玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計計算

1、玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計計算2001年1月玻璃鋼/復(fù)合材料31玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)訃計算趙會娟林維學(xué)付秀君王喜斌（河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院秦皇島分院）（天津大學(xué)）（中國耀華玻璃集團(tuán)公司）摘It：本文探討了玻璃鋼活節(jié)燈樁的設(shè)計訃算思想磬岀了玻璃鋼活節(jié)式燈樁靜水力性能，環(huán)境 荷戢，水動力性能和燈樁沉壩的計算方法.關(guān)量詞:玻璃鋼活節(jié)式燈樁設(shè)計計算玻璃鋼活節(jié)式燈樁是一種把直立而有浮力的圓柱體用萬向接頭連接到海底的海錨（沉塊）上的助航標(biāo)志本文以投放于天津新港主航道8助航標(biāo)志HBT2.0型玻璃鋼活節(jié)式燈樁為例，闡述玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計計算思想.1設(shè)計參數(shù)1.1環(huán)境參數(shù)投放位置:X:4314490.y:2057

2、4900:投放水深為新港深度基準(zhǔn)而以下5.0m;設(shè)汁最髙潮位5.0m;平均大潮高潮面3.8m;波浪周期為45s;波長2535m;波高l.Jm;海流最大流速1.9節(jié)（0.98m/s）;冰層厚度0.6m:工作風(fēng)速6級（14nVs）:極限風(fēng)速8級（2oni/s）;頂部單側(cè)負(fù)載2kN?m;海底狀況為淤泥;燈光焦而髙度為平均大潮髙潮而以上4.0m.1.2燈樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)總體結(jié)構(gòu)為玻璃鋼與鋼復(fù)合;頂而至萬向接點的總高11.47m;最大截面（浮體）直徑2.0m;最小截而（立柱）直徑0.25m:最大吃水8.96m;最小吃水3.96m;平均吃水力6m:系留方式為與沉塊較接.1.3坐標(biāo)系選取為了計算方便，坐標(biāo)系選取

3、萬向接點為坐標(biāo)原點0,x軸平行于海底,z軸垂直向上，并認(rèn)為燈樁的運動只是繞英萬向接點0在Z0X平而內(nèi)轉(zhuǎn)動.同時還采用了極坐標(biāo)系,其原點與上述直角坐標(biāo)系原點重合.其極半徑坐標(biāo)R與宜角坐標(biāo)系x,Z有如下關(guān)系：R2=x2+2環(huán)境荷載汁算2.1計算依據(jù)對燈樁所受環(huán)境荷載的計算按照中國船級社1992年版“海上固定平臺人級與建造規(guī)范”的有關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行，相對應(yīng)的風(fēng)荷載，海流荷載和波浪荷載等流體荷載分別進(jìn)行了計算對冰荷載,考慮到 通常冰對樁柱的沖擊力都小于相應(yīng)的擠壓力，只計 算了相應(yīng)工況下的冰原擠壓作用力對于燈樁上的 小構(gòu)件，計算中予以適當(dāng)?shù)暮喕蚝雎?2.2風(fēng)荷載按規(guī)范，作用在物體上的左常風(fēng)荷載為：KK

4、2PoA(N)其中:K為風(fēng)荷載系數(shù)，對圓柱體側(cè)壁可取0.7; 為海上風(fēng)壓高度變化系數(shù):A為垂直于風(fēng)向的輪 廓投影而積(m2);Po為基本風(fēng)壓=0.613(Pl)；v為設(shè)計風(fēng)速(m/s).2.3海流荷載：按規(guī)范，對于構(gòu)件單位長度的海流荷fD可按下 式計算：1D= cD p? A?u(N/m)其中:CD為阻力系數(shù)，對圓形構(gòu)件可取1.0:p為海水 密度:A為單位長度上構(gòu)件垂直于海流方向上的投影 面積(rd/m);u為設(shè)計流速(m/s).對上式沿?zé)魳冻运e分即得到作用在整個燈樁 上的海流載荷Fn.2.4冰載荷(擠壓作用力)：考慮冰層厚度為0.6m,并允許通過.則對應(yīng)不 同潮位狀況，由幾何關(guān)系可以確定此

