异形沉箱浮游稳定性高效计算方法的应用

异形沉箱浮游稳定性高效计算方法的应用

王达

中交一航局第一工程有限公司 天津 300450

摘   要：北非阿尔及利亚斯基克达油气港改扩建项目位于地中海南岸，其中，M3泊位消防泵房取水结构位于东防波堤内侧，取水结构为T字形沉箱结构。规则沉箱的浮游稳定性计算相对简易，如果采用常规计算方式来计算T形等不规则异形沉箱的浮游稳定性，其计算过程相当繁琐，并且，难以计算出准确的结果。笔者以北非阿尔及利亚斯基克达油气港改扩建项目为背景，采用AutoCAD软件3D建模，并与Excel相互配合的计算方式，可以高效的完成T形等异形沉箱浮游稳定性计算，可为今后类似异形沉箱浮游稳定性的计算提供有力的技术支持及借鉴。

关键词：异形沉箱；浮游稳定性；AutoCAD； 3D建模；

1 引言

沉箱结构在港口施工建设中广泛应用，异形沉箱的设计及在工程中的应用并不在少数，如何准确、快速、高效的完成T形等异形沉箱浮游稳定性计算成为了关键，但是，常规方式计算异形沉箱浮游稳定性存在以下问题：

（1）按照《重力式码头设计与施工规范》JTS167-2-2009中常规计算公式可以计算T形等异形沉箱的浮游稳定性，但是，计算过程相当繁琐。

（2）对沉箱调平的方式通常为：仓格内注水和固体物压载的方式[1,2]，但是本项目的T形沉箱内部结果是贯通的，无法采用注水的方式调平；笔者通过计算，如果采用固体物压载的方式进行调平，会导致整体重量偏大，导致本项目沉箱底标高低于基床顶标高，并且，本项目的起重船起重能力有限，无法采用起重船助浮安装至基床上。

基于上述问题，笔者采用AutoCAD软件3D建模可以准确、且快速查询沉箱的相关属性参数，并且，与Excel的计算求解功能相配合，可以高效的完成T形等异形沉箱浮游稳定性的计算及更快速计算出适合本项目沉箱的调平方式。

2 工程概况

北非阿尔及利亚斯基克达油气港改扩建项目位于地中海南岸，其中，M3泊位消防泵房取水结构为T字形沉箱结构，该沉箱为钢筋混凝土结构，重415.1吨，长15.26米，后沿宽7.9米，前沿宽5.65米，高6米。

3 计算原理

沉箱靠自身浮游稳定时，必须验算定倾高度[3]：

式中 m—定倾高度（m）;

—定倾半径（m）;

     a—沉箱重心到浮心的距离（m）。

定倾半径计算公式如下：

对矩形沉箱

式中 —定倾半径（m）;

—沉箱在水面处的断面对纵向中心轴的惯性矩（m4）;

     i—第i箱格内压舱水的水面对该水面纵向中心轴的惯性矩（m4）；

V—沉箱排水量（m3）；

L—矩形沉箱长度（m）；

B—沉箱在水面处的宽度（m）。

3.1 沉箱调平

在引言中已经详细讲解了本工程无法采用注水和固体物压载的方式进行沉箱调平，所示，笔者通过后浇筑部分中隔墙的方式，来达到沉箱调平的效果（即：重心与浮心在平面上位置重合），本工程的难点就是该T形沉箱快速、简便的调平，扣除多少内隔墙可以使重心和浮心在同一个平面位置上重合？

首先，采用AutoCAD软件进行3D建模，然后通过查询沉箱模形重心位置，逐步调整图3-1中黄色部分的区域大小，并与Excel相互配合（计算浮心平面位置），直到重心和浮心在同一个平面位置上重合为止，此举减少了重心计算的繁琐过程，更加高效。

图3-1 T形沉箱3D模形图

3.2 重心计算

按照常规计算方式计算沉箱重心如下所示，T形沉箱体积和体积矩计算见下表3-1：

表3-1 T形沉箱体积和体积矩

T形沉箱重心位置：

通过AutoCAD软件3D建模，可以快速、直接的查询到该T形沉箱重心位置，如图3-2所示，并不需要上述繁琐的计算过程。

首先，使用UCS命令将XYZ坐标系原点设置在与手算时的原点相同的位置，然后，在AutoCAD中输入快捷命令Massprop，可以查询到沉箱的体积、质心、惯性矩等几何参数。

图3-2 3D模形中查询T形沉箱重心

通过输入命令，可以查询重心位置：

通过上述两种方法的对比，可以发现：手算数据量大，且繁琐，计算结果与3D建模查询到的几何参数存在几毫米的精度问题，没有3D建模直接查询得到的重心位置准确。

3.3 浮心计算

利用Excel求解如下内容，可以求得浮心的位置。

表3-2 T形沉箱体积和体积矩

T形沉箱浮心位置：

通过重心和浮心的计算，可以发现二者的X值相同，均为8.32m，所以，不平衡力矩为0，是因为笔者在前期进行了调平，通过扣除了黄色部分（黄色部分中隔墙后期再浇筑）达到调平的效果。

不足之处：重心是可以采用AutoCAD软件3D建模快速得到的，但是，浮心是不可以在AutoCAD软件中快速查询得到，目前，仅能通过手算的方式得到。通过使用Floatsoft插件，在Solidworks软件中打开此插件，可以模拟船舶的漂浮状态，自动计算船舶的浮心等参数，如果将此应用到沉箱的浮游稳定性计算，会完全实现建完沉箱3D模形，可快速查询沉箱的浮心和重心等参数，达到高效化、自动化的目的，笔者也会开展进一步的研究及应用。

3.4 定倾半径计算

重心到浮心的距离：

底面积为85.4m2

吃水深度：

定倾半径：

   定倾高度：

，满足要求。

4 结论及建议

（1）异形沉箱在工程中的应用也越来越多，其中包括圆形、椭圆形等规则及不规则的沉箱，然而，规则沉箱的浮游稳定性计算相对简易，如果采用常规计算方式来计算异形等不规则沉箱的浮游稳定性，其计算过程相当繁琐，并且，难以计算出准确的结果，椭圆形等沉箱的计算公式更为复杂[4]。采用AutoCAD软件3D建模，并与Excel相互配合的计算方式，可以高效的完成异形沉箱浮游稳定性计算，可为今后类似异形沉箱浮游稳定性的计算提供借鉴。

（2）浮心的计算过程较为简易，可以运用Excel计算得到，但是，浮心不能通过AutoCAD软件中快速查询得到，也是遗憾的一点。后期，笔者进一步研究CAD的二次开发及Solidworks等软件进行浮心的计算[5,6]，实现更为高效、自动化的计算异形沉箱浮游稳定性。

参考文献

[1] 徐彦东. 某港码头沉箱的浮游稳定计算分析[J].港工技术, 2011,48(7).

[2] 郭超. 等重替代法三维仿真计算异形沉箱混合压载[J].工程技术, 2015, (8).

[3] 《重力式码头设计与施工规范》(JTS 167-2-2009).

[4] 董中亚. 椭圆沉箱浮游稳定的计算法[J].水运工程, 2011,(1).

[5] 李美彦. 基于Solidworks二次开发的两栖武器浮心与浮态计算方法[J].火炮发射与控制学报, 2015, (9).

[6] 刘锋. 基于Solidworks二次开发的两栖车辆浮态设计及静稳定分析[J].装甲兵工程学院学报, 2009, 23(6).

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