31.5西突堤A型沉箱浮游稳定性计算构件体积V (m 3)形心矩(m)体积矩(m4)编号名称XYV XiV Y1底板150.887.750.301169.2945.262前

17、趾10.250.500.256.876.464.100.670.632.051.033后趾10.2514.950.25153.246.464.1014.780.634.921.034前臂148.421.209.05178.101343.201.761.4917.852.6231.425后壁129.8714.289.051853.861175.301.7614.0117.8524.6631.424.1314.6117.8060.2673.446底加强角8.967.750.7069.476.277内加强角16.037.759.25124.25148.308侧墙160.917.759.051247.041456.232.467.7517.8519.0743.919纵隔墙138.607.759.351074.151295.917.047.7517.8554.56125.6610横隔墙129.157.759.351000.911207.557.387.7517.8557.20131.7311体积总计936.047045.327130.5712盖板及人2.4518.600.0045.57合计938.497045.327176.1412沉箱总重2299.31沉箱