CN101304916B - 浮筒型浮动结构 - Google Patents

Abstract

一种浮筒型浮动结构，包括：保持在水平面以上并通过在其上停靠负载而接纳和支撑该负载的上甲板；以及布置在上甲板下面的水平腔室阵列，其中该腔室带有提供具有浮力结构的第一组腔室和海水进入其中的第二组腔室，以便在稳态条件下，第二组腔室不提供浮力。

Description

浮筒型浮动结构 

技术领域

发明涉及一种浮筒型浮动结构。 

背景技术

当人口和城市发展在陆地缺乏的岛国(或者具有长海岸线的国家)扩展时，城市规划者和工程师可借助于土地改造来减轻目前大量使用陆地和地下空间的压力。使用来自海床、山丘、深地下挖掘甚至建筑残渣的填充材料，工程师能够由海洋建造相对广大和价值高的陆地。然而，土地改造具有它的局限性。它只在水深较浅时(小于20米)是合适的。当水较深和/或海床特别软时，则土地改造不再合算甚至不再可行。此外，土地改造可破坏海生物栖息地，甚至导致有毒沉淀物的干扰。 

非常大的浮动结构(VLFS)是在海上形成“陆地”的替代方法。有两种VLFS：半潜型和浮筒型；半潜型浮动结构使用柱形管或者稳定结构组件来使波浪作用最小化同时保持恒定浮力而高于海平面。这样，它们可降低波浪诱导运动，并因此在具有较大波浪的大海域上适当地展开。被用来钻井并且油和气生产的浮动平台是半潜型VLFSs的典型实例。当这些半潜型VLFSs使用具有由结构附加浮力提供的高预应力的垂直系缆固定到海底时，它们被称为张力腿平台(tension-leg platforms)。 

相比之下，浮筒型浮动结构浮于海平面上，一般地用于小海湾或者咸水湖和海岸线附近的平静海水。较大种类的浮筒型浮动结构或者Mega-Floats具有至少大于60m的一个长度尺寸。 

当Mega-Float例如在中心部大量地加载时，该浮动结构的中心将相对于角落垂直地移动而偏离。产生的差动偏离可使设备出现故障，受到附加应力或者极个别情况下的在浮动结构上的上部结构在高应力状态下可导致结构破坏。 

因此需要提出上述问题中至少一个。 

发明内容

根据本发明第一方面，提供一种浮筒型浮动结构，包括：保持在水面以上的上甲板，通过在其上停靠负载而接纳和支撑该负载；以及布置在上甲板下面的水平腔室阵列，其中该腔室带有提供具有浮力结构的第一组腔室和海水进入其中的第二组腔室，以便在稳态条件下，第二组腔室不提供浮力。 

多个壁优选从上甲板上悬垂，并与之配合，以提供由该壁分开的腔室。 

所述壁优选基本上垂直于所述甲板，其中壁包括大致平行并横向地隔开的第一组以及包括第二组，第二组的壁大致平行并横向隔开，同时大致垂直于第一组，从而在水平横截面的腔室大致为正方形或者矩形。 

其中腔室优选具有相应的底壁，该底壁与上甲板隔开，其中所述第二组腔室的底壁具有用于水流动的孔口。 

所述第二组腔室优选位于所述结构周边附近。 

所述第二组腔室优选靠近所述周边成排对齐。 

每排优选通过第一组的至少一个腔室与周边隔开。 

所述结构从平面图角度观察时，在结构上优选为正方形或者矩形，因此具有四边，其中每排大致平行于所述边中的一个延伸。 

所述结构优选由以下小组中的一个或者多个形成，其中该小组包括钢、混凝土和增强混凝土。 

所述结构优选包括大致水平取向的底板，其中该底板被浸没，并大致平行于上甲板，并与所述上甲板垂直地隔开。 

所述腔室阵列优选是第一阵列，而所述结构包括位于第一腔室阵列下面的第二水平腔室阵列，第一和第二腔室由大致水平取向的中间板分开，并大致平行于上甲板，并与所述上甲板垂直地隔开。 

