一种考虑偏压系数的测量大型浮体浮运中的支墩受力方法与流程

1.本发明属于海上或水上浮运连接受力监测技术领域，尤其是涉及一种考虑偏压系数的测量大型浮体浮运中的支墩受力方法。


背景技术：

2.大型沉管浮运采用一体船或双体船，船体与沉管通过支墩和缆绳连接，将船体与沉管组成大型浮体结构形式，两者具有良好的运动同步性，极大地降低了沉管浮运时纵荡和垂荡变化剧烈变化而带来的风险。船管连接受力包括支墩压力、l缆拉力和拉索拉力组成，其中支墩压力是连接受力中的核心环节，将直接影响沉管浮运是否成功。一般情况下，沉管浮运时支墩压力较大，且支墩与沉管的接触空间小，难以布设符合量程要求的接触式称重传感器，往往采用间接手段测量支墩压力。目前，间接测量手段多数是基于支墩与沉管接触均有的假设提出的，测量的支墩压力与实际偏差较大，容易对大型浮体浮运时施工决策造成错误判断。
3.造成上述测量方法误差较大的原因主要有以下两方面：
①
为减少浮运期间，支墩对浮体的冲击力以及支墩与浮体接触区域的集中应力，在支墩下方安装橡胶板作为缓冲，浮体连接时，需先施加船体首尾两端的缆力，使得首尾支墩与浮体接触；然后再向船体水箱注水，使全部支墩与浮体接触。在这个过程中，由于船体产生变形，导致支墩底部与浮体接触是不均匀，支墩沿首尾方向一侧橡胶压缩大，一侧橡胶压缩小。
②
浮运期间连接浮体受风浪力以及温差作用，使得船中位置的倾角增长量明显大于船首尾位置，导致中部逐渐上拱，从而加剧支墩受力不均的情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑偏压系数的测量大型浮体浮运中的支墩受力方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种考虑偏压系数的测量大型浮体浮运中的支墩受力方法，包括以下步骤：
7.步骤1，建立支墩数值模型，包括航向正面、航向背面、两个侧面、底面、顶部以及橡胶垫板，定义所述支墩底面压力，偏压系数，航向正面橡胶垫板压缩量，航向背面橡胶垫板压缩量，支墩顶部为固定端约束；
8.步骤2，通过航向正面橡胶垫板压缩量和航向背面橡胶垫板压缩量引入支墩偏压系数；
9.步骤3，对步骤1构建的支墩数值模型进行受力分析，在支墩迎航向正面选取应力特征点，在应力特征点位置安装应力传感器；
10.步骤4，建立应力特征点处归一化应力与偏压系数的关系公式；
11.步骤5，建立支墩压力与应力特征点处应力和偏压系数的关系公式；
12.步骤6，通过偏压系数和应力传感器采集在大型浮体浮运实际过程中支墩受到的
应力数据，根据步骤5建立的计算公式进行反算即可得到支墩压力。
13.在上述技术方案中，步骤2中，假设：
①
支墩所受荷载沿船体首尾呈线性分布，沿船体左右呈均匀分布；
②
支墩底部橡胶为均质材料，即支墩受力与橡胶板压缩量呈正比；
14.支墩压力计算满足下式：
15.∫∫f(p)dpds＝p0s016.式中：p为支墩底部荷载，kpa；s为支墩底部橡胶板面积，m2；p0为支墩底部等效均布荷载，kpa；s0为支墩底部橡胶板等效面积，m2；
17.支墩底部荷载f(p)与艏艉方向荷载有关，且为线性关系，为确定模型计算时支墩底部荷载，引入偏压系数k，满足下式：
[0018][0019]
式中：k为偏压系数，p1航向正面支墩底部橡胶板边界荷载，kpa；p2航向背面支墩底部橡胶板边界荷载，kpa；l1为航向正面橡胶垫板压缩量，m；l2为航向背面橡胶垫板压缩量，m。
[0020]
在上述技术方案中，步骤3中，应力特征点位置优选设在支墩航向正面的中轴线上距离底部1.0m位置处。
[0021]
在上述技术方案中，步骤4中，建立应力特征点处归一化应力与偏压系数的关系公式为：
[0022][0023]
式中：σ为支墩特征点位置应力，mpa；σ0为支墩受等效荷载p0作用下，特征点位置的应力，mpa。
[0024]
在上述技术方案中，步骤五中，通过数值分析，计算支墩在不同大小的均布荷载作用下支墩底部等效荷载以及支墩特征点位置应力数据，由这些数据拟合得到支墩底部等效荷载p0和支墩受等效荷载作用下应力特征点处的应力σ0之间的关系式；再根据支墩压力与等效荷载之间的关系式以及步骤4建立的应力特征点处归一化应力与偏压系数的关系公式，即可得到支墩压力与应力特征点处应力和偏压系数的关系公式。
[0025]
在上述技术方案中，步骤五中，得到的支墩压力与应力特征点处应力和偏压系数的关系公式如下：
[0026][0027]
本发明的优点和有益效果为：
[0028]
本发明提供支墩不均匀受力时的支墩压力测量方法，其测量结果与现有技术相比，误差更小；且现行测试技术需选择2-4个应力特征点安装应力传感器，本发明只需选择1个应力应力特征点安装应力传感器，测试方法简单且经济效益高。
附图说明
[0029]
图1是本发明建立的支墩数值模型图。
[0030]
图2是本发明中在支墩压力为4000kn，偏压系数为3时，支墩受力云图。
[0031]
图3是支墩压力为4000kn时，偏压系数为0、1、3、7、10、20、 ∞，支墩应力特征线路径上的压应力大小分布图。
[0032]