5、時極限角日. 考慮冰載荷作用單獨出現(xiàn),并使燈樁沒入水中. 由力矩平衡應(yīng)有：M1+MG:M 目其中:Ml為冰載荷矩M=F1?L1Me 為重力矩 Mc:G? c?sin0M 目為浮力矩 MB:(lrB+AFt;?aLs)8-0從而可求得冰載荷F1.2.5波浪載荷：對于本燈樁可視為小尺度物體.因此可按Mori, n公式計算英波浪載荷.對小尺度圓形構(gòu)件，垂直 于其軸線方向單位長度上的波浪力為:.f-vc:號 cD?p?D rul.u+cM?P?詈?D2?(N) 其中:Co為拖曳力系數(shù)，對圓形構(gòu)件取0.61.0;cM 為慣性力系數(shù)，對圓形構(gòu)件取2.0:D為圓形構(gòu)件的32玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計計算2001

6、年1月 直徑(m):u扮別表示垂宜于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點相 對于構(gòu)件和加速度矢量.對于活節(jié)式燈樁的波浪載荷汁算，只需計及燈 樁本身繞餃接點轉(zhuǎn)動的速度和加速度的影響，且波 浪水質(zhì)點速度應(yīng)為垂直其軸線上的分量，這時作用 于運動物體dr微段上波浪載荷mol8on公式為： -CDpD(r)lV 一曲 1(V 曲 xlr+cMP D2(r)(曲)dr+p嘻其中:r為dr徼段形心至績接點的距離;D(r)為dr微 段直徑;0,日分別為該燈樁繞狡接點轉(zhuǎn)動的角速度和 角加速度;m為dr微段質(zhì)量.考慮靜傾角0.沿吃水枳分，整理得：口 O1f 一=虧 PcDD(r)lV 一曲 1(V 一曲)dr+cMP 號)()Pcm

7、 -mlriO其中:為附加質(zhì)量系數(shù)，對圓柱體cm=l且=c+l;V=ll 刪觀一 wsinO.可見此時運動物體上波浪載荷作用包含了附加質(zhì)量力和慣性力，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考慮燈樁的轉(zhuǎn)動運動十分緩慢,且英吃水并不大,則上兩式中的0項可以忽略不計,計算中視不同 工況分別采用A.啊波理論和Stokes五階波理論由 Stokes五階波理論可知波浪水質(zhì)點x,z向速度和加 速度分別為：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為波數(shù)為水深;自為圓頻率.GI=aAIl+ll 3A13+a5A1562=如+G3=Aoc+a5A35G4=A44島朋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項，就是對應(yīng)A波理論 公式.2.5.1怎常環(huán)境荷載作用下的豎直靜平衡狀態(tài)： 計算表明，低潮位，來波周期T=4秒下波浪荷 載取得最大值.2.5.2左常環(huán)境荷載作用下的傾斜平靜衡狀態(tài) 選擇工作風(fēng)速6級，單側(cè)負(fù)載200N工況,此時為 最大靜傾角狀態(tài)計算表明，低潮位，來波周期T=

10、4 秒下波浪荷載亦取得最大值.3靜水力性能計算總重量G=ZGII重量矩 MG=5P(v)rdv=毒 Gi重心極坐標(biāo)半徑k:轉(zhuǎn)動(極)慣量J=lp(v)r2= Gi總排水體積V=v;i=l排水體積矩Mv=svjri2001年1月玻璃鋼/復(fù)夸材料33其中:L為第i個組件的重心極坐標(biāo)半徑 浮心極坐標(biāo)半徑Ls：!總浮力Fs=p?V有教浮力F=FsG靜傾角的汁算;將燈樁上作用的所有靜力(風(fēng)荷載，海流荷載)和英自身的浮力，重力對坐標(biāo)原點0(狡接點)取矩，可以求得靜傾角&knd+FD考慮負(fù)載時有:,k+F其中咖為風(fēng)荷載作用點極坐標(biāo)半徑;Lo為海流荷 載作用點極坐標(biāo)半徑:AG為頂部單側(cè)負(fù)載;G為頂 部單側(cè)負(fù)載

