玻璃钢活节式灯桩的设计计算

1、玻璃钢活节式灯桩的设计计算2001年1月玻璃钢/复合材料31玻璃钢活节式灯桩的设讣计算赵会娟林维学付秀君王喜斌（河北职业技术师范学院秦皇岛分院）（天津大学）（中国耀华玻璃集团公司）摘It：本文探讨了玻璃钢活节灯桩的设计讣算思想磬岀了玻璃钢活节式灯桩静水力性能，环境 荷戢，水动力性能和灯桩沉坝的计算方法.关量词:玻璃钢活节式灯桩设计计算玻璃钢活节式灯桩是一种把直立而有浮力的圆柱体用万向接头连接到海底的海锚（沉块）上的助航标志本文以投放于天津新港主航道8助航标志HBT2.0型玻璃钢活节式灯桩为例，阐述玻璃钢活节式灯桩的设计计算思想.1设计参数1.1环境参数投放位置:X:4314490.y:2057

2、4900:投放水深为新港深度基准而以下5.0m;设汁最髙潮位5.0m;平均大潮高潮面3.8m;波浪周期为45s;波长2535m;波高l.Jm;海流最大流速1.9节（0.98m/s）;冰层厚度0.6m:工作风速6级（14nVs）:极限风速8级（2oni/s）;顶部单侧负载2kN?m;海底状况为淤泥;灯光焦而髙度为平均大潮髙潮而以上4.0m.1.2灯桩的结构参数总体结构为玻璃钢与钢复合;顶而至万向接点的总高11.47m;最大截面（浮体）直径2.0m;最小截而（立柱）直径0.25m:最大吃水8.96m;最小吃水3.96m;平均吃水力6m:系留方式为与沉块较接.1.3坐标系选取为了计算方便，坐标系选取

3、万向接点为坐标原点0,x轴平行于海底,z轴垂直向上，并认为灯桩的运动只是绕英万向接点0在Z0X平而内转动.同时还采用了极坐标系,其原点与上述直角坐标系原点重合.其极半径坐标R与宜角坐标系x,Z有如下关系：R2=x2+2环境荷载汁算2.1计算依据对灯桩所受环境荷载的计算按照中国船级社1992年版“海上固定平台人级与建造规范”的有关规定和要求进行，相对应的风荷载，海流荷载和波浪荷载等流体荷载分别进行了计算对冰荷载,考虑到 通常冰对桩柱的冲击力都小于相应的挤压力，只计 算了相应工况下的冰原挤压作用力对于灯桩上的 小构件，计算中予以适当的简化或忽略.2.2风荷载按规范，作用在物体上的左常风荷载为：KK

4、2PoA(N)其中:K为风荷载系数，对圆柱体侧壁可取0.7; 为海上风压高度变化系数:A为垂直于风向的轮 廓投影而积(m2);Po为基本风压=0.613(Pl)；v为设计风速(m/s).2.3海流荷载：按规范，对于构件单位长度的海流荷fD可按下 式计算：1D= cD p? A?u(N/m)其中:CD为阻力系数，对圆形构件可取1.0:p为海水 密度:A为单位长度上构件垂直于海流方向上的投影 面积(rd/m);u为设计流速(m/s).对上式沿灯桩吃水积分即得到作用在整个灯桩 上的海流载荷Fn.2.4冰载荷(挤压作用力)：考虑冰层厚度为0.6m,并允许通过.则对应不 同潮位状况，由几何关系可以确定此

5、时极限角日. 考虑冰载荷作用单独出现,并使灯桩没入水中. 由力矩平衡应有：M1+MG:M 目其中:Ml为冰载荷矩M=F1?L1Me 为重力矩 Mc:G? c?sin0M 目为浮力矩 MB:(lrB+AFt;?aLs)8-0从而可求得冰载荷F1.2.5波浪载荷：对于本灯桩可视为小尺度物体.因此可按Mori, n公式计算英波浪载荷.对小尺度圆形构件，垂直 于其轴线方向单位长度上的波浪力为:.f-vc:号 cD?p?D rul.u+cM?P?詈?D2?(N) 其中:Co为拖曳力系数，对圆形构件取0.61.0;cM 为惯性力系数，对圆形构件取2.0:D为圆形构件的32玻璃钢活节式灯桩的设计计算2001

6、年1月 直径(m):u扮别表示垂宜于构件轴线的水质点相 对于构件和加速度矢量.对于活节式灯桩的波浪载荷汁算，只需计及灯 桩本身绕饺接点转动的速度和加速度的影响，且波 浪水质点速度应为垂直其轴线上的分量，这时作用 于运动物体dr微段上波浪载荷mol8on公式为： -CDpD(r)lV 一曲 1(V 曲 xlr+cMP D2(r)(曲)dr+p嘻其中:r为dr徼段形心至績接点的距离;D(r)为dr微 段直径;0,日分别为该灯桩绕狡接点转动的角速度和 角加速度;m为dr微段质量.考虑静倾角0.沿吃水枳分，整理得：口 O1f 一=亏 PcDD(r)lV 一曲 1(V 一曲)dr+cMP 号)()Pcm

