CN104912047B - 自复位导管架海洋平台及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程中的结构工程领域，为了解决原有海洋平台抗震性能不佳的问题，本发明提供一种刚度大、强度高、施工便捷、抗振效果好、耐久性高的自复位导管架海洋平台及其制作方法。本发明的一种自复位导管架海洋平台，由平台架和平台构成，平台安装在平台架上，平台导管之间设有若干根平台横撑和平台斜撑，所述平台导管的外钢管、内钢管、波纹管由外到内套设且同轴，外钢管与内钢管之间、内钢管与波纹管之间均设有夹层混凝土，定位栓钉设置在外钢管上，其与内钢管可活动连接，预应力内置钢拉杆设置在波纹管内部，加劲肋固定连接在外钢管的外侧，平台导管的顶端固定设有法兰盘，法兰盘上端连接平台或续接一根平台导管。

Description

自复位导管架海洋平台及其制作方法

技术领域

本发明属于土木工程中的结构工程领域，特别涉及一种自复位导管架海洋平台及其制作方法。

背景技术

我国海域有着丰富的油气资源。随着经济建设对能源的需求不但加大，海洋油气勘探开发具有良好的发展前景和巨大的发展潜力。海洋平台作为海洋资源开发的基础设施，导管式海洋平台是中浅海海洋平台的主要结构形式。它采用将桩穿过导管腿使预制的导管架固定在海上，导管架和桩是主要的承重部件，其它设备层及工作区则坐落在平台上。在风、浪、流、冰和地震等海洋环境动力荷载作用下，结构的振动反应十分剧烈。

传统的抗振方法主要是通过提高结构构件强度和刚度来减少结构振动，但通过这种方法来抵抗结构振动时，结构的舒适度通常不能满足要求。近些年提出的土木工程结构耗能减振体系和基底隔震体系虽然可以有效减轻结构的振动反应但也存在一定的问题。

在现已知的可行技术方案中，针对导管式海洋平台结构的振动控制，一方面，主要是采用隔振措施或者采用各种阻尼器进行抗振，但隔振措施虽然能较好地控制导管架端帽位移和生活区加速度，却不适合海啸、飓风等荷载，容易倾覆。专利号CN1414183A虽然考虑到普通隔震层会产生不可接受的过大位移，设置了限位器，将局部阻尼转化为整体结构的阻尼，从而减轻结构整体振动反应。但导管架海洋平台结构刚度较大、位移较小，位移相关型耗能器并不能发挥太大作用。同样道理，对于速度相关型耗能器，也发挥空间也不太大。另一方面，在海洋平台外部添加阻尼器，来实现对海洋平台的振动控制，如专利号CN103572853A减振系统可使导管架式海洋平台结构整体抵御外部荷载的能力增加，如冰荷载、浪荷载、风荷载、地震荷载，甚至是海啸。但结构阻尼器采用记忆合金阻尼器造价较高。同时，专利号CN 103195040 A提到通过组合结构来减小钢管支架接触面积可以减小振动。然而单纯通过在中空夹层钢管内浇筑混凝土来提高强度和刚度的效果较为明显，但对改善结构的抗振性效果不大。

在以往的海洋平台振动控制研究中，往往很少考虑结构的复位功能，所以导致结构在遭受极端荷载后不能复位，不能投入使用，而导致巨大的经济损失。因此急需一种技术方案来解决这一技术缺陷。

发明内容

本发明旨在提供一种刚度大、强度高、施工便捷、抗振效果好、耐久性高的自复位导管架海洋平台及其制作方法。

为了达到上述目的，本发明的一种自复位导管架海洋平台，由平台架和平台构成，平台安装在平台架上，所述平台架由平台导管、平台横撑、平台斜撑、预应力外置钢拉杆构成，平台导管在竖直方向上设置，平台导管之间设有若干根平台横撑和平台斜撑，平台导管的顶端连接平台处为海洋平台上下连接部，平台导管的底端固定连接在海底，平台内部设有若干根平台横撑和平台斜撑，平台外设有多根预应力外置钢拉杆，所述平台导管包括外钢管、内钢管、波纹管、夹层混凝土、预应力内置钢拉杆、定位栓钉和加劲肋，其中外钢管、内钢管、波纹管由外到内套设且同轴，外钢管与内钢管之间、内钢管与波纹管之间均设有夹层混凝土，定位栓钉设置在外钢管上，其与内钢管可活动连接，预应力内置钢拉杆设置在波纹管内部，加劲肋固定连接在外钢管的外侧，平台导管的顶端固定设有法兰盘，法兰盘上端连接平台或续接一根平台导管。

