沉管管节拖航纠偏运动响应研究_马家杰.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 2 7收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 4第一作者:马家杰(1 9 8 9-),男,工程师,学士。通信作者:陈明胜(1 9 8 8-),男,副教授,博士。*国家自然科学基金(5 1 8 0 9 2 0 5),广东省重点领域研发计划项目(2 0 1 9 B 1 1 1 1 0 5 0 0 2)资助沉管管节拖航纠偏运动响应研究*马家杰1,2 李汪讳1,2 陈英杰3 陈明胜3(1.广州打捞局 广州 5 1 0 2 6 0;2.广东省海洋工程施工与水上应急救援工程技术研究中心 广州 5 1 0 2 6 0;3.武汉理工大学船海与能源动力工程学院 武汉 4 3 0 0 6 3)摘 要 沉管在拖航过程中,由于风、浪、流等外载荷对其造成的横向偏移会对施工造成安全隐患。因此,为了研究沉管在偏离航道时拖船对其纠偏时的运动响应,采用基于三维线性势流理论的水动力专业分析软件AN S Y S-AQWA分析沉管的水动力特性和环境载荷作用下的偏航运动响应。考虑到风、浪、流对沉管的共同作用,在时域模型内对沉管在不同工况下的纠偏运动进行数值仿真模拟。结果表明,当拖船最大纠偏力大于等于0.6F时,沉管管节能回到原有航道;在拖航阶段应尽量缩短拖船的准备时间以减小沉管偏航而导致搁浅的风险;在沉管管节浮运气象窗口的极限环境条件下沉管管节纠偏方案满足施工安全需求。关键词 沉管 AN S Y S-AQWA 拖航 水动力特性 时域分析中图分类号 U 6 5 6 对于海滨城市与岛屿国家来说,为了加强各自之间的交流,修建世界级的跨海工程在当前亦成为热点话题。由于沉管隧道具有对地质水文条件适应能力强、埋深浅、与两岸道路容易贯通、工期短、施工条件与断面适应能力强、断面利用率高、桥岛隧组合多样且经济、通行能力强等优点,其在国内外得到了极为广泛的应用1。沉管的浮运是沉管隧道施工过程中的关键步骤。在拖航过程中,风、浪、流等环境载荷会使沉管偏移预定航线,对施工的安全性造成很大的影响。近些年来,国内外学者对沉管隧道浮运过程中的运动响应做出了研究。H a r k k a a r t2对从巴尔的摩到波士顿的沉管的海上浮运工作进行了介绍,分析各种浮运方式的可行性。A o n o等3通过水池试验与数值模拟的手段研究日本那霸沉管在各种波浪条件下的稳定性。C o z i j等4通过数值模拟和模型试验的方法对韩国釜山-巨济沉管隧道的沉管管节在沉放过程中波浪因素对其运动响应的影响进行研究。K a s p e r等5运用数值模拟与试验研究的方法对深水波浪荷载对沉管管节湿拖过程中的稳定性影响进行研究。罗甜6建立沉管管节在浮运过程中的物理模型。同时,运用水动力学软件AN S Y S-AQWA对沉管管节在浮运过程中波浪条件下缆绳的动力特性进行研究,并将试验获得的阻力系数用于数值模拟中的水流阻力分析。在这些基础上研究了在不同典型因素影响下管节浮运过程的拖缆张力变化,为工程中的实际操作提供了有效参考。陈智杰等7在研究波浪作用下沉管沉放工程中的运动特性中,在实验室中构建物理模型进行沉管沉放的实验研究,分析沉管沉放过程中的运动响应。吕卫清等8采用AN S Y S-AQWA计算了沉管管节在浮运过程中的波浪附加阻力。考虑到水深、航速、波浪要素,以及波浪谱等因素对附加阻力的影响,对参数敏感性进行分析。吴刚等9根据沉管在内河浮运的运动特性建立沉管管节的浮运运动模型和拖缆张力的计算模型。彭泽宇和刘柞秋1 0-1 1在研究沉管管节海上系泊水动力性能时,运用AN S Y S-AQ-WA建立管段海上系泊的数值仿真计算模型。吕卫清等1 2通过在拖曳船池中进行沉管管节水动力学实验研究管节在沉放等待及沉放过程中的水动力响应。