7、 -mlriO其中:为附加质量系数，对圆柱体cm=l且=c+l;V=ll 删观一 wsinO.可见此时运动物体上波浪载荷作用包含了附加质量力和惯性力，波浪力和拖曳力.同理，波浪力矩：T/O08-M 一跚 wave其中:dM 哪 e=cDpD(r)lV 一曲 1(V 一曲)dr+cMPD2(r)( 一船+p m0考虑灯桩的转动运动十分缓慢,且英吃水并不大,则上两式中的0项可以忽略不计,计算中视不同 工况分别采用A.啊波理论和Stokes五阶波理论由 Stokes五阶波理论可知波浪水质点x,z向速度和加 速度分别为：u=言 n Gcli(iikx)cosn(kx 一而 t)w=宴 n，ch(nkx

8、)siiin(kx 一瑟)耋 n2 eh(nkx)siiin(kx 一武)az= n?G=ch(nkx)eosn(h 一)其中:k为波数为水深;自为圆频率.GI=aAIl+ll 3A13+a5A1562=如+G3=Aoc+a5A35G4=A44岛朋55An=l/SAn= C2(5C2+l)/(8s6)AII=(1184C 1440C- 1992c6+2641C249+18)/( 1536S.)Aoo=3/(8s4)A.4=(192 424c63120+480C217)/(768S.OA33=(13 一ICz)/(64S7)f512C+4224C 6800Cs 一 1 甥oo1+167o4c43

9、154C2+107J/(4096S(6C21)=(80c68160+1338C- 197)/(1536S(6C21)A55=(2880C 一 7248oc+32400c643200c4163470C216245)/(61440S(6C21)(8011C2+3)其中:S=sinhkh;C=coshlda.以上公式若只取lit=l项，就是对应A波理论 公式.2.5.1怎常环境荷载作用下的竖直静平衡状态： 计算表明，低潮位，来波周期T=4秒下波浪荷 载取得最大值.2.5.2左常环境荷载作用下的倾斜平静衡状态 选择工作风速6级，单侧负载200N工况,此时为 最大静倾角状态计算表明，低潮位，来波周期T=

10、4 秒下波浪荷载亦取得最大值.3静水力性能计算总重量G=ZGII重量矩 MG=5P(v)rdv=毒 Gi重心极坐标半径k:转动(极)惯量J=lp(v)r2= Gi总排水体积V=v;i=l排水体积矩Mv=svjri2001年1月玻璃钢/复夸材料33其中:L为第i个组件的重心极坐标半径 浮心极坐标半径Ls：!总浮力Fs=p?V有教浮力F=FsG静倾角的汁算;将灯桩上作用的所有静力(风荷载，海流荷载)和英自身的浮力，重力对坐标原点0(狡接点)取矩，可以求得静倾角&knd+FD考虑负载时有:,k+F其中咖为风荷载作用点极坐标半径;Lo为海流荷 载作用点极坐标半径:AG为顶部单侧负载;G为顶 部单侧负载

11、作用点极坐标半径.4水动力性能计算4.1附加转动惯计算由于该灯桩属于细长体,流体经过并引起其运 动时，附近的流体主要任垂直其轴线的平面内运动， 因此可以将该三维问题转化为二维问题处理，即采 用切片法在XOZ平面内饶铁接点O的极附加转动惯 量同时该灯桩又属于小尺度物体,因此可以忽略 阻尼力作用.由切片法知，对于半径为a的圆形剖面，苴二维附加质量系数为：A,=p?a2当灯桩绕铁接点0运动时，极坐标半径为r的切 片有切向加速度r?,在该切片上对应的切向力： d=A=(Ps?aZ(r)dr)此时对原点0的矩：dM5:A55?r2?:(P 且 2(r)dr)?I2?对其沿长度积分得到总的摇荡力矩为；T(

12、J O?aZ(r)?r2sdr)?5由泄义知*15小勺?5Ta2(r)dr由于灯桩由不同直径的圆柱或圆台组成因此 可将上式离散得附加转动惯量：_+1A=Xfy?(r)?r2?dri4.2灯桩静水中运动方程和自由摇摆周期 不考虑流体阻力作用，括肖式灯桩在静水中绕 铁接点的运动方程为：(J+aJ)1+(FBGt-)O=O即+()8=0这样，自由摇摆运动周期为：T=74.3灯桩波浪中运动性能计算 在风，流和波浪的联合作用下，灯桩将在其静倾 角平衡位置发生摇摆运动，此时应给出其动倾角幅 值.考虑外力平衡，对钱接点o取矩,得到精确描述 灯桩规则波中摇摆运动的方程为：(J+AJh+RO=M其中:M 为波浪

13、力矩:R为恢复力矩.R=FBLssinO-Gl .csinO-A GIsinO+号 g)+吉 J)si 曲 s其中:D为水线而附近灯桩直径.则有：m.曲，M =J =PCDIun 一曲 f(u 仇一O)D(r)rdr+4(D_u.tdr其中.im为垂直于转动部件轴线上的速度分量Un:ucosO vsinO,灯桩的运动是一个单自由度系统在周期变化环 境载荷作用下的往复摇荡运动由波浪激励力矩可 以看岀该力矩与灯桩运动相耦合，且为灯桩转动角 速度的非线性函数，这样方程只能采用数值方法求 解.问题的处理变得十分复杂，这对工程问题的解 决是得不偿失的.如果考虑其转动运动十分缓慢，且静倾角很小， 吃水亦很

