航道治理工程软体排铺设船与关键技术的研究－2003.3.1

上海海运学院 硕士学位论文 航道治理软体排铺设船与关键技术的研究 姓名：陆梅兴 申请学位级别：硕士 专业：交通运输工程 指导教师：宗蓓华 2003.3.1 摘要 长江口通海主航道的水深受拦门沙的制约，长期以来进港主航道南港北槽 多年来依靠疏浚维护，已严重影响了长江作为“黄金水道”作用的发挥，不能适 应国际海运向船舶大型化、集装箱化发展的形势。为建设以集装箱运输枢纽港为 主体的上海国际航运中心，必需要对长江口航道进行整治。 长江口深水航道治理工程是我国建国以来最大的航道治理工程，其一期整治 建筑物主要由两座导堤及10座丁坝等总长63Kid组成，护底结构设计均采用土工 布软体排，软体排的压重形式有砼联锁块压载、砂肋压载以及块压载三种。护底 施：[是整个治理工程的关键，其中制定适合长江自然条件的科学合理的护底铺排 施_-EI艺和开发研制与之匹配的专用船与机是在工程筹划初期就碰到的一大关 键技术。本文以此为背景，重点研究在航道治理工程中所需软体排铺设专用船的 船体选型与设备装置的设计和论证。 ●‘ f本文对长江口深水航道整治工程中对铺设船的特殊要求进行了分析与研究 ^＼ 并提出了解决办法的设想 (1)要求将宽40M、长140M的软体排整张地铺设下去，同时要求铺设质量平 坦：许不能有任何的损坏。 (2)要求铺设船能在6级风，0。8M波高以下正常作业。具有较强的抗风、 浪能力。 (3)要求吃水浅，同时能在高滩地铺排时还可以坐滩作业。 ， (4)在远离岸边情况下，能精确定位，保证铺设质量。 (5)机械化程度要求高，以达到日铺排效率5000平方米以上。 针对以上对铺设船的特殊要求，参照国内外的铺设船的成功与失败经验设想 的几种来解决其特殊的要求。 (1) 利用卷筒和倾角可调的翻板实现整张排体机械化、平稳地铺设作业： (2) 普遍增强、增加了锚缆系统，抗风、浪能力大大提搞； (：3) 增加船体宽度，在保证稳性的前提下，最大限度地减少船舶吃水尺度： (4) 为保证施工质量，全部采用GPS定位，定位、移船、铺排作业均实现 了集中控制； (5) 提高机械化、自动化程度，装置船载起重机、吸砂泵以少量人工实现 软体排快速组拼； 根椐上述的分析，本文对软体排铺船的关键技术方案进行了研究和设计，通 过计算和校核，证明方案是可行的，本方案目前正提交工程项目的进一步论证， 、 希望能被项目组采纳，作为本人为长江口航道整治工程作一份力，尽一份心。)7一一 ／ 关键词航道整治，铺设船，段、氓彬瓶缎拍 2 Summary YangtzeRiverthesystemforwaterformainchannelofseadeeplysufferinglhesandof block-offisroughly,forlongtime，putinataportthenorthslot．manyintheIastyearsofharborof mainchanneIsouthtodependontodredgethemaintenance．alreadyandsenouslyaffectedfhe YangtzeRiverconduclandactionslhe“goldenwaterway‘offunction．Can’ladapttofhe jnternationaIseatrans；portationtolhesituationlhaIlargerofships．CONtainerIodevelopFor developmentsIhengathertopacktotransportlhevitaIpointharbortothecorpus’sintemational shippingcenterinShanghai，andmustwanttoYangtzeRiverchannelputintoorderofproceedingof channel． YangtzeRiveritisourcountrythatdeepwaterchannelmanagetheengineeringfounda nationsincethenbiggestchannelmanagetheengineering，anditstreatingbuildingtobewaitedby twoguidedikesand10wordsdamstotaIlong63kilometersconstitutes．protectionofbottomlhe constructiondesignadoplthesollworkcloththesoftwarelherow．andwhatsoftwareIineuppressto heavyformcontaincatenapiecetopresstocarry．andthesandpresslocatry,andlhepiecepress tocarrylhreekind．Itisthekeyofwholeengineeringlhalprotectionofbo廿omstartconstruction． amonglhemestablishtosuIIlheYangtzeRivernaturethetermIheprotectionofreasonablescience thebottomlospreadIherowtostartconstructionlhecraft．andisanengineenngtorowtheinitiaI stagetorunintowithdeveloptoresearchtomanufacturewiththeappropriationshipsandmachine equipmentsthatofmatchofatoll·gatekeytechnique．