11、作用點極坐標(biāo)半徑.4水動力性能計算4.1附加轉(zhuǎn)動慣計算由于該燈樁屬于細(xì)長體,流體經(jīng)過并引起其運 動時，附近的流體主要任垂直其軸線的平面內(nèi)運動， 因此可以將該三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題處理，即采 用切片法在XOZ平面內(nèi)饒鐵接點O的極附加轉(zhuǎn)動慣 量同時該燈樁又屬于小尺度物體,因此可以忽略 阻尼力作用.由切片法知，對于半徑為a的圓形剖面，苴二維附加質(zhì)量系數(shù)為：A,=p?a2當(dāng)燈樁繞鐵接點0運動時，極坐標(biāo)半徑為r的切 片有切向加速度r?,在該切片上對應(yīng)的切向力： d=A=(Ps?aZ(r)dr)此時對原點0的矩：dM5:A55?r2?:(P 且 2(r)dr)?I2?對其沿長度積分得到總的搖蕩力矩為；T(

12、J O?aZ(r)?r2sdr)?5由泄義知*15小勺?5Ta2(r)dr由于燈樁由不同直徑的圓柱或圓臺組成因此 可將上式離散得附加轉(zhuǎn)動慣量：_+1A=Xfy?(r)?r2?dri4.2燈樁靜水中運動方程和自由搖擺周期 不考慮流體阻力作用，括肖式燈樁在靜水中繞 鐵接點的運動方程為：(J+aJ)1+(FBGt-)O=O即+()8=0這樣，自由搖擺運動周期為：T=74.3燈樁波浪中運動性能計算 在風(fēng)，流和波浪的聯(lián)合作用下，燈樁將在其靜傾 角平衡位置發(fā)生搖擺運動，此時應(yīng)給出其動傾角幅 值.考慮外力平衡，對錢接點o取矩,得到精確描述 燈樁規(guī)則波中搖擺運動的方程為：(J+AJh+RO=M其中:M 為波浪

13、力矩:R為恢復(fù)力矩.R=FBLssinO-Gl .csinO-A GIsinO+號 g)+吉 J)si 曲 s其中:D為水線而附近燈樁直徑.則有：m.曲，M =J =PCDIun 一曲 f(u 仇一O)D(r)rdr+4(D_u.tdr其中.im為垂直于轉(zhuǎn)動部件軸線上的速度分量Un:ucosO vsinO,燈樁的運動是一個單自由度系統(tǒng)在周期變化環(huán) 境載荷作用下的往復(fù)搖蕩運動由波浪激勵力矩可 以看岀該力矩與燈樁運動相耦合，且為燈樁轉(zhuǎn)動角 速度的非線性函數(shù)，這樣方程只能采用數(shù)值方法求 解.問題的處理變得十分復(fù)雜，這對工程問題的解 決是得不償失的.如果考慮其轉(zhuǎn)動運動十分緩慢，且靜傾角很小， 吃水亦很

14、小這樣問題會得到適當(dāng)簡化對波浪力 矩,忽略含0項,并考慮加一曲I 口 0.則有：M 一:吉 PC.qD()rdr+4(r)kirdr+fpCDuD(r)dr?O這樣,燈樁搖擺運動方程可寫為：(J+AJ)H+09+R0:M:其中:C為拖曳阻尼力矩，且：口 1甜C=J pcDuD(r)?drM為波浪激勵干擾力，且：嚨1專 PCDu 仇 D(r)rdr淺析玻璃鋼夾砂管道優(yōu)點和運用2001年1月+4(r)_urdr為訃算方便，考慮燈樁在諧激勵作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與激勵相同頻率的振蕩，則令：M啪=1代啪一叫J0:e 一娃)得:|R-(J+AJ)%=e,0方程為關(guān)于燈樁轉(zhuǎn)動運動傾角幅值的復(fù)數(shù)方程,解得:eP)