图4分布对支墩压力为2000kn、4000kn、6000kn、8000kn、10000kn、12000kn时，偏压系数为0、1、3、7、10、20，进行正交组合分析，支墩应力特征点处应力与偏压系数关系图。
[0033]
图5是归一化的支墩应力特征点处应力与偏压系数关系图。
[0034]
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
[0035]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0036]
一种考虑偏压系数的测量大型浮体浮运中的支墩受力方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤一：建立支墩数值模型，包括航向正面(1)、航向背面、两个侧面(2)、底面(3)、顶部(4)以及橡胶垫板(5)，定义所述支墩底面压力，偏压系数，航向正面橡胶垫板压缩量，航向背面橡胶垫板压缩量，支墩顶部为固定端约束。
[0038]
步骤二：提出支墩压力计算模型假设条件，并通过航向正面橡胶垫板压缩量和航向背面橡胶垫板压缩量引入支墩偏压系数。具体实施如下：
[0039]
提出以下假设：
①
支墩所受荷载沿船体首尾呈线性分布，沿船体左右呈均匀分布；
②
支墩底部橡胶为均质材料，即支墩受力与橡胶板压缩量呈正比。
[0040]
支墩压力计算满足下式
[0041]
∫∫f(p)dpds＝p0s0(1)
[0042]
式中：p为支墩底部荷载，kpa；s为支墩底部橡胶板面积，m2；p0为支墩底部等效均布荷载，kpa；s0为支墩底部橡胶板等效面积，m2。
[0043]
支墩底部荷载f(p)与艏艉方向荷载有关，且为线性关系，为确定模型计算时支墩底部荷载，引入偏压系数k，满足下式
[0044][0045]
式中：k为偏压系数，p1航向正面支墩底部橡胶板边界荷载，kpa；p2航向背面支墩底部橡胶板边界荷载，kpa；l1为航向正面橡胶垫板压缩量，m；l2为航向背面橡胶垫板压缩量，m。
[0046]
步骤三：对步骤一构建的支墩数值模型进行受力分析，在支墩迎航向正面选取应力特征点，在应力特征点位置安装应力传感器。具体实施如下：
[0047]
在支墩压力为4000kn，k＝3时，支墩受力云图如图2所示，支墩航向正面中轴线应力分布较为均匀，故选取航向正面的中轴线作为应力特征线。支墩压力为4000kn时，通过数
值分析绘制偏压系数k为0、1、3、7、10、20、 ∞，支墩应力特征线上的压力分布曲线，如图3所示。图3中0点表示应力特征线与支墩底部交点，由图3可知，在距离底部1.0m，其应力较大，并且均匀。故应力特征点(监测点)位置在支墩航向正面应力特征线上距离底部1.0m位置处。
[0048]
步骤四：建立应力特征点处归一化应力与偏压系数的关系公式。具体实施如下：
[0049]
对支墩压力f＝2000kn、4000kn、6000kn、8000kn、10000kn、12000kn，偏压系数k＝0、1、3、7、10、20，进行正交组合设计，计算60组数值模型，绘制特征点应力与偏压系数关系曲线，如图4所示。根据图4，对支墩特征点位置应力进行归一化处理，绘制归一化应力与偏压系数关系曲线，如图5所示。并对归一化应力与偏压系数拟合，拟合公式见公式(3)，公式(3)可决系数r2＝99.6％。说明拟合公式是准确的。
[0050][0051]
式中：σ为支墩特征点位置应力，mpa；σ0为支墩受等效荷载p0作用下，特征点位置的应力，mpa。
[0052]
步骤五：建立支墩压力与应力特征点处应力和偏压系数的关系公式。具体实施如下：
[0053]
通过数值分析，计算支墩在2000kn、4000kn、6000kn、8000kn、10000kn、12000kn均布荷载作用下，支墩底部等效荷载以及支墩特征点位置应力，计算结果如下：
[0054]
表1：支墩受均布荷载作用下，特征点应力结果
[0055][0056][0057]
由表1数据拟合得到公式(4)，
[0058]
p0＝118.66σ
0-54.93(4)
[0059]
由于支墩压力与等效荷载存在以下关系：
[0060]
f＝p0s0(5)
[0061]
将公式(3)、公式(4)带入公式(5)中得到支墩压力计算式，
[0062][0063]
步骤六：通过偏压系数和应力传感器采集在大型浮体浮运实际过程中支墩受到的应力数据，根据步骤五建立的计算公式进行反算即可得到支墩压力。
[0064]
分别采用现行不考虑偏压系数的支墩压力测试方法和本发明的支墩压力测试方法，计算工况1：缆索预紧力为12170kn，和工况2：沉管浮力为12000kn，缆索预紧力为8970kn两种情况下支墩压力。计算结果如下：
[0065]
表2：现行不考虑偏压系数的支墩压力测试方法和本发明的支墩压力测试方法对比结果
[0066][0067][0068]
各工况下，现行不考虑偏压系数的支墩压力测试方法得到的支墩压力合力与支墩压力真实值偏差在30％左右，本发明的测试方法得到的支墩压力合力与支墩压力真实值偏差在5％以内。
[0069]
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。