Thistextmanagetheengineeringtheinside thedesignforshipforneedingthesofh,arerowthepavingtheappropriationshipchoosingthetype andequipmentsequippingofwiththeargumentinthechannelregardingthisasthebackground， pointresearch． SpecialrequesttowardsYangtzeRiverdeepwaterchanneltreatingengineeringinsidedghtpaving shipofthistextproceedsanalysisandstudy，andbdnguppedtheconceivingofsolution． (1)，Requestlhebreadththatsoftwarerow40M，long140Mwhollybuildtodowngoto．and requestthepavingquantitytheflatnessatthesametime，andcan’thaveanydamage． (2)，Requesttobuildtheshipcanat6-classbreeze．0．8MwavesishighbelownormalworkHave theabilityofstrongeranfi-wlndandwaves (3)，Therequestdrinkwatershallow,canatthesametimewhenthegroundofhighpoolspread therowrunagroundthehomework． (4)，Intheoffshorecircumstance，cantheprecisionposition．guaranteetobuildthequantity． (5)，Themechanizationdegreerequesthigh，thenattainthedaytospreadtherow5000square metersIsabove． Thespecialrequest，thataimattheabovepavingshipshineontheSuCCeSSandthefailure experienceofthedomesticandintemationaIpavingship。andconceivebelowafewprojectssolveits specialrequest． (1)Makeuseofacylindertoisadjustablewithobliquitytotumovertheplanktorealizewholerow lhemechanization．fairandsoftlybuildIhehomework； (2)Widespreadtobuildupanchorcablesystem，anti．windandwavestheabilityconsumedly increases； (3)Increasetheshipthewidth．underguaranteethepremiseofthesteady；biggestlimitgroundlet uDlheshipstodrinkwaterthedimensions； (4)Startconstmctionforassurancequantity,alladoptionstheGPSposition，position．movethe ship．spreadloIineuplhehomework10realizeslheconcentrationcontrol， (5)Increasemechanization，automationdegree．installedthederrick，inhalesandIhepump，with theexaltationsoftwarelineupthespeedofassemble． Proceedsaccordingtokeytechniquetowardssoftwarespreadlineupshipofaboveanalysis． thistexttheresearchisviablewithdesign，passthecalculationwiththeproofread，proofproject，and thisprojectnowhandovertheengineenngitemthedepartmenLastoit'sfumerargument,thehope wasadoptedbyitemdepartment，fortheYangtzeRivertreatingofchanneloutsadint，doaheart． Keyphrase：Treatingofchannel，spreadtolineuptheship，assuming，analysis． Meixinglu(transportationmanagement) Directedby幽a垫篮 2 航道治理工程软体排铺设船 与关键技术的研究 前言 长江口通海主航道的水深受拦门沙的制约，长期以来依靠疏浚维护在7m(理论 深度基准面以下)。进港主航道南港北槽多年来依靠疏浚维护，大型船舶或需乘潮进 出长江口，或需在口门外减载后进港，已严重影响了长江作为“黄金水道”作用的发 挥，不能适应国际海运向船舶大型化、集装箱化发展的形势。