所述上甲板优选具有孔口和/或可透过空气，以提供相对于第二组腔室空气的流动。 

附图说明

从以下只结合实例书面描述并结合附图，本领域普通技术人员将更好地理解和容易显而易见发明的典型实施例，其中在附图中： 

图1是根据典型实施例的浮动结构的示意侧视面。 

图2是图1浮动结构一部分的剖面示意图。 

图3a是图1浮动结构零浮力室的示意仰视图。 

图3b是图1浮动结构另一个零浮力室的示意仰视图。 

图4示出了图1中浮动结构不同系泊设备的示意侧视面。 

图5是根据另一个典型实施例的浮动结构的示意图(尺寸是米)。 

图6a是图5中浮动结构水密腔室的示意剖面图。 

图6b是图5中浮动结构零浮力室的示意剖面图。 

图7a示出了没有零浮力室并经受7层集装箱负载的浮动结构的挠曲面(偏差为米)。 

图7b示出了对于图5中浮动结构并经受7层集装箱负载的挠曲面(偏差为米)。 

图8a示出了在没有零浮力室并经受7层集装箱负载的浮动结构中对于最大主应力的底板应力等值线(应力为兆帕)。 

图8b示出了在图5浮动结构中并经受7层集装箱负载的对于最大主应力的底板应力等值线(应力为兆帕)。 

图9a示出了在没有零浮力室并经受7层集装箱负载的浮动结构中对于最大主应力的顶板应力等值线(应力为兆帕)。 

图9b示出了在图5浮动结构中并经受7层集装箱负载的对于最大主应力的顶板应力等值线(应力为兆帕)。 

具体实施方式

图1示出了根据典型实施例的浮动结构100。该浮动结构100可系泊在系泊设备102上，并可包括与陆地108、另一个结构或者船舶连接的进入接合件104。可选择性地设置防浪堤106，以减小击打浮动结构100的较大波浪力。 

图2示出了浮动结构100一部分的示意剖面图。在典型实施例中，结构100包括由顶板提供的上甲板200。例如202、204的多个壁从甲板200垂挂。该壁202、204大致垂直于甲板200延伸，以便提供例如206、208这样的多个腔室。腔室206、208在甲板200下面以水平阵列布置。提供水平底壁或者板210。壁202、204以及板210由不透水材料制成，其中每个壁202、204密封连接到水平底板210上。在这方面，应该理解的是，例如206的腔室的大部分密封封闭，从而水不能进入其中。同时，孔口212、214设置在选择腔室208区域中的底板210上，允许水进入例如208的那些腔室。为了便于当海水进入时空气从腔室208中泄放，甲板200可至少在腔室208区域具有孔口(未示出)，或者也可以是可透气的。在稳态条件下，腔室208由此充满海水直到216指示的平面上，这相当于附图标记218指示的海平面。 

当海水随意流入和流出腔室208时，称为鳃细胞(gill cell)的那些腔室为浮动结构100提供零浮力。同时，其余腔室206为结构100提供浮力。这样，浮力作用于远离腔室208下面区域的底板210上。 

在典型实施例中，腔室208沿着结构100的边缘设置，同时由于腔室208零浮力作用，提供了边缘的垂直运动限制。这被发现当负载施加在浮动结构100中心或者附近时减少边缘的差动偏离。通过调节腔室208的几何形状，浮动结构100可设计成能在变动负载下使差动偏离保持在可接受限值内。 

在典型实施例中，孔口212、214设计成可保持底板210的结构完整性。孔口尺寸选定成足够大，以使海水随意地进入，从而使腔室中水平面等于海水平面。 

图3a和3b示出了用于单独的零浮力腔室304、306的典型孔口300、302。在选择孔口设计中，可避免在孔口中出现锋利点，因为这些点可导致裂缝的起始点。孔口尺寸应在避免腔室结构削弱和特别小孔口堵塞之间平衡。 

在典型实施例中，壁和板由钢、混凝土、例如硬合金增强混凝土的增强混凝土制成，或者由具有必要硬度和强度的任何其他适当不透水材料制成。由于混凝土不透水可避免或者减少对增强结构的侵蚀，可使用防水混凝土或者海上混凝土任何之一。例如，含有飞灰和硅烟的高性能混凝土是合适的。应该理解的是，建筑材料的其他组合可用于不同的实施例。 

可使用例如涂层、阴极保护、腐蚀容限和腐蚀监测而把防腐蚀技术应用在增强物和其他钢制件上。在其中海洋生物活跃的情况下，防污涂料可用来降低海生物生长。在可能严重低磨蚀区域，例如刚好在平均低水位以下区域，可应用阴极保护，同时可应用涂层方法来保留比1米以下深度更浅的部分。涂层方法可包括涂漆、设置钛衬里、设置不锈钢衬里、以锌、铝和铝合金热喷涂。 