15、R -(J+aJ)- i另外,由于波浪激勵干擾力一與時間有關(guān)，亦可以采用變步長RugeKutta法或迭代法在每一選左的時間段內(nèi)直接對基本運動方程進(jìn)行數(shù)值求解.5計算燈樁沉塊重疑燈樁為重力式活節(jié)式玻璃鋼燈樁，主要靠水下沉塊底部與淤泥問的摩擦力抗滑，由地基基礎(chǔ)理論可知，為保護(hù)平衡狀態(tài)，應(yīng)有如下關(guān)系：亳K其中:為抗滑阻力，且Fm=(W+G 一 1S).其中:為摩擦系數(shù)FH為滑動力，且FH=F-+Dd+FnK為安全系數(shù)則沉塊重量w. K+1SG計算中考慮最危險狀態(tài),即風(fēng)荷載取極限風(fēng)速8級，波浪荷載取波浪同期中最大值，且低潮位狀態(tài)燈樁所受的水平滑動力為最大.6計算結(jié)果計算結(jié)果由表1給出.表1計算鰭果注:

16、未考慮在定常環(huán)境載荷作用下燈樁產(chǎn)生的靜傾角,僅考慮其豎直靜平衡狀態(tài).(下轉(zhuǎn)第36頁)淺折玻璃鋼夾砂管道優(yōu)點和運用2001年1月按一個月供水量25萬I,輸水距離為40Km採用一條工業(yè)污水排放工程建設(shè).工業(yè)污水都含 有腐內(nèi)徑2.0m的管道供水，用鋼管全年運行耗電量約為蝕性的酸,堿物質(zhì)，特別是造紙，印染，制革, 冶煉和化680萬KW?h.如用混凝土管全年運行耗電量為840工等工業(yè)廢水，腐蝕性更為嚴(yán)重鋼,鑄鐵和 鋼筋混萬KW?h.用玻璃鋼夾砂管道全年運行耗電量僅為凝上管道工程壽命很短這些管道埋于地下, 維修和380萬KW?h,且后者無需年年檢修，水質(zhì)無銹，無污更新非常困難.成本較高，因此使用玻璃鋼 夾

17、砂管道染.玻璃鋼夾砂管道還可廣泛用于原有管道改造最適宜.拯統(tǒng)訃，我國城鎮(zhèn)供水管道中鑄鐵管道約占75%.(4)農(nóng)田灌溉建設(shè)我國的農(nóng)業(yè)用水量約占總 用由于管道的銹蝕，摩擦阻力逐年加大，輸水能量逐年水量的80%,可我國絕大部分采用傳統(tǒng)的 土渠輸水，下降，使用510年后便逐步阻塞和裂漏,因為漏水滲透損失極為嚴(yán)重.隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，科技 的興起，沖破公路地而而停產(chǎn)搶修的情況屢見不鮮.若采用我國一些地區(qū)使用了玻隅鋼管逍和玻璃鋼 夾砂管道玻璃鋼夾砂管道進(jìn)行更新改造,不僅比原有管道小輸水灌溉(包括無匪力輸水，噴灌，滴灌等)獲 得節(jié)水，20%的管徑，又可以減少不必要的流失.節(jié)地，節(jié)能，高產(chǎn)的巨大經(jīng)濟(jì)效益.城市下水

18、道排污工程建設(shè).城市生活污水處(5)苴他排水工程建設(shè)在沿?；蛱詈Ｔ斓氐?理和排放是市政建設(shè)中的重要環(huán)境衛(wèi)生摘施近幾區(qū)，廠礦，機場，碼頭，道路等工程中排泄雨水 和污水年由于城市發(fā)展迅速，人VI猛增，導(dǎo)致生活污水排放的管道均可采用耐酸堿.占地少，流疑大, 運輸輕便，量日漸上升，已經(jīng)超過了工業(yè)污水的排放量.原有下挖填方量小的玻璃鋼管道和玻璃鋼夾砂管 道.水道大多超負(fù)荷運行而急需擴建平均每年要更新綜上所述，實踐證明使用玻璃鋼管逍和玻璃 鋼夾1018%.從城市整潔和長遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，建議在擴建砂管道為主的運輸管材，是新材料的一次重 大突破，及更新下水道時，優(yōu)先采用防腐耐用，光滑流暢的玻不僅有著顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，而 且是利國，璃鋼夾砂管道利民，利創(chuàng)業(yè)的一件大好事.BRIEFINTRODUCTIONOFPIPEADVANTAGEANDAPPLICATIONZhouXiaozlien(Ji.iChcmicalCo.DA)Ahi 嘲:TheattialedclibesRPMpireadvantageandapplication.Kq_fds:RPMpipead vantageapplication收稿日期:2ooo-