为建设以集装箱运输枢 纽港为主体的上海国际航运中心，尽快把上海建成国际经济、金融、贸易中心之一， 带动长江三角洲和整个长江流域地区经济的新飞跃，国家于1997年末批准开工建设 长江口深水航道治理一期工程。 近40年来我国一大批专家、学者为整治长江口航道进行了不懈努力和艰苦卓越 的工作，通过多方案的反复比较，确定了“南港北槽”的治理方案：在长江口南港北 槽中建筑2条导堤(其中北导堤全长49．2KM，南导堤全长48．OKM及丁坝)，使航道 设计水深从目前的7．OM增加到12．5M，航道底宽达到350～400M，以满足第四代集 装箱船全潮通过的要求。工程分三期用10年时间实施。工程总投资约155亿人民币。 长江口深水航道治理工程是我国建国以来最大的航道治理工程，其一期整治建筑 物主要由两座导堤，南导堤30KM、北导堤2SKIrl、潜堤3．2脚、南线1．6KM及10座丁 坝等组成，护底结构设计均采用土工布软体排，软体排的压重形式有砼联锁块压载、 砂肋压载以及块压载三种。它由堤身两侧余排组成，具有抗冲刷，使基床受力均匀， 减少堤身沉降等多重作用。一期工程的护底总面积达3．7X10．M2。护底施工是整个治 理]：程的关键，其中制定适合长江自然条件的科学合理的护底铺排施工和开发研 制与之匹配的专用船与机是在工程筹划初期就碰到的一大关键技术。本文以此为背 景，重点研究在航道治理工程中所需软体排铺设专用船的船体选型与设备装置的设计 和论证。本人作为主要负责人之一承担和组织该项目设计组织与实施。 第一章铺设船在国内外研究概况 第一节铺设船的作用与功能 软体排铺设船(见图卜1)是一艘专用工程船舶，它的作用是作为在河、江、海 的航道整治工程中铺设土工布的特殊专用设备，它在整个航道整治过程中起着极其重 要的作用。 长江口航道治理工程构筑于长江口水下的导堤、丁坝、潜堤，其主体结构堤身下 都是用软体排护底，这也是当今国际上采用较多的一种护底结构。由于大面积软体排 铺设在国内没有先例，加之长江口区域自然条件恶劣，施工难度大，因此，如何将平 面尺寸极大、结构形式不同的柔性排体在水下铺展就位，确保护底作业的旅工质量是 施工过程中必须予以解决的一个关键。对整个工程而言，意义极其重要。 以机织布与无纺布针刺复合而成的土工布作为软体排的母材，既有足够的强度， 又有较好的护底效果，根据长江1：332程自然条件和护底结构要求，设计决定采用砂肋 和砼联锁块两种形式的软体排结构。铺设船是把长】40M，宽40M这样一块软体排， 从设置在船上的可制动卷筒通过以增加摩擦力的导梁再到设置在船舷侧可旋转的翻 版平稳地铺设到水底，铺设位置通过船舶上设法的GPS设备进行定位。 图卜l铺设船示意图 第二节困内外上：r布铺设船实例情况介绍 一、国外土工布铺设船实例情况介绍 国外较为著名的水下软体排铺设设工程为荷兰的东谢尔德(EasternScheldt) 闸工程(见图卜2)。闸墩底部和闸室的上下游用不同形式的软体排保护。软体排由 土织物、砂、石或砼块组合而成。总面积5X】06。每块排体面积为200MX421J，总质 量5000吨，在加工厂预制，用直径IOM，长度42．5M的浮筒在专用码头上卷绕，再 用特种工作船运送到现场。准确地放在海底的工程位置上，这种工艺仅运用于水深较 深的区域，该船船体特别大，施工速度也较缓慢，且工程造价十分昂贵。当然它的自 动化程度也是较高的，对施工人员的操作技术水平要求较高。 图l一2国外铺设船示意图 二、 国内土工布铺设船实例情况介绍 国内能知道的铺排工程就是在洪湖地区的界牌工程及太仓护岸工程，这也是当 时属较有影响的航道整治工程，即大型水下沉排作业工程，其性质是护岸。软体排幅 宽15M，长50’100M，辅设船(见图卜3)采用一条200吨长江甲板驳改装而成的。 沉放排体时的制动装置采用重力式闸梁，螺杆人工制动。尽管它也能较好完成铺设工 程，但有几个不可忽视的技术或施工缺陷，这些缺陷将对工程留下不可忽视的隐患： 软体排从铺设船一侧沉放下水时，排体及砂肋在舷侧呈明显的悬链扭 曲，形状无法得到保证。同时，悬链状的砂肋引起排体幅宽的严重收缩。 排体上人工绑扎的压载砂袋难以保证100％地与排可靠固定，在太创围堰 的沉施工中，这种现象尤为严重。 软体排铺设过程中，防止排体边缘翻卷的措不力，水深或流速稍大时难 以保证排体准确就位。 界牌或太仓工程中，铺设船上仅设卷筒和闸梁，专用设施过于简单，人 员劳动强度过大。 因近岸作业，铺设船定位和施工监测手段基本沿用传统方式，无法移植 到长江口施工作业中来。 图卜3国内铺设船示意图 长江口治理工程水域受地理位置的制约，具有水深深不一、风大、浪高、远离 陆地、河口水流受长江径流和潮汐的双重影响，流向流速多变等特点。荷兰的施工工 艺显然不能适应长江口水域，而国内的铺设工艺设备简单，抗风浪能力差，其作业工 效和作业方式等均不能满足长江口工程的需要。为此就必研究出一种适合于长江口气 象条件又能满足工程需求的铺排船。 4 ● 2 3 4 5 第二章长江口深水航道整治工程的特点和要求 第一节施工特点 长江13深水航道治理工程是我国建国以来最大的航道治理工程，其一期整治建筑 物主要由两座导堤，南导堤30KM、北导堤28KM、潜堤3．2KM、南线1．6KM及10座丁 坝等组成，护底结构设计均采用土工布软体排，软体排的压重形式有砼联锁块压载、 砂肋压载以及块压载三种。它由堤身两侧余排组成，具有抗冲刷，使基床受力均匀， 减少堤身沉降等多重作用。一期工程的护底总面积达3．7X106M2。 在宽达数IOIGM的河口江面上建设本工程，施工受风、浪、潮、流等多种不利自 然条件的严重影响，江底河床冲淤多变，工程量巨大且工期很紧，这就决定了工程环 境恶劣，工程技术含量高，施工难度大，施工强度高等特点。 