CN106096288A - 吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法。通过测量板锚安装和工作状态下船体的运动位移和速度，实时计算出海床内部板锚的运动，包括板锚的位移和转角。根据板锚的初始埋入深度，判断板锚所在深度和角度的土体承载力，根据承载力实现动态评估板锚的安全。本发明测量方法简单，仅需测量船体运动，预测过程同时考虑了船体、锚链、锚体和土体的影响，且能提供实时预测，便于海洋工程现场及时采取相应安全措施，确保平台和人员的安全。

Description

吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法

技术领域

本发明属于海洋工程应用领域，涉及一种吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，适用于吸力式贯入板锚，也可用于拖曳锚等其他板锚的锚泊系统分析。

背景技术

为了应对海洋工程，尤其是深海锚泊系统的需要，近年来，一种新型的深海锚泊基础型式—吸力式贯入板锚(Suction Embedded Plate Anchor,SEPLA)被提出。其兼具具有吸力锚和板锚的优点。

目前，由于吸力式贯入板锚的特殊性，其安装后和工作中，板锚的位置预测非常困难。因为涉及到水面的船体运动，锚链的荷载传递，板锚的运动和海床土体的影响。目前的研究大多局限于不考虑水中的锚链和水面的船体对板锚的位置进行分析，预测结果对工程的指导意义非常有限。

目前，还没有一种实时动态的有效方法，对深海中的板锚安全性进行评估和预警。尤其是在风浪条件比较恶劣的环境中，锚泊系统失效频发，由于不能及时预警，造成了大量减少人员和财产的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，为此，本发明提供以下技术方案：

吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，包括以下步骤：

步骤一：确定锚泊系统的初始形态：将锚链分为土中段，土上段和水中段三个部分，分别按照不同的锚链的受力特性，根据静力计算得到锚链的初始形态；

步骤二：确定板锚安装后的位置和角度：根据顶部船体的运动，将运动传递至锚链，然后逐渐传递至土中的板锚，带动板锚运动，板锚运动通过荷载包络面与当前荷载关系控制，建立板锚安装过程运动路径计算的模型，得到板锚安装稳定后的角度和埋深参数；

步骤三：实时监测板锚的运动：监测工作状态下海洋平台的运动，得到平台的时域位移图谱,所述时域位移图谱即为平台运动的轨迹路线，时域位移通过步骤二的计算模型锚链传递给土中的板锚，带动板锚运动，实时计算板锚的位置和运动速度，得到板锚的运动路径，从而计算得到板锚所处深度和位置的土体承载力，实时跟新当前板锚的安全系数，如果安全系数低于设计值，则发出预警。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

锚链的土中段的初始形态建立如下：迭代计算出锚链的初始形态，建立土中段锚链的局部坐标系x-y每一段锚链的倾角计算为：

$\mathrm{\θ}=atan\left(\frac{T_y}{T_x}\right)$

其中T_x和T_y是锚链拉力的水平和竖向分量：

T_(i+1)x＝T_ix+F_{soil_x}+Q_{soil_x}

T_(i+1)y＝T_iy+F_{soil_y}+Q_{soil_y}；

锚链的水面到土中初始形态建立如下：包括土中段及土上段，其中土中段的锚链采用土中段的初始形态的计算结果，土上段的锚链直接简化为水平段，二水中的锚链，采用悬链线方程计算得到。

步骤二中，通过包络面判断土体传递给板锚的荷载(O’Neill,M.P.,Bransby,M.F.,Randolph,M.F.,2003.Drag anchor fluke soil interaction in clays.CanadianGeotechnical Journal 40.1(2003):78-94)):

$f={\left(\frac{F_n}{F_{nmax}}\right)}^q+{\[\left(\frac{M}{M_{max}}\right)+{\left(\frac{F_s}{F_{smax}}\right)}^n\]}^{\frac{1}{p}}-1=0$

其中F_nmax和F_smax是法向和切向单位宽度的极限荷载，M_max是围绕板锚中心的极限弯矩:

