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1、浮受力分析1 浮标标体所受的力 在谁中的浮标，其标体所受外力与航行中的船舶相似，主要受水流力、波浪力、风载荷等因素的作用，除此之外，还受到系留缆索的拉力。 1.1 水流力 标体所受水流力即为水流阻力，一般认为，水流阻力主要由摩擦阻力和兴波阻力组成，摩擦阻力来自于水流的粘性，不仅取决于船舶湿表面积以及光洁程度，也和船舶表面的曲度有关；兴波阻力则是由于船舶在水面激起波浪所造成的力，与液体的粘性无关，主要和船型、船舶与水流的相对速度以及船舶的尺寸有关。 1.1.1 目前，计算船舶水流摩擦阻力的公式较多，我国常用的是基于平板实验和理论分析所得到的阻力计算公式，其表达式为： 式中，RM 为摩擦阻力；为水
2、的密度；V为浮标与水流的相对速度，即水流流速；为浮标标体湿表面积，可近似用公式=L估算；T为浮标吃水；为浮标方形系数；L为浮标长度；B为浮标宽度；CM1为摩擦阻力系数。 对于不同的液体和不同的水流流速，相应的阻力系数也不同，即CM1随雷诺数Re而变，Re的表达式为： 式中：v为水的运动粘滞系数，其余与前相同。 表1列出了柏兰特-许立汀关于摩擦阻力系数与Re的关系数据。 浮标浮体表面的粗糙度也将影响标体的摩擦阻力，在我国，对于钢质船体，摩擦阻力系数的增加值均为CM2=0.0004，因此，浮标标体所受的摩擦阻力应表示为： 1.1.2 兴波阻力 根据模型试验和理论分析，兴波阻力与重力有密切的关系，其
3、表达式为： 式中：RR为兴波阻力；CR为兴波阻力系数；其余与前面相同。兴波阻力系数CR与付汝德数Fr有关，Fr定义为： 式中：g为重力加速度；其余符号与前相同。 对于不同的船型，CR数值不同，但根据实验发现，当Fr0.220.25时，兴波阻力才明显出现。由于三峡库区现行浮标标体采用的是长10m的钢质标志船，而成库后由于水深大大增加，深水标位处水流流速多小于12m/s，即Fr0.100.2。因此，标体所受的兴波阻力相对较小，可忽略不计。 1.2 波浪力 波浪对浮标标体的作用力，可按原苏联动力部提出的公式计算： 式中：Rb为波浪力；K1为波浪力系数，可由图1差得，图中T为浮标标体的吃水，LW为波长
4、；hW为波高；r为水的容重；Ad为标体水下挡水面积。 波浪力系数的曲线图 在库区航道中的浮标，根据波浪所形成的原因不同，波浪载荷主要由两部分构成，一是船行波引起的波浪力；二是由风载荷引起的波浪力，下面分述两种波浪要素的计算方法。 1.2.1 船行波 世界上已有几十个船模型实验室对船行波要素进行过研究，并应用原体观测资料予以了验证。 船行波波长可应用荷兰Delft水工研究所所建立的基于LordKelin理论导出的计算公式：式中：VS为传播航速；Lw1为船行波计算波长。 Havelock基于LordKelin理论导出了深水条件下船行波相对波高的关系式： 式中：hw1为船行波计算波高；S为要求测定的
5、波处距船舶的距离；H为水深；1、2为与船型、船舶吃水深度和船速等有关的系数，对已有的实测资料分析得：对于巡逻舰、满载内河马达船1=1.0，对于欧洲空载货船1=0.5，对于空载马达船和拖牵轮1=0.35；2=2.67。 1.2.2 风成浪 当受风力作用时，其波高和波长可借用官厅水库公式计算： 式中：hw2为风波计算波长；Lw2为风波计算波高；Vf为计算风速；Df为吹程(m),由浮标标体前沿至对岸的最大直线距离。 1.3 风载荷 作用于浮标标体上的风压力可由港口工程计算规范所给出的计算公式确定： 式中：RW为作用于浮标标体上的风压力；K2为浮标标体的风载体形系数：风向垂直标体的纵轴时，K2=1.2