由于长江口地区地质为可动性很高的粉细砂，采用护底软体排对控制河床局部冲 刷，确保整治建筑物自身稳定是十分关键的。我们研究的就是长江口水域风大、浪高、 流急、远离岸线等十分恶劣的自然条件下，如何将这种护底软体排优质、高效、安全 可靠地铺设于江底，就必须有一种设备来完成它——软体排铺设船，这一设备是决定 整治工程成败的关键技术之一。 一、施工条件差 1．长江口施工水域开敞，远离陆域；整治建筑物顶面高程在平均水位附近，高潮位 时淹没水下，施工测量定位困难：全部水上工序均需依靠船舶作业： 2．施工受风、浪、流的不利影响，旄工作业周期短，年水上作业天仅150—180天。 3．水下地形复杂，广布的浅滩限制了作业船的吃水和施工效率。 4．地基软弱，底质易发生冲淤变化。 上述不利的自然条件对整治建筑物结构型式和施工工艺带来了较大的困难。 二、施工强度高 由于工程规模浩大，工期紧，施工强度在国内外水运工程建设史上是罕见的，平 均月建成堤坝要求超过2KM。高峰期一个作业面要求护底软体排日进尺70延米以上， 堤身各工序的推进速度也要求达到40m／d以上。经估算全面开工将要同时有四条铺设 船进点施工才能完成工程的形象进度。 三、施工管理难度大 长江口水下地形无时不在产生着自然的冲淤变化：建筑物的施工又会导致周边流 的局部变化；串沟封堵、临时堤头的推进及丁坝的施工对流场的影响更为明显。而一 旦因此使建筑物周边地形发生较大冲刷时，轻则会造成工程量的大幅度增加或危及建 筑物的稳定，重则甚至会直接影响到局部河势的稳定，从而影响整治效果。因此，如 何在工程实施过程中加强动态管理、趋利避害，成为工程建设管理的一项重大课题。 第二节长江口深水航道整治工程中对铺设船的特殊要求 (1)要求将宽40M、长140M的软体排整张地铺设下去，同时要求铺设质量平坦并 不能有任何的损坏。 (2)要求铺设船能在6级风，0．8M波高以下正常作业。具有较强的抗风、浪能力。 L3)要求吃水浅，同时能在高滩地铺排时还可以坐滩作业。 (4)在远离岸边情况下，能精确定位，保证铺设质量。 (5)机械化程度要求高，以达到日铺排效率5000平方米以上。 6 第三章适用长江口深水航道铺设船关键技术的研究 铺设船的关键技术就是要解决与满足长江13航道整治工程中对施工质量和施工 工艺的要求，同时根据本施工的特点及特殊要求来解决之。如：如何将宽40M、长140M 的软体排整张地铺设下去，同时要求铺设质量平坦并不能有任何的损坏，这就要设置 一套优于界牌工程铺设船的铺设设备及经济于荷兰东谢尔德闸工程的铺设备的铺设 船，所以卷筒、导梁、翻板是保证铺设质量的关键，是保证施工周期的关键，是考虑 设计整个铺设船的关键技术也是重要关键技术，它的成败决定了铺设船成败。 针对以上对铺设船的特殊要求，参照国内外的铺设船的成功与失败经验设想的几 种技术方案来解决其特殊的要求。 (1) 利用卷筒和倾角可调的滑板实现整张排体机械化、平稳地铺设作业； (2：) 普遍增强、增加了锚缆系统，抗风、浪能力大大提搞； (3’) 增加船体宽度，在保证稳性的前提下，最大限度地减少船舶吃水尺度； (4) 为保证施工质量，全部采用GPS定位，定位、移船、铺排作业均实现了集 中控制； (5) 提高机械化、自动化程度，装置船载起重机、吸砂泵以少量人工实现软体 排快速组拼； 考虑该船的总体设计思路为： 船总长70．Om 型宽20．Om 型深4．20m 载重量约3000吨 作业参数： 最大铺排宽度：40米 连续铺长度：)140米 放排速度：2．25m／4．98m／10．51m／mim3级变速。 ． 船体结构及布景 本船为单底纵骨架式钢质焊接结构，7道横向水密舱壁，2道纵向水密舱壁(机 舱区域非水密)，肋距600mm，设艏、艉2个船员楼，艏楼为2层，艉楼为3层。艉楼 最上层为操作室，其余部分为船员、作业人员生活区域，可容纳60人住宿。艏、艉 各设2台200KN横移锚机。作业区位置于甲板中部，左舷设土工布卷杨机2台、土工 布导梁1根，右舷设放排滑1块及相应的滑板仰俯起重架2台、拉放土工布用200KN 卷扬机2台。 作业条件为沿海，作业海况为浦氏6级风，1．2M浪高，锚泊搞风能力为浦氏10 级风。 第一节船体选型 ． 一、船型选择 长江口航道整治工程虽然是一个规模非常浩大的水利工程，但它毕境是一项单一 的工程，而软体排铺设船又是一种专业性非常强的工程船舶，一旦该工程结束，该船 将无用武之地。因此来讲，考虑投资的回报率，既要适合当前需要又要考虑今后长期 使用的需要是成为该船船体选型的关键所在。可供选择的船型有几种(见表3-1)： 表3-1船型I、II优缺点比较 优点 缺点 船型I 设计简单、造价低，工程 拖航性能差、仅适用 结束后用途较少 沿海港日使用与调 迁 船型II 拖航性能好、适用近海与 设计复杂、造价高 远洋使用与调迁，工程结 束后用途较广 船型I是公司现有的一种传统的方驳型式，即方方正正的，基本无线型，船首无 线型，船尾既无线型也无平衡舵，拖航性能较欠缺。此种方驳设计简单，造价低，但 较适用于沿海港口使用与调迁。 船型II是船首有线型，船尾既有线型也有平衡舵。此种方驳适用于近海与远洋调 迁，拖航性能较好，但是设计复杂，造价高。 为了能不使该船在工程结束后，不致无用武之地，还是考虑采用船型II的船体型 式，同时应考虑把船体设计成一个具有载重3000吨级的远洋甲板驳，为公司今后在 工程结束，使得该船能投入到公司远洋拖带的业务中去。 二、铺设船作业参数 1．作业参数的作用 最大铺排宽度是铺设船作业性能的重要参数。从作业要求来说，该参数越大，每 次作业覆盖宽度就越大，效率也越高。但从另一方面，该参数越大，船舶尺度也越大 (尤其是船长)，此外土工布滚筒和导梁都是两端简支的筒形构件，其自重和作业受 力也相应增大，由此形成的弯矩以长度的2次方增大，构件断面积将大大增加。