玻璃钢活节式灯桩的设计计算

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1、玻璃钢活节式灯桩的设计计算2001年1月玻璃钢/复合材料31玻璃钢活节式灯桩的设计计算赵会娟林维学付秀君王喜斌（河北职业技术师范学院秦皇岛分院）（天津大学）（中国耀华玻璃集团公司）摘II:本文探讨了玻璃钢活节灯桩的设计计算思想.磬出了玻璃钢活节式灯桩静水力性能，环境荷戢，水动力性能和灯桩沉壇的计算方法.关量词:玻璃钢活节式灯桩设计计算玻璃钢活节式灯桩是一种把直立而有浮力的圆柱体用万向接头连接到海底的海锚（沉块）上的助航标志.本文以投放于天津新港主航道8助航标志HBT2.0型玻璃钢活节式灯桩为例，阐述玻璃钢活节式灯桩的设计计算思想.1设计参数1」环境参数投放位置:X:4314490,

2、y:20574900;投放水深为新港深度基准面以下5.0m;设计最高潮位5.0m;平均大潮高潮面3.8m;波浪周期为45s;波长2535m;波高l.Jm;海流最大流速1.9节（0.98m/s）;冰层厚度0.6m;工作风速6级（14m/s）;极限风速8级（2om/s）;顶部单侧负载2kN?m;海底状况为淤泥;灯光焦面高度为平均大潮高潮面以上4.0m.1.2灯桩的结构参数总体结构为玻璃钢与钢复合;顶面至万向接点的总高11.47m;最大截面（浮体）直径2.Om;最小截面（立柱）直径0.25m;最大吃水&96m;最小吃水3.96m;平均吃水776m;系留方式为与沉块较接.1.3坐标系选取为

3、了计算方便，坐标系选取万向接点为坐标原点0,x轴平行于海底忆轴垂直向上，并认为灯桩的运动只是绕其万向接点0在Z0X平面内转动.同时还采用了极地标系,其原点与上述直角坐标系原点重合，其极半径坐标R与直角坐标系x,Z有如下关系：R2二x2+2环境荷载计算2.1计算依据对灯桩所受环境荷载的计算按照中国船级社1992年版”海上固定平台人级与建造规范”的有关规定和要求进行，相对应的风荷载，海流荷载和波浪荷载等流体荷载分别进行了计算•对冰荷载,考虑到通常冰对桩柱的冲击力都小于相应的挤压力，只计算了相应工况下的冰原挤压作用力.对于灯桩上的小构件，计算中予以适当的简化或忽略.2.2风荷载按规范，作

4、用在物体上的定常风荷载为：■■KK2PoA(N)其中:K为风荷载系数，对圆柱体侧壁可取0.7;为海上风压高度变化系数;A为垂直于风向的轮廓投影面积(m2);Po为基木风压=0.613(P

5、)；v为设计风速(m/s).2.3海流荷载：按规范，対于构件单位长度的海流荷fD可按下式计算：1fD={cD,p?A?u(N/m)其中:CD为阻力系数，对圆形构件可取1.0;p为海水密度;A为单位长度上构件垂直于海流方向上的投影面积(rd/m);u为设计流速(m/s).对上式沿灯桩吃水积分即得到作用在整个灯桩上的海流载荷Fn.2.4冰载荷(挤压作用力)：考虑冰层厚度为0.6m,并允许通过.则对应不

6、同潮位状况，由几何关系可以确定此时极限角日.考虑冰载荷作用单独出现,并使灯桩没入水屮.由力矩平衡应有：M1+MG:M0其中:Ml为冰载荷矩M=F1?L1Me为重力矩Mc:G?[c?sin0M目为浮力矩MB:(lrB+AFt;?aLs)8~0从而可求得冰载荷F1.2.5波浪载荷：对于本灯桩可视为小尺度物体，因此可按Mori,n公式计算其波浪载荷.对小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力为：.f-〜ve:号cD?p?D『ul.u+cM?P?詈？D2?(N)其屮:Co为拖曳力系数，对圆形构件取0.61.0;cM为惯性力系数，对圆形构件取2.0;D为圆形构件的32玻璃钢活节式灯

7、桩的设计计算2001年1月直径(m);u,分别表示垂直于构件轴线的水质点相对于构件和加速度矢量.对于活节式灯桩的波浪载荷计算，只需计及灯桩本身绕饺接点转动的速度和加速度的影响，且波浪水质点速度应为垂直其轴线上的分量，这吋作用于运动物体dr微段上波浪载荷mol~8on公式为：〜CDpD(i*)lV—曲1(V一曲)dr+cMP{D2(r)(一曲)dr+p.—嘻其中:「为dr徼段形心至较接点的距离;D(“为dr微段直径;0,口分别为该灯桩绕较接点转动的角速度和角加速度;m为di•微段质量.考虑静倾角0,沿吃水积分，整理得：口01f—=亏PcDD(r)lV一曲1(V一曲)dr+cMP号)(

8、)Pcm一〜mlriO其中:为附加质量系数，对圆柱体cm=l且二c+l;V二11删观一wsinO.可见此时运动物体上波浪载荷作用包含了附加质量力和惯性力，波浪力和拖曳力.同理，波浪力矩：T/O08〜M—跚wave其中:dM哪e={cDpD(r)lV一曲1(V一曲)dr+.cMP{D2(r)(一船+p•—mO考虑灯桩的转动运动十分缓慢,且其吃水并不大,则上两式中的0项可以忽略不计，计算中视不同工况分别采用A.啊波理论和Stokes五阶波理论.由Stokes五阶波理论可知