CN104648624B - 一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架 - 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梁式桁架。它由气囊梁代替传统空间立体桁架中n榀纵向平面桁架的腹杆层形成。气囊梁式桁架由纵向弦杆、横向弦杆、竖腹杆、横向斜腹杆、纵向斜腹杆与气囊梁组成。其中，气囊梁由椭球状气囊、气囊上弧梁、气囊下弧梁、气囊套箍、上弧梁撑杆与下弧梁撑杆组成。椭球状气囊内充入一定压力的气压后，整个气囊梁式桁架在水中既可承受外载又可提供浮力。大量气囊梁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，形成一种质轻、高强、建造方便、规模扩展便捷、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梁式桁架，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、生产加工与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足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，开发出了较多的轻型浮体结构。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，但是却忽略了桁架中杆件不能受弯的这一基本力学概念，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，大直径的刚性壳体将会增加施工建造的难度，且壳体的稳定性能也不能很好地满足，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，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、壁厚也要增大，极易出现节点直径超过构件有效长度的不现实情况。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、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梁式桁架，通过气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)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。通过椭球状气囊(6)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，气囊梁式桁架与传统空间立体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梁式桁架。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。此外通过对椭球状气囊(6)的布置数量来调整整个结构的浮力。
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梁式桁架，由气囊梁代替空间立体桁架中n榀纵向平面桁架中的腹杆层所形成。整个气囊梁式桁架中可包含1～3个气囊梁。
上述的气囊梁式桁架中，由纵向弦杆(1)、纵向斜腹杆(3)、竖腹杆(5)形成的纵向平面桁架和由横向弦杆(2)、横向斜腹杆(4)与竖腹杆(5)形成的横向平面桁架通过正交正放的形式构成气囊梁式桁架的骨架。
上述的气囊梁式桁架，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。
上述的气囊梁式桁架，其中，竖腹杆(5)在纵向弦杆(1)的位置处间断，间断的竖腹杆(5)分别与上下两端的纵向弦杆(1)通过相贯节点连接，竖腹杆(5)可将多个弦杆层连成整体共同受力。
上述的气囊梁式桁架，其中，横向斜腹杆(4)在横向弦杆(2)与竖腹杆(5)形成的相贯节点处间断，其两端分别与上下两根横向弦杆(2)以及左右两根竖腹杆(5)通过相贯节点相连。横向斜腹杆(4)与竖腹杆(5)形成横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。
上述的气囊梁式桁架，其中，纵向斜腹杆(3)在纵向弦杆(1)与竖腹杆(5)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(5)通过相贯节点相连。纵向斜腹杆(3)与竖腹杆(5)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。在布置气囊梁的位置处，纵向斜腹杆(3)与竖腹杆(5)形成的腹杆层被气囊梁代替。
上述的气囊梁式桁架，其中，气囊梁由椭球状气囊(6)、气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)、上弧梁撑杆(9)、下弧梁撑杆(10)与气囊套箍(11)构成。
上述的气囊梁式桁架，其中，椭球状气囊(6)为中间大两头小的椭球状，气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)与气囊套箍(11)的形状与椭球状气囊(6)完全一致。椭球状有助于气囊在受到纵向荷载后仍可牢固地卡在气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)与气囊套箍(11)形成的囊腔内；同时中间大两头小的椭球状气囊梁也符合船梁单元跨中弯矩大两端弯矩小的特点，受力更加合理。