$F_{nmax}={\mathrm{Ls}}_u\[3\mathrm{\π}+2+2\frac{t}{L}(\mathrm{\α}+\frac{1+\mathrm{\α}}{\sqrt{2}})\];$

$F_{smax}\≈{\mathrm{Ls}}_u(2\mathrm{\α}+15\frac{t}{L});$

$M_{max}=\frac{\mathrm{\π}}{2}{L}^2{s}_u\[1+{\left(\frac{t}{L}\right)}^2\];$

当板锚受到的荷载位于包络面内，则锚停止运动，如果位于包络面外，板锚则运动。

步骤三中，实时计算板锚的位置和运动速度通过建立船体运动、锚链和锚体运动的模型得到，将锚链划分为多个微小长度的单元，采用向量式有限元求解，得到每一个微小时刻dt内的锚链节点的内力、位移和外力。

由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果为：本发明能够针对吸力式贯入板锚实时预警，其可以提高锚泊系统中板锚运动轨迹预测的准确性，使海底平台的锚泊安全性得到实时监控，从而减少人员和财产的损失，提高海洋工程作业的安全性。

附图说明

图1为本发明土中段锚链初始状态迭代计算示意图。

图2为本发明锚泊系统初始形态示意图。

图3为本发明板锚受力和荷载包络面示意图。

图4为本发明荷载传递和运动计算示意图。

图5为本发明不同船体运动速度情况下的板锚运动示意图。

其中图中符号解释如下：θ—锚链单元的倾角，T—锚链的拉力，F—土体的切向抗力，Q—土体的法向抗力，p—锚链单位长度的重力，H—水深，E—锚链的弹性模量，A—锚链的截面积，D—锚链的有效直径，N—承载力系数，Su—土体抗剪强度，t—板锚的厚度，L—板锚的长度。

具体实施方式

如图所示，吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，包括以下步骤：

步骤一：确定锚泊系统的初始形态：将锚链分为土中段，土上段和水中段三个部分，分别按照不同的锚链的受力特性，根据静力计算得到锚链的初始形态。

如图1所示，锚链的土中段的初始形态建立如下：快速迭代计算出锚链的初始形态，建立土中段锚链的局部坐标系x-y每一段锚链的倾角计算为：

$\mathrm{\θ}=atan\left(\frac{T_y}{T_x}\right)$

其中T_x和T_y是锚链拉力的水平和竖向分量：

T_(i+1)x＝T_ix+F_{soil_x}+Q_{soil_x}

T_(i+1)y＝T_iy+F_{soil_y}+Q_{soil_y}；

如图2所示，锚链的水面到土中初始形态建立如下：包括土中段及土上段，其中土中段的锚链采用土中段的初始形态的计算结果，土上段的锚链直接简化为水平段，二水中的锚链，采用悬链线方程计算得到。

步骤二：确定板锚安装后的位置和角度：根据顶部船体的运动，将运动传递至锚链，然后逐渐传递至土中的板锚，带动板锚运动，板锚运动通过荷载包络面与当前荷载关系控制，建立板锚安装过程运动路径计算的模型，得到板锚安装稳定后的角度和埋深参数。

步骤二中，如图3所示，通过包络面判断土体传递给板锚的荷载(O’Neill,M.P.,Bransby,M.F.,Randolph,M.F.,2003.Drag anchor fluke soil interaction inclays.Canadian Geotechnical Journal 40.1(2003):78-94)):

$f={\left(\frac{F_n}{F_{nmax}}\right)}^q+{\[\left(\frac{M}{M_{max}}\right)+{\left(\frac{F_s}{F_{smax}}\right)}^n\]}^{\frac{1}{p}}-1=0$

其中F_nmax和F_smax是法向和切向单位宽度的极限荷载，M_max是围绕板锚中心的极限弯矩:

$F_{nmax}={\mathrm{Ls}}_u\[3\mathrm{\π}+2+2\frac{t}{L}(\mathrm{\α}+\frac{1+\mathrm{\α}}{\sqrt{2}})\];$