6、，风向平行于标体的纵轴时，K2=0.8；q为计算风压，可按q=0.001Vf2计算；AU为浮标水上受风面积；其余符号与前相同。 1.4 水面坡降力 由于河道水面具有一定的坡降，浮标标体将沿水流方向产生一个分力，即为坡降力，坡降力的大小可按下式计算： 式中：Rj为浮标标体所受的坡降力；为标体的排水量或重量；J为标体处的水面坡降。 2 浮标标体的受力计算 前述给出了标体的受力计算公式，现根据库区的水流、气象、风浪等特征对各项受力进行定量分析和计算。深水浮标所使用的10m钢质标志船的主要参数见表2现以某大桥设置深水浮标为例，计算其所受的水流力、波浪力、风载荷等外力。假设浮标水域的水流、航道、放浪等自
7、然条件如下： 设水深H=80m；设标水域至岸边的最大距离800m；标为处至主航道的最短距离30m；过往船舶航速5.0m/s；汛期水面比降J0.5；流速v一般小于2.5m/s；气象战实测多年平均风速为2m/s左右，最大平均风速约为20m/s。 根据以上取值，综合其它因素，估算的浮标标体所受的水流力、波浪力 、风载荷、水面坡降见表3 由表3可以看出，波浪力和风载荷对浮标标体的影响程度已明显超过水流力和水面坡降力；由于是流速和水面坡比降的进一步减缓，水域面积的增大，浮标所受的外载荷，主要是波浪力和风载荷。 3 浮标缆索长度计算 为分析简便起见，假设：缆绳在拉力作用下不发生变形；锚的抓着力足够大，不会
8、发生走锚现象。 由于缆索一般均油沉重材料组成，缆索对浮标将以重力为主，所受的水流阻力可忽略不计。则根据H.O.贝托和岩井聪对浮标受力的平衡分析，缆索呈悬曲线形状。且其长度和受力可由以下计算式确定： 式中：R为浮标标体沿水平向所受的总作用力；为缆绳在锚处与水平向的夹角；Tf为浮标所受的缆索拉力；Tm为锚所受的缆绳拉力；H为浮标处水深，H=y2-y1；S1为从标体至原点的缆索长度；S为标体至锚处的缆索实际长度。 特殊的，若锚位于原点处，则：S1=0，所需缆索长度S=S2=；缆索对浮标的拉力Tf=；缆索对锚的拉力Tm=R。 从式子可以看出，缆索长度不仅与航道水深有关，也与浮标所受的水平力、缆索单位长
9、度重量以及缆索在锚处与水平的夹角有关。 当=0，即锚位于原点处时，此时系留浮标所需的缆索最长，但缆索对浮标和锚的拉力Tf、Tm最小。若缆索长度继续增加，标体和锚所受的缆索拉力将维持不变。 锚处缆索与水平的夹角愈大，则系留浮标所需的缆索较短，但缆索对浮标和锚的拉力Tf、Tm相对较大，将减小浮具的浮力和锚与水底之间的摩擦力，容易走锚；反之，锚的受力愈小，浮具的稳定性就愈好，但所需的缆索较长。 应用举例：其余条件同上，假设浮标所受的总水平力最大约R=2500N，系留浮标的钢缆为直径d=12mm的镀锌钢缆，单位长度水下重量w=7.54N/m。计算缆索拉力及所需的缆索长度。 现取不同的夹角值，计算结果如
10、表4 由表4不难得知，当缆索在锚处与水平向的夹角在030之间发生变化时，该浮标所需的缆索长度为1.643.05倍水深范围。 表不同角缆索拉力及缆索长度 标体所受的风、浪等水平力相对较小，根据上述计算可知，浮标标体所需的缆索长度还可适当减短。因此，航标设置人员采用2倍左右设标水深确定缆索长度具有一定依据，单一国注意某些较为特殊的设标水域，如水域面积大、地形开阔、风力强的部分，由于受风浪作用较强，标体水平受力大，浮具所需的缆索长度应适当增加，标体水平受力大，浮具所需的缆索长度应适当增加。具体计算时，可根据该地区的自然、气象、风浪等实际观测资料作详细分析，从而推算出设标所需的缆绳长度，并估算锚、浮具所受的缆索拉力，进而正确选择锚、缆索、浮具的规格等。需要指出的是，不能忽略设标出的水位变幅对锚处的缆索夹角、缆索长度以及缆索拉力的影响。