滑板 的设计也基本如此，从建造成本考虑要兼顾这两方面因素。 2．作业参数的确定 根据海船设计规范，船长以70M为一个界限，超过70M的船舶，对船的规范要求 有很大的提高。根椐上述因素，确定铺排名义宽度为40M。有效宽度为39．2M。所以 本船长度设计考虑定为70M为好。 因此根椐长江口的作业坏境和本船在工程结后将改作为近海甲板驳使用，本船作 业抗风定为浦氏6级、浪高1。2M，锚泊抗风能力为浦氏10级，稳性计算按沿海航 区要求校核，拖航状态按近海航区校核。考虑到作业时存在横倾力矩，稳性校核参照 工况接近的起重船标准。 设想基本参数为：总长70M，型宽20M，型深4。2M，甲板装载重量设计为3000 吨。 第二节土工布卷筒及导梁 ～、优化设计要点 1．土工布铺排作业工艺走向的确定 土工布的走向合理与否可能会影响到卷筒与导梁的几何尺寸，因为如走向不合理 的话可能使导梁受力增加而使其几何尺寸增加，同时也会可能使土工布的下滑摩擦力 减少而增加卷筒的制动功率． 现有软体排铺设船土工布铺排的工艺走向及控制方式可归纳为两种： 9 2．土工布控制方式的方粟 (1)方式A(见图3—1)。土工布按图示方向放出。这种放排方式的特点是： a．土工布拉力(去除甲板摩擦力)完全由土工布卷筒承受，对跨度达40m的卷筒的 工作很不利。 b．土工布的放排控制和刹停主要由刹车梁下压起作用。由于长达40m的刹车梁的 挠曲变形，压力很难均匀地作用于土工布，造成土工布变形及软体排的不均匀下滑， 影响铺排质量。 图3—1方式A - (2)方式B(见图3-2)。土工布按图示方式绕过导梁后放出。这种放排方式的特点是： a．土工布拉力(去除甲板摩擦力)主要由导梁承受，卷筒受力较小，改善了卷筒的 受：j了状态和工作条件，有利于卷筒机械的平稳工作。 b．由于卷筒受力较小，可由卷筒卷扬机直接刹停。 lo C．土工布受力均匀、放排均匀、铺排质量好。 图3-2方式B (3)方式C(见图3—3)。通过以上二种方案比较后考虑了第三种方案的优化方案： 该方案基本采用了方式B，区别是土工布走向改成由下而上绕过导粱。除了保留 方案B的优点外，由于土工布走向的改变，一是增加了土工布与导梁的摩擦力(约增 加flO％)，进一步减小了土工布卷筒的受力：二是土工布对卷筒产生一个向上的分力， 可以部分抵消卷筒自重力，从而减少因卷筒自重力产生的向下挠曲。此种方式使卷筒 的运转更平稳、更可靠，放排时土工布的均匀度得到良好的保证。同时只需采用电动 机电磁刹车就能可靠、均匀地刹停。 图3-3方式C 二、 土工布卷筒 土工布卷筒为钢质简体，直径01600mm，壁厚30mm，长41mm．卷简装置设置在船 的中间，靠近左舷的甲板面上，它包括土工布卷筒及其驱动装置。铺设船配置的土工 布从卷筒中拉出，在作业甲板和滑板上展平，然后充砂形成砂肋软体排或绑扎砼联锁 块形成联锁块软体排，土工布卷筒由钢板卷制而成，卷筒结构设计满足在软体排沉放 过程中所需的弯曲强度、刚度以及抗扭刚度的要求。为保证软体排在水底的铺设质量， 软体排铺设中应保持一定的张力，该张力又因排体的长度或压载的变化而变化。设想 用动力卷筒来驱动软体排的铺设， 卷筒驱动装置具备足够动力、专用的双向驱动绞 车带有可调节制动力矩的制动器，完全满足作业需要。 卷筒和导梁是本船考虑的主要施工设备。二者的位置关系如图3-4所示。 图3—4．卷筒、导梁位置关系 三、卷筒校核计算 1．卷筒尺寸及材料 ， 设计卷筒为一由30mm厚的钢板卷制的圆筒，圆筒中间无骨架支撑。卷筒外径 D=1600，内径d=1540，筒长L=41000(两端轴承中点间的距离)。卷筒材料为Q235A。 2．卷筒所受载荷 (1)． 外载荷(上工布拉力)按施工现场情况要求取为 Q．=40吨，方向与水平成40。向上。 式中：Q。一一与水平方向成40。的向上的外力 (2)． 自重 Q：=46吨。 12 式中：Q：一～卷筒的自重 (3)． 总载荷Q计算： a．工况1(工作状态)： O水平=QIcos400=30．642909 Q垂直=Q2一Qlsin40。=20．288吨 Q=√Q水平2+Q垂直2=36．749hog 按两端简支梁计算，最大弯矩M 膨。：譬：1．883×10，慨一伽x1 8 、。 7 设因制造误差引起的偏心距为100mm，则最大扭矩M： M2=40000X80+46000X10=3．66×106(kg—cm)。 由第三强度理论，取扭转校正系数Ⅱ=0．58，则当量弯矩 Mo=√肘。2+(如：)2=1．895×107慨一cml b．工况2(非工作状态)： Q=Q。=46000kg 按两端简支梁计算，最大弯矩 肼。=譬=2．3575X107船一册) (3-1) 3．卷简强厦及刚度校核 (1)惯性矩 ， ，=吾(D4∥)=4560774．9cm4 (2)剖面模数 形：型：57009．7硎3 D (3)最大应力q。 (1)工况1(工作状态)： ‰=等=332．4([cr]=23：50=1175(kg砌2) (3-2) (3—3) (3-4) ‰=等=413．5([tr]=23250_1175(kg／cm2) (4)最大挠度‰ a．工况1(工作状态)： k=器=3．44cm=0．84胤 b．工况2(非T作状态)： k=器=4．31cm=1．05舭 (5)最大转角％ a．工况1(工作状态)： ‰=籍=z卿圳～=叭s4。 b．工况2(非工作状态)： ‰=器一枷～一o．m。 第三节导梁及导梁校核计算 (3—5) (3-6) 一、导梁 一 1 导梁平行布置于卷筒后面，为箱型结构，土工布由卷筒拉出后经导梁引向甲板。 导梁的主要作用是改善卷筒的受力状态，当软体排拉力增大时，导梁的摩阻力亦随之 增大，卷筒受力较多部分被抵销，反之亦然。