海水中时,实际排水量(实际排开水的质量)不大于浮力舱120的排水量,且所受的浮力可以与重力保持平衡,使得浮体定位桩100能够悬浮在海水中。
[0060]其中,浮体定位桩100的负载能力(即系缚防护墙200,使其悬浮在海洋中的能力)与浮力舱120的排水量有关,浮力舱120的排水量越大,则浮体定位桩100的负载能力越强。
[0061]参照图4,当浮体定位桩100在海水中工作时,具有浮心Μ和重心G,浮心Μ位于浮力舱120内、重心G位于浮心Μ和底部b之间,即重心G低于浮心Μ。原理与上述浮体防浪坝相同。
[0062]当放置于海洋中时,连接柱110受到的浮力与浮力舱120相比可以忽略不计,因此这里将浮力舱120的浮心作为整个浮体定位桩100的浮心。
[0063]注意:浮体定位桩100的重心G仅指浮体定位桩100本身的重心,不同于浮体防浪坝的重心。
[0064]浮体定位桩100在海洋中工作时,在重力和浮力的作用下呈竖直状态,即在无海浪或者无海流时,浮体定位桩100与海平面S基本垂直。为了抵抗海面风力以及海浪等的影响以实现稳定悬浮而不倾翻,浮体定位桩100的浮心Μ和重心G之间的距离(以下简称浮心距)不小于8米;此外,浮体定位桩100必须有足够的质量才能稳定,因此设置浮体定位桩100的总质量不小于50吨。
[0065]如果需要满足上述条件,即满足浮体定位桩100的质量要求、浮心距要求,一般情况下,浮体定位桩100的整体长度一般不能小于50米,且连接柱110占浮体定位桩100的总质量的比例不小于1/3,浮力舱120的质量占浮体定位桩100的总质量的比例不超过1/2。
[0066]浮力舱120的形状可以为立方体形、长方体形。如前所述,浮力舱120的排水量要尽量地大,且浮体定位桩100的浮心Μ要尽量远离其重心G,而浮心Μ —般为浮力舱120浸没在水中部分的几何中心。因此,在排水量相同的条件下,浮力舱120的结构优选为长方体结构,且其横截面(垂直于连接柱长度方向的截面)为正方形,此时浮心Μ距离浮力舱120底端的位置最高,浮心Μ与重心G的距离最大。
[0067]进一步地,浮力舱120的第一空腔121中可以填充满质量轻(密度小于水)且不吸水的材料,这样可以避免浮力舱120在受到腐蚀或外力破坏时,避免海水或者其他物质进入第一空腔121,保证浮力舱120的功能。质量轻且不吸水的材料比如可以为聚氯乙烯、泡沫等等有机材料,其质量相对于浮体定位桩100来说可以忽略不计。
[0068]进一步地,继续参照图4,浮体定位桩100还包括压载舱130,与连接柱110远离浮力舱120的一端连接,压载舱130具有一空腔131。当浮体定位桩100在海洋中工作时,压载舱130的空腔131与海水连通。
[0069]压载舱130中可填充质量较大的压载物,用于增加整个浮体定位桩100的质量,使浮体定位桩100的重心G更远离浮力舱120,同时在同等质量要求时,缩减浮体定位桩100的长度。这样在连接柱110的长度不需要设置得很长的情况下,也能够增大浮心距,从实现浮体定位桩100在海水中稳定悬浮。
[0070]压载舱130的侧壁上还可以设置有通孔(未标注),通孔的数量不宜过多,一般一到两个即可,通孔的尺寸也不宜过大,只要能使海水顺利进入压载舱130的空腔131即可。
[0071]其中,通孔还可以采用密封件(未图示)进行密封,以隔离空腔131和外界,这样在海洋上的运输过程中,压载舱130可以密封起来,此时,压载舱130的空腔131与海水不连通,其作为一个密封的气体腔室,可以起到浮力舱的作用。也就是说,当压载舱130密封时,浮体定位桩100的两端都将在浮力的作用下上浮,浸没于海水中的部分相对较少,那么此时的浮体定位桩100在运动时受到的海水阻力也相对较小,从而可以利用船只拖曳等方式较为容易地将整个浮体定位桩100运输至指定海域,便于运输。当运达指定海域后,则可以将压载舱130的通孔打开,海水进入压载舱130,使得浮体定位桩100具有压载舱130的一端在重力作用下缓慢下沉,而具有浮力舱120的一端则浮于海面,最终达到浮体定位桩100基本竖立于海洋中的状态。
[0072]压载舱130的形状可以为方形或者圆柱形,压载舱130的体积可以小于或者大于浮力舱120,从成本角度考虑,本实施例设置压载舱130的体积小于浮力舱120。
[0073]本实施例中,根据对压载舱130的体积、材料以及运输要求,设置:在压载舱130空载时,压载舱130的质量占整个浮体定位桩100质量的比例不小于1/4,但不大于1/3,压载舱130与连接柱110的质量之和大于整个浮体定位桩100质量的2/3,以在空载情况下尽量拉低浮体定位桩100的重心G ;压载舱130满载时,压载舱130与压载物的质量之和占整个浮体定位桩100的质量的比重超过1/2,以在满载情况下进一步拉低浮体定位桩100的重心G0