上述的气囊梁式桁架，其中，气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)通过气囊套箍(11)以相贯节点连接形成整个气囊梁的框架，为椭球状气囊(6)形成形状大小匹配的囊腔。固定于囊腔内的椭球状气囊(6)充气后除了为结构提供浮力外，也起到连接气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)的作用，保证其共同受力。
上述的气囊梁式桁架，其中，气囊套箍(11)与气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)的侧壁相连；气囊套箍(11)在平面上位于相邻两榀横向平面桁架中点的位置上；气囊套箍(11)限制了椭球状气囊(6)的侧向变形与位移，保证了椭球状气囊(6)可以在原位安全工作。
上述的气囊梁式桁架，其中，气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)的引入避免了桁架中杆件承受轴线外荷载的可能，上弧梁撑杆(9)与下弧梁撑杆(10)将气囊梁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。
上述的气囊梁式桁架，气囊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。
上述的气囊梁式桁架，其中，椭球状气囊(6)沿整个气囊梁的方向设置气室分割装置，将气囊分割成多个独立的气室，各个气室单独设置气体灌注口，以降低气囊局部破损时对整个结构的影响。
上述的气囊梁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。
上述的气囊梁式桁架宜布置在水面之下一定的深度，以降低其对波浪运动的阻挡，提高结构的耐波性能；气囊梁式桁架不能密布于水线的位置处，以免形成较大的水线面降低结构的耐波性能。
上述的气囊梁式桁架，其中，椭球状气囊(6)的内部气压qn可随气囊水深处的外部水压力qw大小调节确定，始终保持气囊内外压力差最小(即：min|qn-qw|)，使气囊产生的自应力最小，这样即可有效避免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。
上述的气囊梁式桁架，其中，上弧梁撑杆(9)与下弧梁撑杆(10)的高低由桁架弦杆与气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)之间的距离决定，其位置位于横向平面桁架竖腹杆(5)对应的位置处。
本发明提供了一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，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。
整个气囊梁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，气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)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，使桁架结构受力性能好的优点也得到了继承。椭球状气囊(6)的引入使构造出的气囊梁更加符合船梁的受力特点，从而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点所在。此外，由气囊梁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为图1c中A-A剖切视图。
图2a为本发明中气囊梁的三维图。
图2b为本发明中气囊梁的侧视图。
图2c为本发明中气囊梁的俯视图。
图2d为本发明中气囊梁的装配部件拆分三维图。
图3为本发明组成的一种三层桁架式大型海洋平台示意图。
图4为本发明组成的一种四层桁架式大型海洋平台示意图。
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梁式桁架，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、梁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梁式桁架，是由气囊梁代替传统空间桁架中n(n＝1～3)榀纵向平面桁架中腹杆层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5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。横向斜腹杆4直接连接于两端由纵向弦杆1、横向弦杆2与竖腹杆5形成的相贯节点上；横向斜腹杆4与竖腹杆5形成了横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，纵向斜腹杆3直接连接于两端由纵向弦杆1与竖腹杆5形成的相贯节点上；纵向斜腹杆3与竖腹杆5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；在布置气囊梁的位置处，纵向斜腹杆3与竖腹杆5形成的腹杆层被气囊梁代替。
如图2a、2b、2c与2d所示，气囊上弧梁7与气囊下弧梁8通过气囊套箍11连接形成整个气囊梁的框架，为椭球状气囊6形成形状与大小都匹配的囊腔。气囊套箍11在平面上位于相邻两榀横向平面桁架中点的位置上。
如图2a、2b、2c与2d所示，椭球状气囊6为中间大两头小的椭球状，气囊上弧梁7、气囊下弧梁8与气囊套箍11的形状与椭球状气囊6完全一致。椭球状有助于气囊在受到纵向荷载后仍可安全地在气囊上弧梁7、气囊下弧梁8与气囊套箍11形成的囊腔内工作；同时中间大两头小的椭球状气囊梁也符合船梁单元跨中弯矩大两端弯矩小的特点，受力性能好。
