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海上沉箱浮游稳定性验算书

一、验算目的

沉箱作为海上工程中常用的大型预制构件，其在拖航及安装阶段的浮游稳定性直接关系到工程施工安全。为确保各类沉箱在海上作业过程中不发生倾覆、失稳等安全事故，本次对CX1型、CX2型、CX3型、CX4型、D4型（不考虑钢套筒重量）及HD4型（考虑钢套筒重量）沉箱进行系统的浮游稳定性验算，通过精准计算与加水调平优化，验证各类型沉箱在设计工况下的浮游稳定性能，为实际施工提供可靠的技术依据。

二、验算依据

现行《港口工程结构设计规范》（JTS151-2011）

《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2021）

沉箱结构设计图纸及相关技术文件

海上拖航作业相关安全技术规范

材料密度及浮力计算相关工程技术标准

三、验算基本参数与假设

计算原点：均以各沉箱仓格中心为计算原点，建立坐标系进行相关参数计算。

材料密度：沉箱本体材料密度按2.5t/m3计；海水密度按1.025t/m3计；水的重力加速度按9.8kN/t计（计算过程中相关重力换算已隐含该参数）。

浮游稳定判定标准：定倾高度m≥0.2m时，判定沉箱满足浮游稳定要求。

加水调平原则：针对重心偏移的沉箱，通过在指定仓格加水调整重心位置，确保沉箱拖航及安装过程中的平衡与稳定，加水位置及深度根据不平衡力矩精准计算确定。

结构组成考量：验算过程中充分考虑沉箱整体、马腿、前后趾、空腔、仓格、透水孔、底角等各组成部分的体积、形心位置对整体重心及浮心的影响，确保计算结果的准确性。

四、各类型沉箱浮游稳定性验算

（一）CX1型沉箱

1.基本结构参数计算

以沉箱仓格中心为计算原点，各组成部分的体积、形心距及体积矩计算结果如下表所示：

名称

计算式

体积Vi（m3）

形心距Xi（m）

形心距Yi（m）

体积矩ViXi（kN·m）

体积矩ViYi（kN·m）

整体

13.95×12.05×12.3

2067.599

0

6.15

0

12715.74

马腿

1.85×0.35×2.675×2

3.464

6.2

11.05

21.48

38.279

前趾

11.8×0.75×0.5

4.425

6.4

0.25

28.32

1.106

前趾（斜段）

11.8×0.75×0.2/2

0.885

6.275

0.567

5.55

0.502

后趾

11.8×1.2×0.5

7.08

-6.625

0.25

-46.91

1.77

后趾（斜段）

11.8×1.2×0.2/2

1.416

-6.425

0.567

-9.1

0.802

空腔

1.075×10.85×12.3×2

-286.928

-0.05

6.15

14.35

-1764.61

仓格

(3.6×3.65-0.22×2)×11.8×9

-1386.97

-0.05

6.4

69.35

-8876.6

透水孔

π×0.05×0.05×4.5

0.035

-0.05

8.5

-0.002

0.30

底角

0.22×(3.45+3.4)×9

2.466

-0.05

0.567

-0.123

1.40

合计

-

413.471

-

-

82.92

2118.66

2.加水调平计算

由于沉箱前后趾、壁厚尺寸不同及马腿的影响，其重心偏离仓格中心，存在不平衡力矩，需通过加水调平。

不平衡力矩（对沉箱中心）：⊿Mx=82.92kN·m

加水方案：选择后三仓加水，设加水深度为t，根据力矩平衡原理建立方程：

{(3.6×3.65-0.22×2)×t-0.22×(3.45+3.4)}×3×1.025×3.9=⊿Mx×2.5

代入数据计算：

13.06×t-0.274=17.285

解得：t=1.35m

结合实际施工便利性，确定实际加水深度为1.4m。

3.加水后浮游稳定性验算

加水重力及重量距计算：

加水重力g={(3.6×3.65-0.22×2)×1.4-0.22×(3.45+3.4)}×3×1.025=55.38kN

加水对沉箱底的重量距⊿My=g×1.2=66.46kN·m

沉箱总重量G=∑V×2.5+g=1089.06kN

重心高度Yc=(My+⊿My)/G=(2118.66+66.46)/1089.06=4.914m

排水体积V=G/1.025=1089.06/1.025=1062.495m3

前后趾排水体积v=13.806m3

沉箱吃水T=(V-v)/A=(1062.495-13.806)/(13.95×12.05)=7.244m（其中A为沉箱水平投影面积）

浮心高度Yw=[(V-v)×T/2+vYv]/V=[(1062.495-13.806)×7.244/2+13.806×(0.25+0.567)/2]/1062.495=3.579m（Yv取前后趾形心距