平台导管与平台之间包括法兰盘连接或变直径连接。

本发明的重点是在于提供了一种平台导管及其制作方法，结合平台导管，其内部设置的预应力内置钢拉杆和平台架外部设置的预应力外置钢拉杆配合使用更好的起到了自复位的功能，其次，平台导管的内部填充混凝土，增强了钢结构的抗震能力。所述三管同轴为外钢管、内钢管和波纹管三管轴线相同，主要通过设置定位栓钉来实现；所述限位栓钉主要指在外钢管和内钢管上等间距设置的等长栓钉；所述夹层混凝土是指内外钢管间和内钢管与波纹管间填充的夹层混凝土；所述平台导管需要根据抗弯、抗剪要求在外钢管上焊接加劲肋和法兰；由于钢管对核心混凝土套箍的约束作用，核心混凝土除承受纵向压力外，还受到钢管的侧向约束，处于三向受压的应力状态，从而使核心混凝土具有更高的轴向抗压强度和压缩变形能力。钢管借助内填混凝上的支撑作用，增强了其几何稳定性，改变了空钢管的失稳状态，并延缓钢管过早地发生局部屈曲，从而提高了钢管的承载能力，与普通平台导管相比，具有更优越的力学性能。理论分析和工程实践都表明，钢管混凝土与结构钢相比，在保持自重相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50％，焊接工作量可大幅度减小。

还包括预应力钢锚具，预应力外置钢拉杆及预应力内置钢拉杆通过预应力钢锚具固定连接在海底。

平台导管为3-8根。

定位栓钉设置在外钢管的两端内侧，定位栓钉设置在内钢管和波纹管之间。

预应力外置钢拉杆在连接平台的连接点为单根或双根设置。

所述变直径连接为内钢管的上端面为高出外钢管上端面。

所述变直径连接为内钢管的上端为变直径内钢管，其直径小于内钢管的直径。

外钢管、内钢管、波纹管的截面为圆形或矩形，外钢管材料为不锈钢，内钢管、波纹管材料为不锈钢、普通钢材或高强钢材。所述外钢管材料为不锈钢，内钢管材料为普通钢材、高强钢材或不锈钢；外钢管采用不锈钢能够有效地提高结构的耐久性、节省维护费用。同时具相关研究表明：不锈钢钢管混凝土相较于普通钢管混凝土在受荷后期具有更强的对核心混凝土的约束能力。

所述夹层混凝土材料为自密实高强混凝土、自密实高强再生混凝土，自密实混凝土具有较好的流动性、均匀性和稳定性，能够有效地保证混凝土的填充效果和密实度。

所述平台连接方式-法兰连接为：所述法兰内侧与内钢管、外钢管分别进行焊接；所述法兰外侧需根据要求同外钢管上的加劲肋进行焊接；所述平台架和平台间法兰盘通过高强螺栓进行连接；所述螺栓为高强螺栓；所述法兰盘材料为高强钢材或不锈钢。

所述平台连接方式-承插连接为：所述承插连接为平台架内管外伸部分插入平台内管；所述平台内管外伸部分为内钢管接近平台架与平台相连接部分口径逐渐缩小，但缩小范围不得影响混凝土浇筑，且平台架内钢管高出外钢管一段距离。所述平台和平台架外钢管直径相同，平台架外钢管和平台外钢管间的连接通过焊接实现。