但综合国内外学者对沉管管节单元拖航过程的研究成果可以发现,对于沉管管节拖航过程中的纠偏运动响应并未有深入而系统的研究。本文拟通过AN S Y S-AQWA对沉管管节的湿拖过程进行研究。通过规范公式对各管节进行系柱力计算,验证拖航编队方案的可行性。然后对沉管管节进行频域水动力分析,并基于时域模型分析管节极限环境条件下的偏航运动响应。最后研究拖船纠偏力和反应时间对沉管管节纠偏过程中运动响应的影响。1 计算理论频域水动力计算使用基于格林定理的边界元法,在满足自由表面、结构湿表面、海底表面和无穷远处表面边界条件的情况下,求解每个面元上的速度势,然后根据线性伯努利方程推出沉管管节受到的水压力,沿沉管管节湿表面积分,得到波浪激励力、附加质量和辐射阻尼系数,以及响应幅值算子(R AO),频域运动方程如式(1)。-2M+A()-i B()+CX(i)=F(i)(1)式中:M为沉管管节刚度质量矩阵;A()和B()分别为附加质量矩阵和阻尼矩阵;C为静水力刚度矩阵;F为波浪力矩阵;X为频域运动幅值响应算子R AO。在拖航过程中,沉管管节受到非线性外载荷的作用,频域分析无法准确预报其动力响应,因此使用时域分析方法进行计算。时域计算根据频域计算得到的水动力系数,通过逆傅里叶变换,建立以C u mm i n s方程1 3为基础的沉管管节拖航时域运动方程如式(2)。M+A()X(t)+B(U)X(t)+t0K(t-)X()d+C X(t)=Fw a v(t)+Fe x c(t)(2)式中:A()为浮体无穷大频率附加质量矩阵;K(t)为脉冲响应函数,卷积积分表示流体记忆效应;C为静恢复力系数矩阵;B(U)为拖航速度引起的附加阻尼系数矩阵;U为拖航速度;Fw a v(t)为波浪力;Fe x c(t)为非线性外载荷,如风载荷、流载荷、拖船拖曳力与纠偏力等。风载荷计算方法如式(3)。Fw=0.6 1 31 0-3V2wA Cf(3)式中:Vw为1m i n的平均风速,m/s,Vw=0.8 5V3 s=0.8 51.3 0V1 0m i n;A为沉管管节迎风面积,m2;Cf为风载荷系数。流载荷计算方法如式(4)。FD=12A CdV2(4)式中:为水密度,k g/m3,取10 2 5k g/m3;V为拖航速度或相对流速,m/s;Cd为流载荷系数。拖船自身受到的阻力可根据C C S 海上拖航指南1 4中的阻力公式求得,其计算方法如式(5)。RT=1.1 5(Rf t+RB t)(5)式中:Rf t为拖船的摩擦阻力,k N;RB t为拖船的剩余阻力,k N。拖船的摩擦阻力Rf t和剩余阻力RB t可按式(6)、(7)计算。Rf t=1.6 7A1V1.8 31 0-3(6)RB t=0.1 4 7 A2V1.7 4+0.1 5V(7)式中:A1为拖船的水下湿表面积,m2;V为拖航速度,m/s;为方形系数;A2为拖船浸水部分的船中横剖面积,m2。拖船拖曳力是通过在沉管单元上施加绞缆来实现的。拖船纠偏力在AN S Y S-AQWA中,可通过定义力的时历文件后导入时域进行分析。根据沉管纠偏程序,纠偏力施加曲线见图1。t1为沉管管节横漂位移达到5m的时间,当沉管横漂位移超过5m时开始启动纠偏程序;t2为纠偏程序启动后,旁拖就位时间;t3为纠偏力线性增加达到预定值的时间。图1 沉管管节纠偏力定义2 管节拖航阻力计算与拖船系柱力验算沉管管节在运输过程中,两端用钢板封堵实现水密。拖船编队方案见图2。图2 管节拖航拖船配置平面布置图拖船具体配置见表1。表1 管节全湿拖浮运拖船配置船名功率/k W系柱拖力/k N前拖46 4 07 2 0前旁拖1,237 0 06 0 0尾旁拖1,237 0 0/46 4 06 0 0/7 2 0尾拖46 4 07 2 0应急拖1,237 0 06 0 0231马家杰等:沉管管节拖航纠偏运动响应研究2 0 2 3年第1期 管节的外形尺寸及重量与拖船相关参数见表2,其中拖船系柱拖力考虑2 0%折减。