等重替代法三维仿真计算异形沉箱混合压载

郭超

摘 要：理论上AutoCAD软件可以建立任意几何形状的二维或三维模型，而且能方便地求得任意截面或均质多面体的面积、体积、质心、对任意轴的惯性矩等质量特性。这就为快速求解沉箱（尤其是几何不规则沉箱）浮游稳定特性所需要的参数等提供了可能。该文通过对某工程取水口的异形沉箱进行浮游稳定性计算，详细介绍计算机三维仿真计算的步骤，总结AutoCAD三维数值仿真技术在沉箱浮游稳定计算中的优势，并提出等重替代法简化浮游稳定性计算过程。

关键词：沉箱 浮游稳定 混合压载

中图分类号：U65 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0074-02

该案例计算压载平衡时，将压载物统一假设为砼，通过等质量替代的方式，计算不同加载物或混合加载物各自数量，其最大优点是可随意调整组合，配合施工调整速度快，而且三维直观，其核心技术关键是三维数字模型的建立。

计算机发展到今天，已经完全进入了三维仿真时代，借助计算机技术，使用AutoCAD软件可以更快速建模，并准确地计算任意形状、尺寸的沉箱相关计算参数，通过Excel数据处理快速求解沉箱浮游稳定性计算[1]，特别适用于结构复杂、不对称或多种介质组合在一起的沉箱，如舱格压海水或填石（砂或砼）、橡胶气囊（或钢质浮筒）、以及沉箱封舱盖板等。

1 工程概况

日照港岚山港区北作业区堆场及护岸工程取水口结构设计为异形沉箱（见图1），陆地预制后，使用气囊平移至出运码头，半潜驳下水出运，安装至距离预制厂约1000m处。该沉箱结构主要外形尺寸为：19.95m×13.25m×13.2m，共有15个隔舱，隔舱尺寸3.685m×4.025m，单座沉箱重约2200吨。

沉箱隔舱结构横向不对称且异形牛腿体量较大，设计后排2个A舱内压载1.685m厚的C20砼作为预制及上坞过程中的压载平衡。出运时，将后墙取水管接头开孔和前墙进水开孔封堵，可形成封闭箱体，浮游稳定性计算等同一般沉箱结构，但取水口沉箱中的隔舱设计极为特殊，为保证取水功能，15个舱格中有4个舱格被两个斜向隔墙各分割成两部分，9个隔舱之间纵横隔墙都预留过水通道，仅有后沿2个预压载隔舱独立封闭。压载水超过2.8m即出现前后舱串水，因此根据现场实际，优先考虑采用砼压载的方法，并进一步计算水压载方式是否满足实际。

2 计算机建模

经分析，利用三维建模的物理特性得到沉箱的重心和浮心，需要建立6个独立的模型，即沉箱模型、压载砼模型、压载水模型、压载后排开水模型、沉箱在水面处的断面模型和舱格内压载水的水面模型，其中前4个为三维体模型，后2个为二维面模型。

2.1 沉箱模型

该工程的异形沉箱模型由底板、箱体和牛腿三部分组成。沉箱箱体较为复杂，可分别画出各部分后组合而成。

第一步，绘制沉箱底板三维模型。根据异形沉箱结构尺寸，通过“Box”命令创建一个19 950mm（x向）×13 250mm（y向）×13 200mm（z向）的立方体。用楔体（Wedge）命令绘制出底板与舱格相交形成的楔体，通过复制（Copy）、交集（Intersect）、并集（Union）等操作，形成底板被舱格分离的部分。

第二步，绘制前壁、后壁、隔墙模型。

用多段线（Pline）命令绘制出牛腿、前壁、后壁、横隔堵、纵隔墙组成的断面轮廓，然后用面域（Region）绘制断面面域，面域经拉伸（Extrude）形成立体模型。

第三步，隔墙开孔并切除多余部分。

第四步，将底板模型、前壁后壁隔墙模型合并，最终形成沉箱模型（见图2）。

2.2 其他模型

压载水模型、压载砼模型、排开水模型建模方法同前。沉箱在水面处断面模型及舱格内压载水的水面模型，建模时，先通过多段线（Pline）命令绘制沉箱在水面处断面轮廓线，再用面域（Region）绘制断面面域模型，即完成。

3 数据提取及浮稳计算

为便于计算，将坐标原点移动到沉箱模型底板底面中心（见图3），所有模型全部以此为坐标原点，并以此为基点0.001倍比例缩放（Scale）全部模型，模型尺寸单位由mm转换为m。利用查询（Massprop）命令，求得沉箱的体积V0=920.8m3，重心坐标为x=0.000，y=0.343，z=6.010。

3.1 计算压载平衡

根据重心坐标可以看出沉箱重心在y轴方向上偏前，应继续对后沿2个A隔舱内增加压载才能达到压载平衡，假设加载物全部为砼，通过修改沉箱模型中舱内压载砼高度h砼（不包含预制压载砼高度H砼=1.68m），直至模型质心位置在y方向值为0。

当h砼=2.5m时，沉箱体积V1=994.5m3，重心坐标为x=0.000，y=0.000，z=6.010，满足压载平衡。

3.2 计算浮游稳定

将沉箱水面处面域的形心移动至原点处，利用查询（Massprop）命令查询面积为S0=264.34m2，惯性矩I=3 867.312 7m4。

需要注意的是，用该命令给出的惯性矩是对坐标轴的数据，若想得到对某一条轴的惯性矩，则通过坐标转换（Ucs）命令将坐标系移动，使之满足坐标系中的某一坐标轴为要求解的轴线即可。

同理，求得舱内压舱水的面积S1=14.752 1m2，惯性矩i=16.531 6m4。

将砼采用海水等重量替代，可保证同样满足压载平衡，则压舱水高度h水：

h水=h砼ρ砼/ρ水=5.976m （1）

其中，h砼=2.5m，ρ水为海水密度ρ砼=24.5t/m3，ρ水=10.25t/m3。

在EXCEL中列表进行浮稳计算，结果见表1。

沉箱满足近程（同一港区内或运程30海里内）浮运，定倾高度不小于0.2m的要求[2-3]。

沉箱吃水H=8.993m，沉箱内压舱水液面相对沉箱底板底面高度H水：

H水=d+H砼+h水=8.161m （2）

其中，d为底板厚度，d=0.5m。

H>h水，满足注水条件。

因此，在沉箱后沿2个A舱格中均注入5.976m的海水，即可保持沉箱压载平衡和浮游稳定。

4 结语

AutoCAD可以计算任意截面对任意轴的惯性矩，具有广泛应用性。整个建模过程中完全可视化操作，发现模型错误可以及时纠正。这是手算过程所不可比拟的。利用AutoCAD数值模型计算，只需要修改少量变量值，程序会自动重新计算，避免了重复计算。

该案例中，异形沉箱极为复杂，手工计算量巨大，极易出错，该文通过对复杂结果建模求解浮游稳定性计算常用参数，解决常见计算无法快速简便求解的弊端，采用砼加载求压载平衡，将传统公式计算转换为三维模型微调查询，过程更为简化，同时提高了计算精度。

参考文献

[1] 何志敏，修志福.AutoCAD与MS Excel在沉箱浮游稳定性计算中的应用[J].华南港工，2009（2）：60—63.

[2] JTS167-2-2009，重力式码头设计与施工规范[S].

[3] 程天柱，关于异形沉箱浮游稳定的计算[J].港工技术，1985（1）：23—26.