所述预应力钢锚具包括单孔锚具、扁锚或群锚。

一种制作自复位导管架海洋平台的方法，包括以下步骤：

第一步，平台导管的制作：在空心外钢管内插入内钢管，浇筑内外钢管夹层混凝土，外钢管上焊接加劲肋，混凝土强度满足要求后，将法兰盘同内外钢管、加劲肋进行焊接。

第二步：平台工厂预制完成后，通过驳运或者浮运到海上施工现场，就位后将钢桩及平台导管打入海底。

与普通海洋平台不同的是，自复位导管架海洋平台的钢桩底端预留有预应力钢锚具，便于便于预应力内置钢拉杆和预应力外置钢拉杆进行张拉。

第三步：进行平台架的最终调平，调平完成后在内钢管中安装波纹管，并进行灌浆。

第四步：灌浆完成后，进行预应力外置钢拉杆和预应力内置钢拉杆的张拉和平台架端帽法兰盘的固定。

本发明的有益效果为：

(1)和目前常用的海洋平台相比，本平台最大的特点是在海洋平台结构外部和内部加入了预应力外置钢拉杆。本发明提出的的导管架可以按照普通导管架安装工艺流程进行，仅是在桩顶预留有预应力外置钢拉杆预埋件便于预应力外置钢拉杆张拉，在导管架最终调平后增加安装波纹管，在灌浆之后增加预应力外置钢拉杆张拉与导管架端帽法兰盘固定，之后按正常程序安装即可。本发明的安装同普通钢质导管架的安装程序相似，仅多了预应力外置钢拉杆的固定与张拉，不会增加施工难度。但由于增加了预应力外置钢拉杆，对结构的减振、鲁棒性及复位功能等方面都有很大提高。

(2)该海洋平台采用的平台导管采用管中管钢管混凝土，其主要特点为导管架截面小、刚度大、强度高。施工时，海洋平台可以先在陆上用钢管焊成一个锥台形空间框架，然后驳运或者浮运至海上施工现场，就位后将钢桩从导管内打入海底灌浆，再在顶部安装加工而成；也可以制作仅带外钢管的导管架，用内钢管当桩基，在海上浇筑夹层混凝土。采用管中管钢管混凝土能有效地缩小截面，减小结构与冰、浪、流的接触面积，从而减小冰力、洋流阻力，有利于减振。同时管中管钢管混凝土施工简单、经济性好。