如图2a、2b、2c与2d所示，上弧梁撑杆9与下弧梁撑杆10将气囊上弧梁7和气囊下弧梁8与桁架纵向弦杆1连接在一起共同受力，使椭球状气囊6产生的浮力通过气囊上弧梁7和气囊下弧梁8以轴力的形式传给上弧梁撑杆9与下弧梁撑杆10，然后再传递给整个桁架结构。
如图3所示，为气囊梁式桁架组成的三层大型海洋平台结构，部分气囊梁式桁架位于水面之下为结构提供浮力，部分气囊梁式桁架布置于水线附近为结构提供浮力储备；张力腿12布置于浮体结构的周边，张力腿12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4所示，为气囊梁式桁架与空间立体桁架组成的四层大型海洋平台结构，全部位于水面之下的气囊梁式桁架为结构提供浮力，张力腿12布置于浮体结构的周边，张力腿12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3与图4所示，位于空间立体桁架中间一榀位置上的竖腹杆5与纵向斜腹杆3，被气囊梁代替后形成了气囊梁式桁架；通过这种替代的方式，气囊梁可以替代空间立体桁架中n(n＝1,2,3)榀纵向平面桁架中的腹杆层，形成具有不同浮力大小的气囊梁式桁架。具体的替代数目n根据具体工程所要求提供的浮力大小和强度大小确定。为了结构具有足够的浮力储备，整体海洋平台结构中，气囊梁的数量不应少于由竖腹杆5与纵向斜腹杆3组成的腹杆层数量的80％。
如图3与图4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梁式桁架具有自重轻、施工便捷、耐波性能好、规模可扩展能力强等优点。
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梁式桁架，其特征在于：气囊梁式桁架是由气囊梁代替传统空间立体桁架中n榀纵向平面桁架的腹杆层后形成的一种用于大型海洋平台的浮式结构体系；气囊梁式桁架由纵向弦杆(1)、横向弦杆(2)、纵向斜腹杆(3)、横向斜腹杆(4)、竖腹杆(5)与气囊梁组成；其中气囊梁由椭球状气囊(6)、气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)、上弧梁撑杆(9)、下弧梁撑杆(10)与气囊套箍(11)组成；其中气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)通过气囊套箍(11)连接成一体，形成整个椭球状气囊(6)的囊腔；椭球状气囊(6)充入一定气压的气体后形成完整的气囊梁，为结构提供浮力并承担荷载；气囊梁通过上弧梁撑杆(9)、下弧梁撑杆(10)与桁架中的纵向弦杆(1)连接在一起，形成气囊梁式桁架；依据所需提供浮力的大小，气囊梁式桁架中可以包含1～3个气囊梁；大量的气囊梁式桁架与传统空间立体桁架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梁式桁架，其特征在于：纵向弦杆(1)、横向弦杆(2)、纵向斜腹杆(3)、横向斜腹杆(4)、竖腹杆(5)、气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)、上弧梁撑杆(9)、下弧梁撑杆(10)与气囊套箍(11)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梁式桁架，其特征在于：气囊梁位于水面之下时，椭球状气囊(6)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；椭球状气囊(6)内部设置气室分割装置形成多个独立的气室以降低局部破损对整个结构的影响。
4.根据权利要求1或3所述的用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，其特征在于：气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)与气囊套箍(11)的形状与椭球状气囊(6)完全一致，使椭球状气囊(6)、气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)在传递浮力与外载的时候能够相互协同变形共同受力；上弧梁撑杆(9)与下弧梁撑杆(10)的高低由其所在位置确定。
5.根据权利要求1所述的用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，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梁的总数量不少于直接由纵向斜腹杆(3)与竖腹杆(5)所构成的纵向腹杆层数量的80％。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Guo Jiamin Inventor after: Li Zhizhong Inventor after: Ma Guangcan Inventor after: Wen Zhijie Inventor after: Xiong Zhixin Inventor after: Wu Fan Inventor after: Guo Xiaoyang Inventor after: Zheng Taoqing Inventor after: Wu Xiangqian Inventor after: Hou Yongli Inventor before: Guo Jiamin Inventor before: Hou Yongli Inventor before: Li Zhizhong Inventor before: Xiong Zhixin Inventor before: Zheng Taoqing |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170125 Termination date: 20220120 |