CN104608887B - 一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架。它由气囊支撑框架代替空间桁架中横向斜腹杆后填充气囊所形成。气囊填充式桁架由纵向弦杆、横向弦杆、竖腹杆、纵向斜腹杆、横向气囊支撑框架与气囊组成。其中，气囊支撑框架通过预留接头与桁架上预留的固定端采用螺栓进行连接。气囊内充入气压后，整个气囊填充式桁架在水中既可承受外载又可提供浮力。大量气囊填充式桁架与空间立体桁架按一定规律相互连接即可构成大型海洋平台结构。本发明继承了气囊结构质量轻、浮力性能好，空间桁架施工便捷、刚度大的优点，形成了一种质轻、高强、建造方便、规模扩展便捷、气囊内部气压与外部水压可部分平衡的浮式结构体系。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种海洋浮式结构体系，具体地说是一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，应用范围包括海洋采油平台、海上加工平台、海上风力机基础平台、海上酒店以及海上施工平台。
背景技术
在海洋工程领域，浮式结构作为海上施工作业、生产加工存储的基础平台现已受到广泛关注。早在1937年世界上出现了最早的活动式平台：驳船式钻井平台，随后又出现了半潜式钻井平台。随着工作水深的不断增加，张力腿式平台(TLP)、独柱式平台(Spar)、浮(船)式生产储运装置(FPSO)等相继被推出，现在超大型浮式结构物(VLFS)也开始出现。尽管上述这些平台结构的出现可以满多数的海上生产作业要求，但是均存在结构施工建造繁琐、自重大、成本高与抗风浪能力差等缺点。现在人们借鉴传统桁架的优点，开发出了较多的轻式浮体结构。如专利号为200720059012.7的一种构建水上浮屋的基础，直接在桁架结构中塞入了气囊，虽然起到了承载与提供浮力的作用，但却使桁架结构的全部杆件成为受弯构件，从而大大降低了结构的承载能力。专利号为200310103471.7与200410004398.2的发明，虽然将桁架引入了浮体结构中，但是提供浮力的浮体仍为传统的刚性壳体结构，该发明与传统的多体船类似，当整个结构的平面面积较大时，需要刚性壳体有较大的直径，这会导致施工建造难度的加大，且由于柱壳自身稳定性能的要求限制了整个结构的规模，此外各个浮体之间由于波浪输入相位差的存在会对上部结构造成较大的应力，上部桁架的刚度也很难得到保证。专利号为200920003571.5的发明，将框架与填充发泡材料的浮体通过铰链结合在一起形成一种浮体单元，铰链连接的难度较大且铰链与浮体的连接性能得不到保证。此外，这种浮体由于只能用于水面之上所以其组成的结构耐波性能将较差，甚至会发生随波晃动的现象。此外还有海洋工程浮式网架结构，该类结构的出现虽然可降低施工难度，结构规模也可满足不同工程的要求，但其仅依赖连接空心节点提供浮力，随着浮力要求的增加，球节点的直径与壁厚也要增大，极有可能出现节点直径超过构件有效长度的情况。总体来说，现有发明基本存在如下几点不足：1)改变了桁架结构中构件主要承受轴向荷载的现状，从而丧失了桁架结构质量轻与强度高的优点。2)提供浮力的浮体承压能力严重不足，需要较大的壁厚以及复杂的构造来提高其承压能力，在大型平台结构中浮体质轻强高的优点也将消失。
针对上述不足，本发明提出了一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，通过气囊支撑框架(5)的加入保留了空间桁架质轻、高强、建造方便、规模扩展便捷的优点，也保证了气囊与桁架之间受力的顺利传递。通过气囊(7)内部气压与外部水压进行部分平衡，可以降低气囊本身的应力，进而克服了传统浮体结构承压能力提高困难的现状。此外，气囊填充式桁架或传统空间立体桁架通过横向构件固定端(9)接入相应的气囊支撑框架(5)或横向斜腹杆(10)即可形成，两种桁架相互连接可以形成任意面积大小、任意空间刚度、任意浮力大小的海洋平台结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于海洋工程中的浮式结构，即一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架。实现以较少的材料形成可以满足浮力要求、结构强度要求、工程项目操作空间要求的结构体系。同时借助空间桁架施工建造方便的特点，形成规模超大的海洋结构物。此外通过对气囊填充式桁架的布置数量与布置位置来调整整个结构的浮力大小与浮力储备。