(3)由于夹层混凝土给外钢管提供了支撑作用，钢管的局部屈曲性能得到有效改善，减少由于局部区区导致的结构整体倒塌，平台的安全性得到提高。

(4)由于外管采用不锈钢管，对提高结构耐久性、节省结构维护费用方面具有重大意义。

附图说明

图1(a)为本发明实施例1平台的一点单拉杆整体示意图；

图1(b)为本发明实施例2平台的一点双拉杆整体示意图；

图2为本发明实施例的平台导管示意图；

图3为图2平台导管的剖面结构示意图；

图4为图1A-A截面示意图；

图5为本发明预应力外置、内置钢拉杆结构示意图；

图6为图3的导管C-C截面示意图；

图7为图6平台导管的定位栓钉结构示意图；

图8为本发明实施例1平台导管架俯视图；

图9为本发明实施例1平台导管架法兰盘连接方式；

图10为本发明实施例1平台连接法兰；

图11为本发明实施例1平台与平台导管架法兰连接；

图12为本发明实施例2平台导管；

图13为本发明实施例2平台导管；

图14为本发明实施例2平台与导管架承插连接；

图15为图14中具体实施方式2D-D截面示意图；

图16为本发明实施例1和2钢锚具示意图；

图17(a)为四肢情况下的图1(a)B-B截面示意图。

图17(b)为四肢情况下的图1(b)B-B截面示意图

1平台架；2平台；3平台导管；4平台横撑；5平台斜撑；6海洋平台上下连接部；7预应力外置钢拉杆；8预应力钢锚具；

301外钢管；302内钢管；303波纹管；304夹层混凝土；305预应力内置钢拉杆；306定位栓钉；307加劲肋；308法兰盘；309法兰盘螺钉；3010变直径内钢管；3011焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，一种自复位导管架海洋平台，由平台架1和平台2构成，平台2安装在平台架1上，所述平台架1由平台导管3、平台横撑4、平台斜撑5、预应力外置钢拉杆7构成，平台导管3在竖直方向上设置，平台导管3之间设有若干根平台横撑4和平台斜撑5，平台导管3的顶端连接平台2处为海洋平台上下连接部6，平台导管3的底端固定连接在海底，平台2内部设有若干根平台横撑4和平台斜撑5，平台2外设有多根预应力外置钢拉杆7，如图2、图3、图4、图6所示，所述平台导管3包括外钢管301、内钢管302、波纹管303、夹层混凝土304、预应力内置钢拉杆305、定位栓钉306和加劲肋307，外钢管301、内钢管302、波纹管303由外到内套设且同轴，外钢管301与内钢管302之间、内钢管302与波纹管303之间均设有夹层混凝土304，定位栓钉306设置在外钢管301上，其与内钢管302可活动连接，预应力内置钢拉杆305设置在波纹管303内部，如图8所示，加劲肋307固定连接在外钢管301的外侧，如图9和图10所示，平台导管3的顶端固定设有法兰盘308，法兰盘308上端连接平台2或如图11所示续接一根平台导管3。

还包括预应力钢锚具8，预应力外置钢拉杆7及预应力内置钢拉杆305通过预应力钢锚具8固定连接在海底。

平台导管3为3～8根。

定位栓钉306设置在外钢管301的两端内侧，定位栓钉306设置在内钢管302和波纹管303之间。

预应力外置钢拉杆7在连接平台2的连接点为单根或双根设置。

如图12所示，所述内钢管302的上端面为高出外钢管301上端面，外钢管301外侧在两根平台导管连接以后采用焊接方式连接，并形成焊缝3011。

如图13、14、15所示，所述内钢管302的上端为变直径内钢管3010，其直径小于内钢管302的直径。

外钢管301、内钢管302、波纹管303的截面为圆形或矩形，外钢管301材料为不锈钢，内钢管302、波纹管303材料为不锈钢、普通钢材或高强钢材。

所述预应力钢锚具8包括单孔锚具、扁锚或群锚。如图16所示，单孔锚具。

一种制作自复位导管架海洋平台的方法，包括以下步骤：

第一步，平台导管的制作：在空心外钢管301内插入内钢管302，浇筑内外钢管夹层混凝土304，外钢管301上焊接加劲肋307，混凝土强度满足要求后，将法兰盘308同内外钢管、加劲肋307进行焊接。

第二步：平台2工厂预制完成后，通过驳运或者浮运到海上施工现场，就位后将钢桩及平台导管3打入海底。

与普通海洋平台不同的是，自复位导管架海洋平台的钢桩底端预留有预应力钢锚具8，便于内置和外置预应力外置钢拉杆进行张拉。

第三步：进行平台架1的最终调平，调平完成后在内钢管302中安装波纹管303，并进行灌浆。

第四步：灌浆完成后，进行预应力外置钢拉杆(7)和预应力内置钢拉杆(305)的张拉和平台架端帽法兰盘的固定。

实施例1

如图17a所示，预应力外置钢拉杆7在连接平台2的连接点为单根。

本实施方案由两部分组成，如图1所示，海洋平台架1和海洋平台2相连接构成。海洋平台架1主要包括海洋平台导管3、海洋平台横撑4、海洋平台斜撑5和预应力外置钢拉杆7。

所述海洋平台导管3，如图2～10所示，内钢管置于外钢管内并与外钢管301同轴。内钢管302与外钢管301之间夹层内填充夹层混凝土304。内外钢管的位置主要是通过焊接在外钢管301上的定位栓钉306来保证同轴。为保证海洋平台能成为高防灾减灾性能结构体系，在平台导管3中心加预应力外置钢拉杆305，钢管外设置预应力外置钢拉杆7。当结构在荷载作用下，能够限制结构位移，防止结构倾覆，同时使结构可复位。波纹管303与内钢管302、外钢管301三管同轴。波纹管303与内钢管302之间夹层内填充夹层混凝土304。为了方便海洋平台2与海洋平台导管架1的连接，可采用法兰盘连接，即在海洋平台导管3上焊接加劲肋307和法兰盘308，加劲肋307与法兰盘308也进行焊接。