14、小这样问题会得到适当简化对波浪力 矩,忽略含0项,并考虑加一曲I 口 0.则有：M 一:吉 PC.qD()rdr+4(r)kirdr+fpCDuD(r)dr?O这样,灯桩摇摆运动方程可写为：(J+AJ)H+09+R0:M:其中:C为拖曳阻尼力矩，且：口 1甜C=J pcDuD(r)?drM为波浪激励干扰力，且：嚨1专 PCDu 仇 D(r)rdr浅析玻璃钢夹砂管道优点和运用2001年1月+4(r)_urdr为讣算方便，考虑灯桩在谐激励作用下的稳态响应与激励相同频率的振荡，则令：M啪=1代啪一叫J0:e 一娃)得:|R-(J+AJ)%=e,0方程为关于灯桩转动运动倾角幅值的复数方程,解得:eP)

15、R -(J+aJ)- i另外,由于波浪激励干扰力一与时间有关，亦可以采用变步长RugeKutta法或迭代法在每一选左的时间段内直接对基本运动方程进行数值求解.5计算灯桩沉块重疑灯桩为重力式活节式玻璃钢灯桩，主要靠水下沉块底部与淤泥问的摩擦力抗滑，由地基基础理论可知，为保护平衡状态，应有如下关系：亳K其中:为抗滑阻力，且Fm=(W+G 一 1S).其中:为摩擦系数FH为滑动力，且FH=F-+Dd+FnK为安全系数则沉块重量w. K+1SG计算中考虑最危险状态,即风荷载取极限风速8级，波浪荷载取波浪同期中最大值，且低潮位状态灯桩所受的水平滑动力为最大.6计算结果计算结果由表1给出.表1计算鳍果注:

16、未考虑在定常环境载荷作用下灯桩产生的静倾角,仅考虑其竖直静平衡状态.(下转第36页)浅折玻璃钢夹砂管道优点和运用2001年1月按一个月供水量25万I,输水距离为40Km採用一条工业污水排放工程建设.工业污水都含 有腐内径2.0m的管道供水，用钢管全年运行耗电量约为蚀性的酸,碱物质，特别是造纸，印染，制革, 冶炼和化680万KW?h.如用混凝土管全年运行耗电量为840工等工业废水，腐蚀性更为严重钢,铸铁和 钢筋混万KW?h.用玻璃钢夹砂管道全年运行耗电量仅为凝上管道工程寿命很短这些管道埋于地下, 维修和380万KW?h,且后者无需年年检修，水质无锈，无污更新非常困难.成本较高，因此使用玻璃钢 夹

17、砂管道染.玻璃钢夹砂管道还可广泛用于原有管道改造最适宜.拯统讣，我国城镇供水管道中铸铁管道约占75%.(4)农田灌溉建设我国的农业用水量约占总 用由于管道的锈蚀，摩擦阻力逐年加大，输水能量逐年水量的80%,可我国绝大部分采用传统的 土渠输水，下降，使用510年后便逐步阻塞和裂漏,因为漏水渗透损失极为严重.随着农业的发展，科技 的兴起，冲破公路地而而停产抢修的情况屡见不鲜.若采用我国一些地区使用了玻隅钢管逍和玻璃钢 夹砂管道玻璃钢夹砂管道进行更新改造,不仅比原有管道小输水灌溉(包括无匪力输水，喷灌，滴灌等)获 得节水，20%的管径，又可以减少不必要的流失.节地，节能，高产的巨大经济效益.城市下水

18、道排污工程建设.城市生活污水处(5)苴他排水工程建设在沿海或填海造地地 理和排放是市政建设中的重要环境卫生摘施近几区，厂矿，机场，码头，道路等工程中排泄雨水 和污水年由于城市发展迅速，人VI猛增，导致生活污水排放的管道均可采用耐酸碱.占地少，流疑大, 运输轻便，量日渐上升，已经超过了工业污水的排放量.原有下挖填方量小的玻璃钢管道和玻璃钢夹砂管 道.水道大多超负荷运行而急需扩建平均每年要更新综上所述，实践证明使用玻璃钢管逍和玻璃 钢夹1018%.从城市整洁和长远规划考虑，建议在扩建砂管道为主的运输管材，是新材料的一次重 大突破，及更新下水道时，优先采用防腐耐用，光滑流畅的玻不仅有着显着的社会效益和经济效益，而 且是利国，璃钢夹砂管道利民，利创业的一件大好事.BRIEFINTRODUCTIONOFPIPEADVANTAGEANDAPPLICATIONZhouXiaozlien(Ji.iChcmicalCo.DA)Ahi 嘲:TheattialedclibesRPMpireadvantageandapplication.Kq_fds:RPMpipead vantageapplication收稿日期:2ooo-