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(海军工程设计研究院，北京 100070)

浮箱是一种应用广泛的浮渡器材，在水运交通中发挥着重要作用[1- 2]。靠泊浮箱是用来辅助船舶靠泊码头的浮式设施，它可以使通用码头泊位实现靠泊特殊外型船舶的功能[3- 4]，并有效地保护码头和船舶安全。从广义上讲，靠泊浮箱属于趸船的一种，通常采用钢质箱型结构，布设于固定码头和船舶之间，主要承受船舶的撞击力和挤靠力等，因此需要具备一定的浮力和结构强度，并配备护舷等缓冲吸能装置。理论上，波浪作用下船舶靠泊状态是浮箱结构设计及护舷选型的控制工况[5- 6]。

良好的机动性是靠泊浮箱的一大特点。靠泊浮箱需要以拆卸方便的方式系泊于固定码头上，并应能满足系泊强度要求。已有试验表明，在波浪作用下，非船舶靠泊状态时浮箱的系缆力要大于船舶靠泊状态，即非船舶靠泊状态是浮箱系泊系统设计的控制工况[6- 7]。

本文对波浪作用下靠泊浮箱在岸壁式码头上的系泊方案进行较为系统的试验研究，重点是系缆方式、系泊线材质、缓冲吸能重锤等因素对系缆力和浮箱运动的影响。

1 浮箱及系泊方案

1.1 浮箱及码头资料

试验研究采用的靠泊浮箱(见图1)为长方体钢制结构，尺寸为：40 m×14 m×3.0 m(长×宽×型深)，通过压载使干舷高度调整为1.5 m，浮箱总质量为280 t。浮箱护舷采用4组H800拱型护舷，各组长度取2 500 m，间距为12.5 m。浮箱甲板设置4组系缆桩，用于系缆。码头为重力式结构，码头护舷规格同样为H800型，等间距布置，与浮箱护舷处于同一轴线。码头岸壁上设置系环，用于系缆或链，其高度为水面以上3.5 m。码头前沿水深取-20 m，码头面高程为+7.0 m。

采用的波浪资料如下：考虑横向浪，H1%=1.32 m，H4%=1.13 m ，H13%=0.9 m，T=7.17 s。

图1 靠泊浮箱平面图(不含系泊系统)(单位：m)

1.2 浮箱系泊方案

系泊方案有3种(见图2)：四链缓冲方式、二链缓冲方式和二缆系泊方式。四链缓冲方式包括2条向岸链和2条向海链，其中向岸链角度55°，锚链长度25.0 m，水平投影24.2 m，锚链中间挂5 t金属重锤，以起到缓冲吸能作用；向海链系船端控制水平牵引力30 kN，总长度55 m，悬链段水平投影长度45.4 m，长度52 m。锚链规格[8]：直径为56 mm，每米长度重量为68.68 kg，拉力荷载(试验负荷)为1 220 kN，拉断荷载为1 710 kN。二链缓冲方式是在四链缓冲基础上去掉向海链形成的，试验中对2.5 t、5 t和10 t三种重锤重量情况进行了测试，以分析重锤对浮箱运动和锚链张力的影响。二缆系泊方式基本同二链缓冲方式，采用2根直径为70 mm的尼龙缆，每根长度为25.0 m，其缆破断力为784 kN，对应延伸率为21%，分析研究系泊线材质对系泊力和浮箱运动的影响。

图2 系泊方案(尺寸单位：m)

2 模型试验设计及实现

2.1 模型试验设计

根据《波浪模型试验规程》[9]规定：①波浪物理模型试验宜采用正态模型；②对于有船舶模型置于其中的波浪整体物理模型试验，模型长度比尺不应大于80；③波浪和水流的模拟应满足重力相似准则；④波浪与浮式建筑物相互作用的建筑物的模型设计，除应满足几何相似外，尚应满足惯性矩和自摇周期相似，其锚系结构尚应满足长度、质量和弹性相似；⑤整体物理模型试验的比尺选择应根据试验水池和建筑物结构的尺度、波浪等动力因素及试验仪器测量精度确定，并应充分利用试验条件，采用较小的模型比尺。根据以上原则，本次试验采用正态模型，长度比尺确定为65。根据重力相似准则进行模型设计，即保证原型和模型两个相似系统的Fr数相等。浮箱尺寸和重量、波浪波高和周期、运动和受力等参数均按上述准则进行设计计算。对橡胶护舷和缆绳等非刚性构件还满足弹性相似。