同时在导梁设计上作特殊处理可使土工 布经导梁放出时产生向外侧的水平力以抵消软体排铺设中的收缩力，提高了铺排质 量。即在导梁下方与土工布接触面增加了预拱，土工布通过导梁预拱的曲面产生向两 侧的水平力从而抵消软体排铺放过程中的向内收缩力。 二、导梁尺寸及材料 初步假设导梁的外形尺寸如图3-5所示，待下面进经计算与校核后再确定。导梁 的材料设想为普通碳素结构钢即Q235A。导梁计算长度为41200mm。 图3-5导梁剖面尺寸 2．300 口水平 一 图3-6导梁受力示意图 三、导梁所受载荷(见图3-6导梁受力示意图) 1．外载荷(上下土工布总拉力)： 水平向载荷取为40+40cos40。=70．64吨： 垂直向载荷取为40sin40。=25．7吨。 2．自重86吨， 3．总载荷计算 O水平=40+40cos400=70．641r屯 Q|直=86+25．7=111．7吨 按两端简支梁计算，最大弯矩M ‰=学=3．64x107(kg⋯)a Mtlt=掣=5．75x107(kg—x 四、导梁强度及刚度校核 1．惯性矩(见表3—2) 计算结果：)(0=113．8cm。Yo=65cm。 2．最大挠度万 歌平一一_面5Q．瓦平L3=2．69册=。．65凯 唾直一=丽5Qi．瓦平L3=11．16cm=2．71‰L (3—7) 3．最大应力盯 因为剪应力<<拉压应力，所以计算中忽略剪应力。 根据中和轴位置判定，最大拉应力存在于B。与民交点处，最大压应力存在于r。 上。 (1)对于r。，有X=50—50COSq，y=50—50sinn。 ％=竽掣+坠掣 净s，：=—M,平(50-5—0cosa-Xo)+—M!lt(50-5—0sina-Yo) l， lx 令生鱼：—M,e5—0sina+—M垂n5—0cosa：o ?dcc I。j l， 得a=甜c培面M=垂i万tI=58．9。％～=坠坠掣 =一1053(kg／cm2) 16 + ．·．I O'r2rr。M=百2350=1567(kg／cm2) (2)对于B。与B4交点，有x=230，Y2120 盯：丝查±垒二型+ I y M垂直(y—Y。) Il =1117(kg／cm2)(b]=百2350=1567(kg／cm') 经计算r。处的最大应力盯，：一小于许用应力b】，符合要求。 经计算B3与B‘交点处的最大应力盯小于许用应力p】，符合要求。 因此经计算与校核初步设想的导梁外形尺寸与材料选用是符合要求的。 c。 N ∞ t十 ∞ 寸^ n ● ● ● ooa， 111茭童 (o 时 N o ∞ o①LD a， Lf) p， Pa∞ o’一 甘 ∞ U，N∞卜 o o H o① ∞J一世牟 、十 H co H H一 HN o ∞ H 寸 }、h卜一 h h h∞ ● ● ● ● 00 —) }1茭暑 ∞ o(。 oa N NocDoo ,-．-I H ∞ ∞ oh卜 ●一 吲_ 吲 Uj一 呻-}一 1l悻 h卜 h '十 寸 ‘。 ∞ ∞∞ ∞ ∞ 呻 吲 。0 一 '亭 一 一 H N N 一H Lo U'∞ ∞ ∞ h N l 萎．等名 ∞ ∞ ∞ ● ● o co h ‘。 ,-．-I卜oot"- h∞ ∞ ∞ H o ●L亦埭0coc。 co0"3 F'∞ 。o ∞ coco ∞ o o t"- co ∞ 叫 皿 C-I N oa N N o ∞ * * * p’ ’p +嚣．置名 }-h o ∞ 卜． ∞ co ∞ ∞ 卜． 卜． 。o o。 o ∞ a’ ∞ c。 o 亦毅0① ∞ 吲 ∞ ∞ h co √ ’中 甘 ∞ o o o o p·q N N ∞ 一 ∞皿 * * * 日_ ● '， 寸 ● ● Lo∞ t。 o芸 主童 ∞ ∞ ∞ I I H co N、十 叫 w 1 I l I I 一 l童 “ ∞ ∞ ∞ ● ● ● 薯 N ● ∞ ∞ ∞ 譬一 霉一 卜∞ I co 。 上 一I 一 旧 ∞ ∞ ● 甘 ● ● H o o 犁 × ’■ ∞ 2no o∞ N o 岫 l — co∞ o ∞ dH⋯1 N ∞ ∞ 一 N 目 ∞ oo oLo ● ∞ ∞ o ∞ 吲_ N H c。 。 d<× ∞ ∞ o N吲 苫∞ H op’ 甘 ∞ 111 一 ∞ ∞ ∞ o 葛 o 。D 、p ∞ ∞ ,--tN o l ’十 N①∞'荆nN ① ， 割暑 co∞ ’寸 U’^ 一 悼{oV _ ● ● h—H ∞ l 。ooc。 ∞ ．o —o氰毒 HH o h∞ ,---t ,-．-I一 o 剥善 ∞H 、√ ∞^目^ ．o ．o H ∽臣 ，，1√ oL力 ln一● 卜I U’ ∞Lo l N 翻菇 N HVp’一HN ∞ 1Il鐾熏 o o o ●“’ U’ 寸 N 囊鬟 H H 一 o— N 芒妒l， h-H一 -卜 hh ∞ ∞ ∞ ¨挺g l 世妒 擗琳矗壤墨蜓、 ．N-￡僻 第四节沉排翻板 软体排从铺设船舷侧沉放，由于排幅宽达40M，重力作用，无论在空气中(水面 上)或水面下，柔性下垂的软体排都不可避免地成为悬链的存在又导致排体幅宽的明 显收缩。解决这一缺陷的措施是在铺设船舷侧设置一块可自由俯仰的翻板，翻板不但 可托住排体，引导软体排水下定位，而且设置了翻板的铺设船对没有岸坡依托的排体 始端水下就位和船上排体压载的固定作业，提供十分有利的作业面积和工作条件。 长江口导堤试验段施工中设置了沉排翻板的铺设船，沉排作业的施工效果和铺设 质量明显提高。 一、翻板设计 翻板是一种大型平面钢结构，设置在船舷一侧，外缘以钢丝绳一滑轮轮组悬吊于 甲板边“将军柱”上，可一定角度内变幅。但对船体而言，翻板与船体的连接使主销 受力较大，主销孔的同心度对翻板及翻板变幅绞车的受力影响很大，加工中应予严格 控制。