为了达到上述目的，本发明提供的一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，由气囊支撑框架(5)代替空间立体桁架中横向斜腹杆后填充气囊(7)形成。
上述的气囊填充式桁架，其中，由纵向弦杆(1)、纵向斜腹杆(3)、竖腹杆(4)形成的纵向平面桁架和由横向弦杆(2)、气囊支撑框架(5)与竖腹杆(4)形成的横向平面桁架通过正交正放的形式构成气囊填充式桁架的骨架。
上述的气囊填充式桁架，其中，纵向弦杆(1)从浮体结构的一端延伸到另一端并不间断，横向弦杆(2)在纵向弦杆(1)的位置处间断，并以相贯节点的形式焊接于纵向弦杆(1)的侧壁。纵向弦杆(1)与横向弦杆(2)相互连接构成浮体结构的弦杆层。
上述的气囊填充式桁架，其中，竖腹杆(4)在纵向弦杆(1)的位置处间断，间断的竖腹杆(4)分别与上下两端的纵向弦杆(1)通过相贯节点连接，竖腹杆(4)可将多个弦杆层连成整体共同受力。
上述的气囊填充式桁架，其中，横向弦杆(2)与竖腹杆(4)所形成的4个相贯节点处预留有横向构件固定端(9)与横向构件固定端接头(10)；横向构件固定端(9)与横向构件固定端接头(10)通过接头盖板(11)进行焊接连接，横向构件固定端接头(10)为钢板焊接而成的十字型构件，其另一端焊接开有螺孔的接头盖板(11)。
上述的气囊填充式桁架，其中，纵向斜腹杆(3)在纵向弦杆(1)与竖腹杆(4)形成的相贯节点处间断，其两端分别与上下两根纵向弦杆(1)以及左右两根竖腹杆(4)通过相贯节点相连。纵向斜腹杆(3)与竖腹杆(4)形成纵向平面桁架的腹杆层传递结构剪力，连接上下弦杆层。
上述的气囊填充式桁架，其中，气囊支撑框架(5)通过接头盖板(11)与气囊支撑框架接头(6)进行焊接连接；气囊支撑框架接头(6)为钢板焊接而成的十字型构件，其另一端焊接开有螺孔的接头盖板(11)。
上述的气囊填充式桁架，其中，气囊(7)在气囊支撑框架(5)的位置处留有气囊凹槽(8)；气囊(7)的内部在气囊凹槽(8)的位置处设置有气室横向分割装置，将气囊(7)分割成多个独立的气室以降低气囊局部破损对整个气囊填充式桁架的影响；此外气囊(7)内部的横向气室分割装置也可保证气囊受力后气囊凹槽(8)向内凹陷的形状。
上述的气囊填充式桁架，其中，环状气囊支撑框架(5)的厚度和内径与气囊凹槽(8)处的宽度和外径完全一样，以保证承受内部气压的气囊(7)完全固定在气囊支撑框架(5)上，从而保证了气囊支撑框架(5)可以有效传递桁架结构与气囊(7)之间的受力。
上述的气囊填充式桁架，其中，气囊支撑框架接头(6)与横向构件固定端接头(12)采用接头盖板(11)相并的方式通过高强螺栓进行连接。通过这种连接方式，可以依据实际工程的需求将气囊(7)安装固定在整个大型平台结构中的任意位置处。
上述的气囊填充式桁架，其中，气囊支撑框架(5)的引入避免了桁架中杆件承受轴线外荷载的可能，气囊支撑框架(5)使气囊(7)完美地与桁架结合在了一起，让桁架与气囊的各自优点都得到了完整的继承。
上述的气囊填充式桁架，气囊(7)内充入一定气压的空气后才能形成具有足够浮力且可承受外载的结构体系。
上述的气囊填充式桁架，其中，横向构件固定端接头(12)与横向斜腹杆(10)采用接头盖板(11)相并的方式通过高强螺栓进行连接后便可形成普通的空间立体桁架。通过这种连接方式，可以依据实际工程的需求将空间立体桁架安装固定在整个大型平台结构中的任意位置处。
上述的气囊填充式桁架与空间立体桁架可以沿横向相互连接扩展以达到海洋平台在面积方面的要求，也可以沿竖向相互连接扩展满足在浮力和强度方面的要求。
上述的气囊填充式桁架宜布置在水面之下一定的深度，不可密集布置在水线附近以免对波浪运动造成阻挡，降低结构的耐波性能。
上述的气囊填充式桁架，其中，气囊(7)内部的气压qn可随气囊所处水深处外部水压力qw的大小确定，始终保持内外压力差最小(即：min|qn-qw|)，使气囊产生的自应力最小，这样可以克服传统浮式结构完全依靠自身结构来克服外部水压力的缺点，低应力水平也有助于延长气囊的使用寿命。