优选地，应尽可能地使平台导管3具有更大的刚度；外管301具有较好的抗腐蚀能力，较优采用不锈钢钢管。

优选地，应尽可能地使混凝土具有良好的流动性、密实度和均质性，应使用自密实高强混凝土或者为自密实高强再生混凝土。内钢管302、外钢管301及内外钢管间的夹层内填充夹层混凝土304工厂预制。

所述海洋平台上下连接部6，如图8～11所示，法兰盘308内边缘与内钢管302、外钢管301进行焊接，法兰盘308外边缘同加劲肋进行焊接。海洋平台导管架1的平台导管3上部分与海洋平台2导管下部分均焊接法兰盘308，两法兰盘通过高强螺栓进行连接。

本实施方法的制作包含如下步骤：

步骤S1：不锈钢管中管钢管混凝土钢组合自复位导管架海洋平台制作

在空心外钢管301内插入内钢管302，浇筑内外钢管夹层混凝土304。外钢管301上焊接加劲肋307，混凝土强度满足要求后，将法兰盘308同内外钢管、加劲肋进行焊接。

步骤S2：海洋平台工厂预制完成后，通过驳运或者浮运到海上施工现场，就位后将钢桩从导管内打入海底。

与普通海洋平台不同的是，不锈钢管中管钢管混凝土钢组合自复位导管架海洋平台的桩顶预留有预应力外置钢拉杆预埋件8便于预应力外置钢拉杆进行张拉。

步骤S3：进行导管架的最终调平，调平完成后安装波纹管，并进行灌浆。

步骤S4：灌浆完成后，进行预应力外置钢拉杆(7)和预应力内置钢拉杆(305)的张拉和平台架端帽法兰盘的固定

预应力外置钢拉杆的张拉包括预应力内置钢拉杆305和预应力外置钢拉杆7的张拉。预应力外置钢拉杆7布杆方式共有两种，如图1(a)一点单拉杆布杆方式和图1(b)一点双拉杆布杆方式。

实施例2

如图17b所示，预应力外置钢拉杆7在连接平台2的连接点为双根。本实施方案同实施1相同均是由两部分组成，海洋平台架1和海洋平台2相连接构成。海洋平台架1主要包括海洋平台导管3、海洋平台横撑4和海洋平台斜撑5。

实施例2所述海洋平台导管3，如图12～15所示，基本同方案一海洋平台导管相似。不同之处在于，海洋平台架1中导管的变直径内钢管3010在外钢杆301同海洋平台2相连接处开始进行变截面，钢管直径进行适当缩小，以方便平台2的内钢管302插入。变直径内钢管3010高出外钢管301的长度需经过计算进行确定。实施例2中的外钢管上不再焊接加劲肋307和法兰盘308。夹层混凝土304均进行现场浇筑。

实施例2所述海洋平台上下连接部6及外钢管301，如图14所示，采用焊接。

本实施方法的制作包含如下步骤：

步骤S1：不锈钢管中管钢管混凝土钢组合自复位导管架海洋平台制作

实施例2所述海洋平台内钢管采用变截面钢管，内钢管在外钢管截面处来开始进行变截面处理，并高出外截面一定高度。

步骤S2：海洋平台工厂预制完成后，通过驳运或者浮运到海上施工现场，就位后将钢桩从导管内打入海底。

步骤S3：进行导管架的最终调平，调平完成后安装波纹管，将海洋平台2插入海洋平台导管架内，并进行灌浆。

步骤S4：灌浆完成后，进行预应力外置钢拉杆(7)和预应力内置钢拉杆(305)的张拉和海洋平台外导管与海洋平台导管架连接处焊缝的施工。

结构按照图1(a)和(b)方式进行布杆，组装完成后进行结构在地震作用和冰荷载作用下的性能分析，结果如下所示：

天津波作用：

表1天津波作用下各节点的最大位移(m)

表2天津波作用下各节点的最大加速度(m/s²)

表中括号内各数值为减振效果＝(原结构反应－加拉杆后结构反应)/原结构反应；

由表1、表2可以看出，在天津波作用下，施加预应力后，各节点的动力反应逐步降低，说明新的结构体系对天津波起到了很好的控制作用，减震效果比较理想。

挤压冰作用：

表3挤压冰作用下各节点的最大位移(m)