现在返回图1，系泊设备102保证浮动结构100保持在正确位置，以便安装在浮动结构上的设施可靠地操作。阻止结构100在临界海况条件和风暴下漂离是系泊设备102的典型设计所要考虑的。自由或者漂移的浮动结构100可导致对周围设施破坏，并还可导致在与船舶相撞时人的生命危险。图4示出了若干种系泊系统，例如靠船墩导向架系统400、缆绳和链条系泊402、张力腿方法404和码头/靠岸方法406。系泊系统种类的选择取决于当地条件和性能要求。 

一旦选择了系泊系统种类，震动吸收材料就可确定满足环境条件和操作条件以及要求的设备数量和布置。例如系泊靠船墩的布置可以是这样，即浮动结构水平位移足够地被控制，同时系泊力适当地分布。系泊靠船墩的布置和数量可进行调节，从而浮动结构的移动和系泊力不超过允许值。 

为了降低击打浮动结构的波浪力，选择性地，可在附近建造一个或多个防浪堤106。如果有波浪高于4米，则可使用防浪堤。 

在下文中，将描述示出了本发明典型实施例性能的计算结果。图5示出了根据典型实施例并用于以下计算的浮动集装箱终端500的示意俯视图。在图5 中，设置中心集装箱区域502以及在结构500一个边缘的轨道区域504。在图5中的尺寸以米表示。零浮力室的位置以附图标记506、508和510示意地表示。 

有限元法(FEM)计算方法用来把结构500与没有零浮力室的相同结构比较。典型的关注是在浮动结构500角落和中间部分之间的差动偏离。如果中间轨道504倾斜度在某些倾斜度规范以上，例如0.4％，则例如码头起重机不能操作。 

为了计算，结构500假定为双层结构，下面将简要地描述这种双层结构。图6a和b分别示出了结构500(图5)的水密室600和零浮力室602的示意剖面图。在图6a中，水密室600由中间板604隔开，其中的中间板604分别布置在顶板606和底板608之间。同样地，如图6b所示，零浮力室602由中间板604隔开，其中的中间板604分别布置在顶板606和底板608之间。孔口610、612设置在零浮力室602区域中的底板608上，其中对应的孔口614、616设置在中间板604上。梁加强件618、620分别设置在顶板606下面和底板608顶部上，并跨过顶板606和底板608以两个垂直组的水平隔开排延伸。 

表1归纳了用于计算而采用的数据，这些数据包括典型浮动结构的尺寸和结构材料特性、自身重量和码头起重机重量。 

表1.为了计算而采用的数据 

浮动结构的尺寸	数据	单位
			总长度	470	m
总宽度	520	m
			总高度	10	m
顶板和底板厚度	0.4	m
			中间板厚度	0.2	m
垂直壁厚度	0.3	m
			梁加强件厚度	0.5	m
梁加强件深度	1.0	m

材料性能和允许应力	数据	单位
			高性能混凝土密度	1900	kg/m3
高性能混凝土的模数	22.9	GPa
			高性能混凝土的泊松比	0.2
压缩应力	70	MPa
			挠曲拉伸应力	7.2	MPa
爆裂拉伸应力	4.3	MPa
			允许压缩应力	42	MPa

允许挠曲拉伸应力	4.32	MPa
			允许爆裂拉伸应力	2.58	MPa
静负载	数据	单元
			集装箱终端总自重	737250	吨
一个码头起重机重量	1360	吨
			码头起重机数量	8

ABAQUS软件用于计算。计算的模型包括： 

·用于顶板、中间板和底板以及垂直壁和4结点薄板构件。用于板的每个构件具有厚度不同的尺寸5m×5m，而用于垂直壁的每个元件具有尺寸5m×4.8m。 

·用于模制梁加强件的2结点梁构件。每个梁加强件具有5m长度。 

·侧向弹簧固定到底板构件结点上，以模拟浮力。弹簧系数为250kN/m(＝1.03×9.81×5×5)，相当于浮力。 

图7a和b分别示出了根据典型实施例的对于没有零浮力室以及有零浮力室的计算后挠曲面700、702。挠曲面700、702在如在表1中列出的7层集装箱负载、码头起重机负载和码头终端自重条件下进行计算。从图7a和7b比较来看，根据典型实施例(图7b)的浮动结构经受浮动结构显著降低的差动偏离，如基本上“平坦”挠曲面702所示那样。 