本发明提供的一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，将气囊结构自重小、浮力性能好与桁架结构空间刚度大、加工制作简单的优点结合在了一起。
整个气囊填充式桁架基本由几类标准构件组成，桁架结构加工装配效率高的优点得到了继承。此外，气囊支撑框架(5)的采用，也有效地避免了桁架结构中构件承受非轴向荷载的可能，使桁架结构空间受力性能好的优点也得到了继承。气囊凹槽(8)的引入使气囊(7)可以与整个桁架一起协同工作，使气囊在承受荷载与提供浮力方面的优点得到了完美的继承；调节气囊(7)的内部气压使其与外部水压之差降低的方法更加体现了气囊作为浮体较刚性浮体的优势所在。此外，由气囊填充式桁架组成的大型海洋平台在水线面附近拥有大量的空隙，波浪仍可在未完全阻挡的情况下运动，所以结构的耐波性能也好。整个结构除了可以在平面方向进行扩展延伸外，还可以沿着竖向进行扩展延伸，完全可以满足工程项目在面积、浮力、强度、刚度等方面的要求。同时已施工完成部分可以作为施工平台进行后续施工。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：
图1a为本发明的三维图。
图1b为本发明的侧视图。
图1c为本发明的俯视图。
图1d为本发明中图1c中A-A剖视图。
图2a为本发明中气囊与气囊支撑框架组合三维图。
图2b为本发明中气囊与气囊支撑框架分解三维图。
图3为本发明中气囊支撑框架与桁架的连接详图。
图4为构成普通空间桁架时横向斜腹杆与桁架的连接详图。
图5为本发明组成的一种大型海洋平台示意图1。
图6为本发明组成的一种大型海洋平台示意图2。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明为一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，结构充分将气囊结构质量轻、浮力性能好、内部气压可以依据所处水深进行人为调节的优点和空间桁架结构便于组装施工、空间刚度大的优点结合在了一起，形成一种气囊与桁架杂交的浮式结构体系，可以形成满足自重、浮力、强度、刚度、以及使用空间方面要求的大型海洋平台结构。
如图1a所示，本发明一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，是由气囊支撑框架5代替传统空间桁架中横向平面桁架中斜腹杆后填充气囊7所形成的一种结构体系。
如图1a、1b、1c与1d所示，横向弦杆2与竖腹杆4在纵向弦杆1的位置处间断，并与位于各自两端的纵向弦杆1相连。
如图1a与1b所示，纵向斜腹杆3直接连接于两端由纵向弦杆1与竖腹杆4形成的相贯节点上；纵向斜腹杆3与竖腹杆4形成纵向平面桁架的腹杆层起到传递结构剪力与连接弦杆层的作用。
如图1a、1b、1c与1d所示，气囊7填充在气囊支撑框架5形成的囊腔内。气囊7通过气囊凹槽8卡在气囊支撑框架5上与桁架形成气囊填充式桁架。
如图1d所示，气囊支撑框架5通过4个气囊支撑框架接头6连接在桁架结构预留的横向构件固定端9上。横向构件固定端9直接连接于横向弦杆2与竖腹杆4形成的相贯节点上。
如图2a与2b所示，气囊支撑框架5卡在气囊7上的气囊凹槽8内，使气囊7与桁架协同受力形成气囊填充式桁架，每个气囊支撑框架5均有4个气囊支撑框架接头6用于同桁架进行组装连接。
如图3所示，气囊支撑框架5通过接头盖板11与气囊支撑框架接头6进行连接，接头盖板11除了起连接的作用外，还起到对气囊支撑框架5密封的作用。同样，横向构件固定端9通过接头盖板11与横向构件固定端接头12进行连接，接头盖板11除了起连接的作用外，还起到对横向构件固定端9密封的作用。气囊支撑框架接头6与横向构件固定端接头12通过各自端头上的接头盖板11采用螺栓13进行组装连接。
如图4所示，横向斜腹杆10通过接头盖板11连接于对角线上2个横向构件固定端9上，形成普通的空间立体桁架。