[0074]浮体定位桩100可以为钢结构或钢筋混凝土结构。其中对于钢结构的浮体定位桩100,可以在陆地上制造完成后,通过海洋运输至指定海域;而对于钢筋混凝土结构的浮体定位桩100,由于其结构和质量都非常庞大,海洋运输困难,则可以通过在海面上现场浇筑来完成建造。
[0075]为了使得浮体防浪坝能够悬浮在海洋中,首先应当保证浮体定位桩100悬浮于海洋中。浮体定位桩100在海洋中工作时,浮力舱120的排水量越大、浮体定位桩100的质量越大、且浮体定位桩100的浮心距越大,则在外界自然力作用下产生的倾斜角越小,在海洋中越稳定。因此可以根据具体应用场合中的稳定性要求,设计改变浮体定位桩100的参数,使得浮体定位桩100自身在外界自然力作用下允许产生的倾斜角范围为0.1?0.5度。
[0076]本实施例中,如果浮体定位桩100为钢结构,浮力舱120的排水量可以大于200t。如果浮体定位桩100为钢筋混凝土结构,受材料以及制造工艺影响,整个浮体定位桩100的结构尺寸都会比较大,此时可以设置浮力舱120的总排水量大于5000t。
[0077]本发明实施例的浮体定位桩100的工作原理如下:
[0078]本实施例中忽略海流对浮体定位桩100的作用力,因为海流的运动非常缓慢,对浮体定位桩100的作用力较小,且浮体定位桩100的重心位置避开海流,因此海流对浮体定位桩100施加的力相对于风力来说可以忽略不计,这里只考虑海面形成的风力。
[0079]一般情况下,海面上的风力最大仅能达到lt/m2,每平方米到达It时人就会被吹到空中去,大于每平方米it的风力是很少的。
[0080]继续参照图5,当浮体定位桩100不受风力作用时,其垂直于海平面S,处于初始状
ο
[0081]当浮体定位桩100受到风力作用时,风力将对浮体定位桩100产生倾斜力矩,根据船舶静力学,浮体定位桩100自身的重力将对浮体定位桩100产生扶正力矩;另外,浮体定位桩100处于水下的部分还将受到海水的阻力作用,该阻力将对浮体定位桩100产生阻力力矩。其中,浮心Μ则为上述各个力矩的平衡支点,如果浮体定位桩100发生倾斜,则其转动中心为浮心Μ。如果欲使浮体定位桩100的倾斜的角度越大,则需要的风力越大。
[0082]根据杠杆原理,浮体定位桩100以浮心Μ为支点,其扶正力矩和阻力力矩均可以抵抗倾斜力矩,在浮体定位桩100发生倾斜时、促使浮体定位桩100回复至原始状态。如果扶正力矩和阻力力矩之和大于倾斜力矩,则浮体定位桩100不会发生倾斜,从而能够实现稳定地悬浮于海洋中。
[0083]下面分析在风力作用下,浮体定位桩100的受力状况。参照图5-6,风力作用至浮体定位桩100中暴露在海平面S以上的部分,定义风力作用的中心为风力中心Ρ,海水作用在浮体定位桩100上的阻力中心为W。
[0084]仅考虑风力作用时,假设浮体定位桩100倾斜0.1° (角度),其受到风力、重力和海水的阻力(这里只考虑浮心至底部部分的海水阻力)三方面的作用力,具体受力分析如图6所示。注:本实施例中浮体定位桩100所受各力以“吨每平方米(t/m2) ”为单位。
[0085]假设在风力作用下,浮体定位桩100倾斜角度(λ 1度,则:
[0086]风力产生的倾斜力矩Tp约为:
[0087]Tp = FP.BC.Hi
[0088]其中:FP为浮体定位桩100暴露于海平面以上的部分中、每平方米所受到风力,B为受风面积,c为流线系数(C = 0.5),Hi为作用在浮体定位桩100上的风力中心P距离浮体定位桩100的浮心Μ的距离。
[0089]重力产生的扶正力矩TG约为:
[0090]TG = FG.H2.Sin0.1。
[0091]其中,Fs为浮体定位桩100受到的重力,H2为浮体定位桩100的重心G距离浮体定位桩100的浮心Μ的距离。
[0092]海水阻力Fw产生的阻力力矩定义为Tw,作为一个简化示例,阻力力矩Tw可以采用如下公式计算:
[0093]Tw= Ρ.ν.Τ.Η3
[0094]其中ρ为海水密度,V为浮体定位桩100倾斜0.1度时排开的水的体积(此处考虑浮体定位桩100的浮心Μ至底部b部分排开的水的体积),H3为海水作用在浮体定位桩100上的阻力中心W至浮体定位桩100的浮心Μ的距离,Τ为海水阻力系数。
[0095]仅考虑重力时,如果风力能够使浮体定位桩100倾斜0.1度,那么风力力矩至少能克服扶正力矩,应当至少满足TP>TS,即:
[0096]Fp.BC.H^Fg.H2.Sin0.1。 (公式一)
[0097]公式一中,为了增加安全系数,此处省去C。
[0098]仅考虑海水阻力时,如果风力能够使浮体定位桩100倾斜0.1度,那么风力力矩至少能克服阻力力矩,应当至少满足TP>TW,即:
[0099]FP.BC.Hi> Ρ.V.Τ.Η3 (公式二 )<