由于舷侧结构单薄，船体加固中的结构处理不容轻视。翻板的结构类似船体的 开式舷伸甲板，上表面主材厚6MM，其下纵横向设T型材形成板格。所有主要构件均 以结构力学原理分析校核，同时采用当前国际上普遍使用的由法国ROBOBAT公司开发 的大型有限结构分析设计软件ROBOTV6进行校核。翻板外缘设置浮力舱，可大大减 轻翻板自重力，大为改善翻板铰座处的船体集中受力，而且对铰座主销、将军柱、钢 丝绳、滑轮组、变幅绞车的受力以及船舶浮态等极为有利。外缘浮力舱在翻板无外载 时提供的浮力，应当满足支持翻板的1／2自重力，＆口时更换变幅钢丝绳也不用固定其 外缘，任其浮在水面上，这对设备检修保养、变幅系统都是一种便利和保护。 二、翻板系统强度计算 1． 翻板系统的受力分析(见图3—7) 厂] L～／ ／ ／ 广1 ／ ／ ／ ] ＼ ，、 < > 、。／ 箱体一 图3-7翻板受力示意图 (1)翻板载荷计算 翻板所受外载荷由翻板自身重量、翻板上铺放的土工载荷、翻板外端的悬挂载荷 以及水对翻板的浮力这四部分组成。 a．翻板自身重量 翻板的重量由翻板自身结构的重量以及其上的一些构件组成，各部分的重量由翻 板结构、滑轮轮座、支座、滑轮轴、滑轮等组成估计总重可达到约120吨重。 即：Ql=120t b．翻板上铺放的土工载荷 翻板上铺放的土工载荷按沿翻板纵向铺放4块联锁块和横向铺放2块联锁块计 算，即翻板上共有联锁块2x4=8块联锁块，根据现场情况，每块联锁块的重量按10．5 吨计算，则翻板上铺放的土工载荷为： Q2=10．5X8=84t 20 c．翻板外端的最大悬挂载荷 根据现场情况，翻板外端的最大悬挂载荷取为： Q3=73．44t d．翻板所受的浮力 按翻板下翻到45。时所受的浮力计算，这时浮力由两部分组成：翻板端；梁的 浮力和翻板上入水的联锁块所受的浮力。 Q4=—(1．1×1+0．32×3．1416+2+0．3×0．4)×40—84×3．6+8+2．3=—70．89f 2．翻板总体强度校核 (1)翻板的主要尺度和设计要素 主体长度 40．8米 计算长度 40．O米 宽 度8．0米 设计水深 13．5米 2I (2)翻板剖面模数计算 翻板剖面模数见表3—3、表3—4： 表3-3翻板剖面模数计算表格 ＼ 箱体一 总桁 ＼ 翻板板 腹板一 腹板二 面板 腹板 面板 数量 1 1 1 1 3 3 长度 691．001．40 1．40 70．00 1．40 50．00 厚度 1．00 67．40 77．40 1．60 97．．40 1．60 面积 691．OO94．36 108．36 112．OO 136．36 80．OO 总面积 691．0094．36 108．36 112．00 409．08 240．00 距离 O．50 34．70 39．70 74．20 49．70 99．20 面积矩 345．503274．294301．898310．406777．097936．00 总面积矩 345．503274．294301．898310．4020331．2823808．00 自身惯矩 57．5835721．2454096．5623．89 107801．2217．07 附加惯矩 172．75113617．93170785．1l616631．68336821．47787251．20 惯矩 230．33149339．17224881．68616655．57444622．69787268．27 总惯矩 230．33149339．17224881．68616655．571333868．072361804．80 表3—4翻板剖面模数计算表格 ＼ 箱体二 纵骨(16b) 求和 腹板 外端板 面板 翻扳板上 箱体下 数量 1 l 1 5 1 长度 1．40 111．00 厚度 97．40 1．40 1．60 面积 136．36 184．87 177．60 21．16 21．16 总面积 136．36 184．87 177．60 105．80 21．16 2280．59 距离 49．70 50．00 99．20 lO．75 88．65 面积矩 6777．099243．4217617．92227．47 1875．83 总面积矩 6777．099243．4217617．921137．351875．8397022．98 自身惯矩 107801．22109007．9037．89 527．00 527．00 附加惯矩 336821．47462171．081747697．662445．30166292．68 惯矩 444622．69571178．981747735．552972．30166819．68 总惯矩 444622．69571178．981747735．5514861．51166819．687631998．04 中性轴 42．54 中性惯矩 3504353．59 剖面模数 60990．85 注：表中长度单位为cm，面积单位为cm2，剖面模数单位为cm3，惯性矩单位为Ctil‘。 根据表中的计算，可以得到： 剖面模数w=60990．85cm3 (3)翻板工作时的各种危险状况的校核 翻板工作时，可以按简支梁宋校核翻板结构的总强度(图3—8)，翻板的跨距按 40米来计算： Q 图3-8、翻板强度计算简图 校核翻板强度时，考虑计算翻板的三种工作状况： }仪翻板自重； }翻板自重、铺有土工载荷： }翻板自重、铺有土工载荷、悬挂载荷最大和按翻板下翻到45。考虑浮力。 许用应力根据1996年《钢质海船入级与建造规范》第二分册2．2．