$F_{smax}\≈{\mathrm{LS}}_u(2\mathrm{\α}+15\frac{t}{L});$

$M_{max}=\frac{\mathrm{\π}}{2}{L}^2{s}_u\[1+{\left(\frac{t}{L}\right)}^2\];$

当板锚受到的荷载位于包络面内，则锚停止运动，如果位于包络面外，板锚则运动。

步骤三：实时监测板锚的运动：监测工作状态下海洋平台的运动，得到平台的时域位移图谱，时域位移通过步骤二的计算模型锚链传递给土中的板锚，带动板锚运动。如图4所示，实时计算板锚的位置和运动速度通过建立船体运动、锚链和锚体运动的模型得到，将锚链划分为多个微小长度的单元，采用向量式有限元求解，得到每一个微小时刻dt内的锚链节点的内力、位移和外力。

如图5所示，实时计算板锚的位置和运动速度，得到板锚的运动路径，从而计算得到板锚所处深度和位置的土体承载力，实时跟新当前板锚的安全系数，如果安全系数低于设计值，则发出预警。

Claims (4)

1.吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定锚泊系统的初始形态：将锚链分为土中段，土上段和水中段三个部分，分别按照不同的锚链的受力特性，根据静力计算得到锚链的初始形态；

步骤二：确定板锚安装后的位置和角度：根据顶部船体的运动，将运动传递至锚链，然后逐渐传递至土中的板锚，带动板锚运动，板锚运动通过荷载包络面与当前荷载关系控制，建立板锚安装过程运动路径计算的模型，得到板锚安装稳定后的角度和埋深参数；

步骤三：实时监测板锚的运动：监测工作状态下海洋平台的运动，得到平台的时域位移图谱，时域位移通过步骤二的计算模型锚链传递给土中的板锚，带动板锚运动，实时计算板锚的位置和运动速度，得到板锚的运动路径，从而计算得到板锚所处深度和位置的土体承载力，实时跟新当前板锚的安全系数，如果安全系数低于设计值，则发出预警。

2.如权利要求1所述的吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，其特征在于，锚链的土中段的初始形态建立如下：迭代计算出锚链的初始形态，建立土中段锚链的局部坐标系x-y每一段锚链的倾角计算为：

$\mathrm{\θ}=atan\left(\frac{T_y}{T_x}\right)$

其中T_x和T_y是锚链拉力的水平和竖向分量：

T_(i+1)x＝T_ix+F_{soil_x}+Q_{soil_x}

T_(i+1)y＝T_iy+F_{soil_y}+Q_{soil_y}；

锚链的水面到土中初始形态建立如下：包括土中段及土上段，其中土中段的锚链采用土中段的初始形态的计算结果，土上段的锚链直接简化为水平段；

锚链的土中段初始形态建立如下：水中段的锚链，采用悬链线方程计算得到。

3.如权利要求1所述的吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，其特征在于，步骤二中，通过包络面判断土体传递给板锚的荷载:

$f={\left(\frac{F_n}{F_{nmax}}\right)}^q+{\[\left(\frac{M}{M_{max}}\right)+{\left(\frac{F_s}{F_{smax}}\right)}^n\]}^{\frac{1}{p}}-1=0$

其中F_nmax和F_smax是法向和切向单位宽度的极限荷载，M_max是围绕板锚中心的极限弯矩:

$F_{nmax}={\mathrm{Ls}}_u\[3\mathrm{\π}+2+2\frac{t}{L}(\mathrm{\α}+\frac{1+\mathrm{\α}}{\sqrt{2}})\];$

$F_{smax}\≈{\mathrm{Ls}}_u(2\mathrm{\α}+15\frac{t}{L});$

$M_{max}=\frac{\mathrm{\π}}{2}{L}^2{s}_u\[1+{\left(\frac{t}{L}\right)}^2\];$

当板锚受到的荷载位于包络面内，则锚停止运动，如果位于包络面外，板锚则运动。

4.如权利要求1所述的吸力式贯入板锚的安全评估及预警方法，其特征在于，步骤三中，实时计算板锚的位置和运动速度通过建立船体运动、锚链和锚体运动的模型得到，将锚链划分为多个微小长度的单元，采用向量式有限元求解，得到每一个微小时刻dt内的锚链节点的内力、位移和外力。