2.2 模型制作

浮箱模型(见图3)为刚性结构，采用玻璃钢材料制作，保证外形几何相似，并通过调整压载保证浮箱模型的吃水、重心位置、惯量等参数与原型相似。码头护舷和浮箱护舷采用自研模型，保证其力学性能曲线相似。锚链采用金属链和弹簧钢片模拟，保证重量相似和弹性相似[10]。缆绳模型保证弹性相似，采用基本无弹性的细铜线与加尼龙线的弹簧钢片组合体模拟[11]。

图3 模型

2.3 试验方法步骤

试验在长42 m、宽20 m、深1.2 m的三维波浪水池中进行，水池一端配备固定式方向谱造波机。波浪测试采用DS-30型数据采集处理系统，护舷缆力测试采用专业船舶数据采集处理系统，包括拉力传感器、护舷传感器、护舷缆力采集仪和配套软件。浮箱运动采用FL非接触式六分量仪测试。上述仪器设备技术成熟，满足试验研究要求。

严格按规程进行模型试验。首先进行依据波制作，采用单向不规则波，谱型选取改进JONSWAP谱[12]。然后布置安放模型和测试仪器，对3种方案依次进行波浪作用测试(见图4)，同步采集浮箱运动和系泊力数据，其中系泊力采集向岸链(缆)力数据。每组试验重复5～8次，取各特征值的多组平均值作为试验结果，以保证试验数据的可靠性。对采集的试验数据进行处理，对位移参数提供最大和最小值，对力和能量参数提供最大值、有效值、平均值等特征值。

图4 试验方案实施

3 试验数据分析及讨论

3.1 试验测试结果

试验测试结果见表1和表2。

表1 试验测试结果-浮箱运动量

注: 横荡以向码头方向为正，纵荡以左向为正；升沉以下沉为正；横摇以向码头侧摇摆为正，纵摇以左端上摇为正；迴转以平面内逆时针转为正。

表2 试验测试结果-系泊力

3.2 数据分析讨论

对试验数据进行分析，可看出：

1)四链缓冲方案，最大锚链张力1 950.6 kN，超过其拉断荷载，且浮箱位移也较大。分析原因，浮箱大幅运动形成较大的运动速度和动量，以较大冲击荷载的形式转换为锚链张力。

2)二链缓冲方案较四链缓冲方案浮箱位移和锚链张力均有所增大。悬锤重量对浮箱位移和锚链张力影响显著，随着悬锤重量加大，浮箱位移量渐小，锚链张力明显减小，锚链张力的冲击荷载特性降低，锚链受力较均匀，见图5。原因是重锤与锚链起到了较大的缓冲吸能作用。在10 t重锤下，最大锚链张力减小为694 kN，未超过锚链设计拉力，且浮箱的运动量最小，最大横摇量约6.5°，最大横荡幅度仅0.46 m，浮箱稳性最好。对于有较高稳性要求的浮箱，例如物资或人员过驳浮箱，此种系泊方案较为理想。另外，此方案下，锚链系环和浮箱上的系缆桩均需承受较大荷载，系泊设施的设计和施放上有一定难度。

3)二缆系泊方案，其最大系缆力仅为204.3 kN，远小于其容许破断力784 kN，但浮箱位移量较大，以横摇、横荡、回转为代表，最大横摇量约13°，最大横荡幅度达3.6 m，最大回转量约6.3°。这归因于尼龙缆具有较大的延伸率，可有效吸收浮箱运动能量，从而减小缆绳张力峰值。图5也说明缆绳较锚链在减小系泊张力方面的优势。对仅提供辅助靠泊功能的浮箱而言，二缆系泊是理想的系泊方案。

图5 二链(缆)系泊方案系泊线张力历时曲线对比(模型值)

4 结论

1)靠泊浮箱系泊方案的系泊方式、系泊线材质、缓冲吸能重锤等因素对系统系泊力和运动影响明显。

2)对仅起辅助靠泊作用的浮箱而言，由于其系泊张力有明显优势，二缆系泊是理想的系泊方案。

3)由于具有较好的耐波性指标，对平稳度有较高要求的平台浮箱，推荐采用悬挂一定重量重锤的二链缓冲系泊方案。本文基于一定的工程应用背景，为某工程靠泊浮箱系泊方案的确定提供科学依据并付诸实施，实际应用效果理想。本文重在说明系泊方案的优劣对比和选取，可以对其他类似浮式构筑物的系泊系统方案确定提供借鉴和参考，系泊系统具体设计参数则需要根据实际环境条件确定。

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