图8a和b分别示出了根据典型实施例的、没有零浮力室以及有零浮力室的浮动结构的、对于最大主应力的底板计算应力等值线800、802。该应力等值线800、802在如表1中列出的7层集装箱负载、码头起重机负载和自重条件下进行计算。从图8a和8b比较来看，根据典型实施例(图8b)的浮动结构经受显著降低的应力。 

图9a和b分别示出了根据典型实施例的、没有零浮力室以及有零浮力室的浮动结构的、对于最大主应力的顶板计算应力等值线900、902。该应力等值线900、902在如表1中列出的7层集装箱负载、码头起重机负载和自重作用下进行计算。从图9a和b比较来看，根据典型实施例(图9b)的浮动结构经受显著降低的应力。 

表2和3分别把对于根据典型实施例的没有零浮力室和有零浮力室的浮动结构计算的偏离相加。 

表2 

表3 

优点 

由于水自然地流入零浮力室以及从零浮力室流出，因此在典型实施例中的零浮力室是无源的。可能不像在有源压载系统中那样需要泵和昂贵的操作成本。即使当加载不均衡，零浮力室也可允许浮动结构具有相同的吃水，假如可接受的吃水没有超出。由于在整个浮动结构模数的一致性，因此可节约成本。由于在不牺牲服务能力和强度性能情况下结构截面厚度可降低(由于降低应力和差动偏离)，因此下部浮力室可导致较轻和便宜的浮动结构。部分地充满海水的下部浮力室还可设置水动阻尼，由此使浮动结构更能抵御由波浪力和海水流引起的运动。 

工业实用性 

实施例可用于 

·流动集装箱码头、浮动游船中心、浮动旅馆、浮动饭店、浮码头/停泊处或者浮动航空站； 

·系泊浮筒； 

·船桅； 

·半潜式； 

·筏或者在软土上的板式基础，及 

·例如多主体浮动结构和梳型浮动结构的其他浮动结构。 

所属领域的技术人员将理解的是，在没有脱离宽泛描述的发明精神或者范围情况下，可对如在典型实施例所示的本发明进行许多变化和/或改型。因此，典型实施例被认为在各个方面是说明性而非限制性的。 

Claims (14)

1.一种浮筒型浮动结构，包括：

保持在水面以上的上甲板，通过在其上停靠负载而接纳和支撑该负载；以及

布置在上甲板下面的水平腔室阵列，其中该腔室带有提供具有浮力结构的第一组腔室和海水进入其中的第二组腔室，以便在稳态条件下，第二组腔室不提供浮力。

2.如权利要求1的结构，其中多个壁从上甲板上悬垂，并与之配合，以提供由该壁分开的腔室。

3.如权利要求2的结构，其中所述壁基本上垂直于所述上甲板，其中壁包括大致平行并横向地隔开的第一组以及包括第二组，第二组的壁大致平行并横向隔开，同时大致垂直于第一组，从而腔室在水平横截面上大致为矩形。

4.如权利要求3的结构，其中腔室在水平横截面上大致为正方形。

5.如权利要求1到4任何之一的结构，其中腔室具有相应的底壁，该底壁与上甲板隔开，其中所述第二组腔室的底壁具有用于水流动的孔口。

6.如权利要求1的结构，其中所述第二组腔室位于所述结构周边附近。

7.如权利要求6的结构，其中所述第二组腔室靠近所述周边成排对齐。

8.如权利要求7的结构，其中每排通过第一组的至少一个腔室与周边隔开。

9.如权利要求7或者8的结构，其中所述结构从平面图角度观察时，在结构上为矩形，因此具有四边，其中每排大致平行于所述边中的一个延伸。

10.如权利要求9的结构，其中所述结构从平面图角度观察时，在结构上为正方形。

11.如权利要求1到4任何之一的结构，其中所述结构由以下小组中的一个或者多个形成，其中该小组包括钢、混凝土和增强混凝土。

12.如权利要求1到4任何之一的结构，其中所述结构包括大致水平取向的底板，其中该底板被浸没，并大致平行于上甲板，并与所述上甲板垂直地隔开。

13.如权利要求1到4任何之一的结构，其中所述腔室阵列是第一阵列，而所述结构包括位于第一腔室阵列下面的第二水平腔室阵列，第一和第二腔室由大致水平取向的中间板分开，并大致平行于上甲板，并与所述上甲板垂直地隔开。

14.如权利要求1到4任何之一的结构，其中所述上甲板具有孔口和/或可透过空气，以提供相对于第二组腔室空气的流动。

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