沉管管节浮运航道轴线沿沉管隧道轴线变化,宽2 0 0m,底高程-1 2.7m,两侧各设9 0m宽拖船航道,底高程-6.5m。航道最大横流流速为0.4 8m/s,有义波高Hs为0.8m,平均风速为1 3.8m/s。参考理论公式,沉管管节在不同工况下的总阻力计算结果见表3,拖船拖力配置校核见表4。综合计算结果可得,该拖航编队方案在拖航速度达到3.3 2k n时完全满足拖航要求,且有较大的拖力裕度,满足拖航作业要求。表2 沉管管节与拖船主尺度 沉管管节 拖船 参数数值参数拖船1拖船2管节长/m1 6 5功率/kW46 4 037 0 0管节宽/m4 6船长/m3 7.53 7.6管节高/m1 0.6吃水/m4.54.1排水量/t7 90 1 3型宽/m1 1.61 0.5吃水/m1 0.4 4方形系数0.8 50.8 5表3 沉管管节拖航阻力作业阶段水流速度/(ms-1)拖航速度/k n水流阻力/k N波浪力/k N风阻力/k N总阻力/k N沉管顺流/顶流拖航2.0 03 9 5.9 71 8.5 06 6.3 14 8 0.7 82.5 06 1 8.7 01 8.5 06 6.3 17 0 3.5 12.9 48 5 2.8 61 8.5 06 6.3 19 3 7.6 73.3 210 9 3.7 61 8.5 06 6.3 11 1 7 8.5 8沉管横流拖航0.42.0 03 9 2.6 86 6.3 67 3.8 95 3 2.9 40.62.0 08 8 3.5 46 6.3 67 3.8 910 2 3.8 00.82.0 015 7 0.7 46 6.3 67 3.8 917 1 0.9 9表4 浮运拖力配置校核作业阶段管节总阻力/k N前拖与后拖有效拖力/k N尾旁拖有效拖力/k N前旁拖有效拖力/k N总拖力/k N拖力配置是否满足要求沉管顺流/顶流拖航4 8 0.7 811 0 4.8 410 1 2.8 19 2 0.7 830 3 8.4 3是7 0 3.5 110 9 2.1 210 0 1.1 89 1 0.2 430 0 3.5 4是9 3 7.6 710 7 8.4 29 8 8.6 58 9 8.8 829 6 5.9 5是11 7 8.5 810 6 4.5 29 7 5.9 38 8 7.3 429 2 7.7 9是沉管横流拖航5 3 2.9 411 0 4.8 410 1 2.8 19 2 0.7 830 3 8.4 3是10 2 3.8 011 0 4.8 410 1 2.8 19 2 0.7 830 3 8.4 3是17 1 0.9 911 0 4.8 410 1 2.8 19 2 0.7 830 3 8.4 3是3 频域水动力分析通过AN S Y S-AQWA建立沉管管节拖航系统计算模型,见图3。图3 计算模型由于拖船与沉管相距较远,因此忽略拖船对沉管管节的水动力影响,通过绞缆来模拟前拖船对沉管管节的拖曳力,而旁拖船的纠偏作用则通过定义力的时历文件后导入时域进行分析。AN-S Y S-AQWA中风浪流的方向定义见图4。图4 AN S Y S-AQWA中风、浪、流方向定义沉管拖航过程主要关注沉管管节横摇、纵摇和垂荡运动响应,选择分析的入射浪向分别为0,4 5,9 0,1 3 5 和1 8 0。图5 沉管管节频域R AO3312 0 2 3年第1期马家杰等:沉管管节拖航纠偏运动响应研究 由图5可见,沉管管节响应主要集中在00.5r a d/s的角频率 范 围 内,横 摇 响 应 在0.2 2r a d/s出现峰值,纵摇响应在0.1r a d/s最大,垂荡响应在频率0.1 4r a d/s时最大,施工中应尽量避免在这些波浪频率下进行拖航作业。4 运动响应时域分析基于频域水动力分析结果,通过在时域运动模型中导入纠偏力,开展沉管纠偏运动响应分