表4挤压冰作用下各节点的最大加速度(m/s²)

表中括号内各数值为减振效果＝(原结构反应－加拉杆后结构反应)/原结构反应；

由表3、表4可以看出，在挤压冰作用下，施加预应力后，各节点的动力反应逐步降低，甚至加速度反应可以降低50％以上。说明新的结构体系对挤压冰也能起到了很好的控制作用，减震效果比较理想。

Claims (10)

1.一种自复位导管架海洋平台，由平台架(1)和平台(2)构成，平台(2)安装在平台架(1)上，所述平台架(1)由平台导管(3)、平台横撑(4)、平台斜撑(5)、预应力外置钢拉杆(7)构成，平台导管(3)在竖直方向上设置，平台导管(3)之间设有若干根平台横撑(4)和平台斜撑(5)，平台导管(3)的顶端连接平台(2)处为海洋平台上下连接部(6)，平台导管(3)的底端固定连接在海底，平台(2)内部设有若干根平台横撑(4)和平台斜撑(5)，平台(2)外设有多根预应力外置钢拉杆(7)，其特征在于：所述平台导管(3)包括外钢管(301)、内钢管(302)、波纹管(303)、夹层混凝土(304)、预应力内置钢拉杆(305)、定位栓钉(306)和加劲肋(307)，外钢管(301)、内钢管(302)、波纹管(303)由外到内套设且同轴，外钢管(301)与内钢管(302)之间、内钢管(302)与波纹管(303)之间均设有夹层混凝土(304)，定位栓钉(306)设置在外钢管(301)上，其与内钢管(302)可活动连接，预应力内置钢拉杆(305)设置在波纹管(303)内部。

2.根据权利要求1所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：平台导管(3)与平台(2)之间包括法兰盘连接或变直径连接。

3.根据权利要求2所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：平台导管(3)与平台(2)之间为法兰盘连接，加劲肋(307)固定连接在外钢管(301)的外侧，平台导管(3)的顶端固定设有法兰盘(308)，法兰盘(308)上端连接平台(2)或续接一根平台导管(3)。

4.根据权利要求1所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：还包括预应力钢锚具(8)，预应力外置钢拉杆(7)及预应力内置钢拉杆(305)通过预应力钢锚具(8)固定连接在海底。

5.根据权利要求1所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：定位栓钉(306)设置在外钢管(301)的两端内侧，定位栓钉(306)设置在内钢管(302)和波纹管(303)之间。

6.根据权利要求1所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：预应力外置钢拉杆(7)在连接平台(2)的连接点为单根或双根设置。

7.根据权利要求2所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：所述变直径连接为内钢管(302)的上端面高出外钢管(301)上端面。

8.根据权利要求7所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：所述变直径连接为内钢管(302)的上端为变径部分(3010)，其直径小于内钢管(302)的直径。

9.根据权利要求1所述的自复位导管架海洋平台，其特征在于：外钢管(301)、内钢管(302)、波纹管(303)的截面为圆形或矩形，外钢管(301)材料为不锈钢，内钢管(302)、波纹管(303)材料为不锈钢、普通钢材或高强钢材。

10.一种制作自复位导管架海洋平台的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，平台导管(3)的制作：在空心外钢管(301)内插入内钢管(302)，浇筑内外钢管夹层混凝土(304)，外钢管(301)上焊接加劲肋(307)，混凝土强度满足要求后，将法兰盘(308)同内外钢管、加劲肋(307)进行焊接；

第二步：平台(2)工厂预制完成后，通过驳运或者浮运到海上施工现场，就位后将钢桩及平台导管(3)打入海底；

与普通海洋平台不同的是，自复位导管架海洋平台的钢桩底端预留有预应力钢锚具(8)，便于预应力内置钢拉杆和预应力外置钢拉杆进行张拉；

第三步：进行平台架(1)的最终调平，调平完成后在内钢管(302)中安装波纹管(303)，并进行灌浆；

第四步：灌浆完成后，进行预应力外置钢拉杆(7)和预应力内置钢拉杆(305)的张拉和平台架端帽法兰盘的固定。