4，取： [0] 1785kg／cm2 各种工作状况的计算结果如表3—5： 表3-5翻板强度校核 计算所用到的计算公式如下： Q=Q1+Q2+Q3+Q4 M～=M(詈]=譬 材一=盯～／【州=Ⅳ～／1785 第五节卷简的制动装置 卷筒的制动装置采用二台22KW／22KW／16KW的三级变速电动机通过蜗轮蜗杆和 开式齿轮二级减速驱动。速比为1：75／1：8．929，驱动力为200KN*2。为了达到同步， 两端的动力电机由同一套控制电器控制，同～电源供电。其目的是为用于卷装土工布 并控制放排的速度及开停。土工布卷扬机的负载，根椐土工布通过导梁后对卷简的拉 力来计算。两端动力装置均设有手动离合装置，每端动力装置均可单独驱动作业，在 应急状态下可由一端的动力装置驱动作业。卷筒两端设有手动刹车装置，在离合器脱 开的情况下，可用刹车装置控制放排。 第四章锚泊设备的布置 导堤方向为水流方向，船舶顺水流锚泊，软体排的铺设方向为与导堤垂直。因此 铺设过程是船舶横移过程。软体排铺设宽度为40M，长度为大于是140M。为了保证船 舶定位和移位的准确性，在船舶首艉各设置2台三速电动锚机，主要起到领水作用，， 在涨、落潮作用下，保证船舶纵向位置的准确度。另外，要艏、艉各设置一台三速电 动锚机与已铺设的软体排一起，共同控制船舶横移的准确度，并且保证船舶一次锚位 能连续铺设多幅软体排，减少起、抛锚的次数。初步设计锚长度为400M。 第一节船舶阻力估算 一、非铺设状态下阻力估算 非铺设状态系指船位没有横移状态下的作业过程。因船舶与水流仅存在潮流作用，故 速度以最大水流流速考虑。主要参数如下： 水线长度：L。=69．6m 吃水：T。=1．5m 型宽：B=20m。 翻板长度：L2=40．Om，宽度：B。=8．0m， 翻板角度0=38。浸水宽度：T2=B2*sim0—1．2=3．73m 流速：V=2．Om／s(4节) 根据V／√魄r，g为重力加速度，c产o．219、C2=o．246 P／2=52．25 R7=Rl+R2=Cl×P／2×Ll×T1×V2+C2×P／2×L2×T2xV2≈89．35(kn)(4-1) 式中：R．一船体阻力，R厂一翻板阻力。 考虑风压，则总阻力R=I．5R7a134．0(kn) 二、铺设状态下阻力估算 铺设状态系指船舶在软体排铺设时船舶横移状态，故按横移锚机正常速度考虑。主要 参数如下： 水线长度：B。=69．96m，吃水：T。=1．5m，翻板长度：B2=40．Om， 浸水深度：T：=3．73M，软体排宽度：Bs=40m，在水中悬挂长度：T3=Sm 移船速度：V。=O．25m／s，横流速度：V2=1．55m／s，合速度：V=V。十V2=1．8m／s C。=(1．219、C：=C83=O．246，P／2：52．25 R乞R。+R2+R3(R。为土工布阻力)：87．92(kn) 考虑风压，总阻力R=I．5R7≈131．89(kn) 考虑土工布作用，R。x一1．5R≈197．83(kn) 从计算结果来看，铺设时，由于横移速度很小，船舶阻力也很小。由于原先铺入 江底的软体排对船体的拉力与横移锚机的拉力成正比，而且悬挂在滑板与江底之间的 软体排联锁块自重力都将对船体产生水平拉力，这些阻力都与操作有关。施工中，即 在铺放软体排过程中，只要尽量使放排速度和船舶横移速度一致，就可以减少软体排 对船体的横移阻力。 第二节锚及锚机的选择 一、锚的选择 本船为工程作业专用船舶，按常规设计采用海军锚型。根据船舶阻力估算，拟选 用3个1．92吨海军锚且为首锚。 舾装数N按下式计算(见表4一1)： ， N=A2／3+2Bh+』．． (4—2) 10 、 式中：△一一夏季载重线下的型排水量(t) B-⋯一一型宽(m) h----『一从夏季载重水线到最上层舱室顶部的有效高度：对最下层的层高 h。从上甲板中心线量起或具有不连续上甲板时，从上甲板最低线 及其平行于升高部分甲板的延伸线量起，即： h=a+∑h． 其中： a--一从船中夏季载重水线上甲板的距离(m)。 h,-⋯各层宽度大于B／4的舱室，其中心线处量计的高度(m)。 A一一船长L范围内夏季载重水线上的船体部分和上层建筑以及各层宽度大于 B／4的甲板室的侧投影面积总和(m2)。 计算h和A时，不计及舷弧和纵倾。凡是超过1．5m高度的挡风板和舷墙， 均视为上层建筑或甲板室的一部分。 A．一一船长L范围内夏季重水线以上的船体部分的侧投影面积(m2)。 A。一一上层建筑的侧投影面积(m2)。 A。一一各层宽度大于B／4的甲板室的侧投影面积(m2)。 A。一一超过1．5m高度的挡风板和舷墙的侧投影面积(m2)。 表4一l舾装数N计算公式表 △ △们 B A ￡h． h 2Bh ^l Az AI ～ A A／IO N (1) (2)=(1)2”(3) (4) (5) (6)=(4)(7)=2x (8) (9) (10) (11) (12)=(8)(13)=(14)=(2) +(5) (3)X +(9)+(10)(12) +(7)+(13) 1石- (6) 十(11) 40566 254．：15 20 1_0 7．50 8．50 340．0 70．0 { 78．36341．2 489．56 48．96 6433 注：九计入了翻板的面积 经计算得N为643．3。按《钢质海船设计建造规范》要求本船应配置艏锚3个， 每个锚重l-92吨。 ， j 根据工程船舶长期使用的经验和长江口水域的风浪水流条件，本船实际应配备 为：海军锚5吨4个作为锚泊与船舶定位之用，它们分布在船舶的左右舷，为适应专 用铺设之用，还应专门配置两台横移船舶的锚，考虑由于受横流作用及根据经验应配 二个7吨的海军锚。 二、锚机的选择 (1)起锚时的锚机拉力 T“x=f((1一r。／r。)×(W+(^)h)+2W)≈147．1(kn)(4-3) 上式中2w为锚破土时的力，考虑到作业时船舶锚位移动由起锚船配合作业，破 ±拉力2w可不计，故移船时