如图5所示，为气囊填充式桁架与空间立体桁架组成的三层大型海洋平台结构之一，其中部分气囊填充式桁架位于水面之下为结构提供浮力，部分气囊填充式桁架布置于水线附近为结构提供浮力储备；张力腿14布置于浮体结构的周边，张力腿14中施加一定大小的预拉力进行大型海洋平台结构的作业定位与整个结构储备浮力的调整。
如图6所示，为气囊填充式桁架与空间立体桁架组成的三层大型海洋平台结构之二，全部气囊填充式桁架位于水面之下为结构提供浮力，张力腿14布置于浮体结构的周边，张力腿14中施加一定大小的预拉力进行大型海洋平台结构的作业定位与整个结构储备浮力的调整。水线面附近没有气囊梁的布置，所以波浪可以完全没有阻挡地通过桁架的空隙穿越整个海洋平台结构，这一布置形式所构成的结构耐波性好。
如图5与图6所示，整个海洋平台结构中横向弦杆2与竖腹杆4围成的任意一个桁架单元内，可以根据实际需求便捷地布置气囊支撑框架5或横向斜腹杆10，形成对应的气囊填充式桁架和普通空间立体桁架。
如图5与图6所示，在建造过程中可以利用已建成的部分作为工作平台进行后续施工。
本发明一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架具有自重轻、施工便捷、耐波性能好、规模可扩展能力强的优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，其特征在于：气囊填充式桁架是由气囊支撑框架代替传统空间立体桁架中横向平面桁架中的斜腹杆，并填充充气气囊后形成的一种用于大型海洋平台的浮式结构体系；其特征在于：气囊填充式桁架由纵向弦杆(1)、横向弦杆(2)、纵向斜腹杆(3)、竖腹杆(4)、气囊支撑框架(5)与气囊(7)组成；其中气囊支撑框架(5)上设计有4个气囊支撑框架接头(6)供装配使用；气囊填充式桁架中横向弦杆(2)与竖腹杆(4)的汇交处预留有横向构件固定端(9)与横向构件固定端接头(12)；气囊支撑框架接头(6)与横向构件固定端接头(12)通过连接螺栓(13)连接后形成气囊(7)的囊腔；气囊(7)在气囊支撑框架(5)的位置处留有气囊凹槽(8)，当气囊(7)充入一定气压的空气后气囊支撑框架(5)完全卡入气囊凹槽(8)内，形成既可提供浮力又可承担荷载的气囊填充式桁架；当横向构件固定端接头(12)安装横向斜腹杆(10)时便形成普通的空间立体桁架；大量的气囊填充式桁架与普通的空间立体桁架之间组合连接形成平面大小、浮力大小、承载能力大小均满足要求的大型海洋平台结构。
2.根据权利要求1所述的用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，其特征在于：纵向弦杆(1)、横向弦杆(2)、纵向斜腹杆(3)、竖腹杆(4)、气囊支撑框架(5)、横向构件固定端(9)、横向斜腹杆(10)均由空心圆钢管或方钢管来制作，构件之间通过相贯节点连接，各自形成水密空心构件，以提供一定的浮力。
3.根据权利要求1所述的用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，其特征在于：气囊(7)位于水面之下时，气囊(7)内部的气压qn可随气囊外部水压力qw的大小确定，始终保持内外压力差最小(即：min|qn-qw|)，使气囊产生的自应力最小；气囊(7)内部在气囊凹槽(8)的位置处设置横向气室分割装置将气囊(7)分割成多个独立的气室，以降低局部破损对整个结构的影响，横向气室分割装置也可承受一定的径向拉力，使气囊凹槽(8)在内部气压的作用下仍可保持其凹槽的形状。
4.根据权利要求1或3所述的用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，其特征在于：气囊支撑框架(5)的厚度和内径与气囊凹槽(8)的宽度与外径完全吻合，以便气囊支撑框架(5)完全卡入气囊凹槽(8)内；气囊支撑框架接头(6)与横向构件固定端接头(12)由十字性钢板与封头板(11)焊接而成，连接螺栓(13)采用高强螺栓。
5.根据权利要求1所述的用于大型海洋平台的气囊填充式桁架，为了使构成的大型海洋平台结构具有足够的浮力储备，在大型海洋平台结构中气囊填充式桁架的总数量不少于普通空间立体桁架的数量。
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