CN106985981A - 高安全的大型水上浮式结构 - Google Patents

Abstract

公开一种高安全的大型水上浮式结构，包括上部结构、中间连接结构和下部浮体结构，下部浮体结构包括多个分散布置的浮体，且整体呈超大水线面积形态，下部浮体结构中的部分外侧浮体为类实芯浮体，中间连接结构在空间分散布置，包括与水平面相交及/或与水平面平行的连接结构，其中，与水平面相交的连接结构提供安全回复力，下部浮体结构通过中间连接结构与上部结构连接，整体呈超扁平形态。水上浮式结构具备结构完整性、抗沉性、抗倾覆能力的多重冗余机制，具备高通用性和避风暴航行能力，在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故形态条件下，具备可保证整体结构不解体、不翻沉的安全特性，可在确保浮式结构结构整体安全的同时保证其上人员的生命安全。

Description

高安全的大型水上浮式结构

技术领域

本发明涉及水上浮式结构物，特别涉及一种新式的不解体、不翻沉的高安全的大型水上浮式结构。

背景技术

所谓高安全的大型水上浮式结构，是指比常规的船舶和海洋平台具有更高的安全性，在以确保浮式结构自身结构以及其上人员生命安全的前提下，提供设备搭载能力更大、大量人员驻留、大量物资存放和作业空间更大为主要目的的浮式结构，如海上综合保障基地、远洋开发社区、海上旅游娱乐平台、海上工业中心等。

大型水上浮式结构开发面临的一个重大关键问题是，随着浮式结构尺度的增大，原本存在的“有条件的安全性能”变的更为复杂、更难预测，尤其在有大量人员驻留的条件下，一旦出现事故，后果更难以承受。

海上安全一般可分为以下两种类形或体系：1、海上结构物的结构安全，结构安全是指结构物的结构在各种外力作用下仍保持完整、坚固的能力，重点关注结构強度、抗疲劳、抗沉和稳性等；2、海上人命的安全，以保证人员生命安全为目的，重点关注分舱、稳性、机电设备、防火、逃救生和无线通讯等。

高安全的大型水上浮式结构需要解决的最重要的两个问题可以总结为：“水上浮式结构自身的安全性(结构强度、稳性等)以及水上浮式结构所搭载人员的安全性(人员生命安全的最低生存保障以及逃救生措施等)”。人们期望通过技术的进步和发展，能够实现大型浮式结构可信赖的安全预报。在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故形态条件下，结构自身以及其上人员能够确保安全，提供目前的大型水上浮式结构所无法确保的高安全性。

在现有技术中，能够在海洋环境中稳定，在风暴中生存的大型水上浮式结构之一是集中排水型船舶。它采用普通的大水线面结构，其浮力由集中的空舱提供，为了抗沉，需采用分舱措施，但由于大多数空舱同时是“功能舱”所以分舱不可能太密。其主尺度设计主要考虑适用于载重和航行，对于大型船船，型宽度通常不超过50米。而海洋环境中，有可能出现的最大波高约30米，相应的最大波长约500至600米(T≈20s)，可能出现的最大波陡约1/7。以常规大型船舶为例，最大型宽约50米，型深约60米，重心高度约35米，当船舶在风浪环境中发生动力故障，会导致失去航速和艏向控制能力，此时必然会出现橫浪状态，随之产生出现巨大的横向摇摆，可能导致出现倾覆的危险。

船舶还可能发生碰撞、触礁、搁浅、货物移位等意外事故，导致船舶倾覆或沉没，往往使船舶上的人员生命安全受到威胁。例如，2012年1月13日，“歌诗达协和号”邮轮在意大利因触礁导致倾覆，造成32人死亡。2006年2月3日，埃及“阿尔·萨勒姆·博卡西奥98号”客轮在红海水域沉没，导致190人遇难，近800人失踪。2002年9月26日，塞内加尔“乔拉号”倾覆，造成超过700人死亡。

另外，现有大型水上浮式结构还有半潜式平台，又称柱稳式平台。如美国人关于海上浮动基地在中国的发明专利，公开号为CN1269759A。其只是将常用的海上石油半潜式平台结构形式大型化。由于半潜式结构的下浮体位于距水平面一定深度以下的水中，以小水线面的浮体(因小水线面浮体的垂荡固有周期大于海洋波浪的谱峰周期，互相之间不易谐振，所以，使其具有较好耐波性和姿态稳定性)立柱向上伸出与作业面联接。其作业面位于超过适应水域最大波高的高度以上，因而使平台从浮体到作业面的整个结构高度很大，庞大而笨重，建造和使用成本很高，同时，其吃水很深，湿表面比很大。不适宜于在深度较浅的水域使用。由立柱姿态稳定的原理决定其吃水和姿态对载荷的变动非常敏感，小的载荷扰动就会引起平台明显的摇摆，小的载荷变化就会引起平台明显的沉浮或倾斜。所以必须配置复杂的压载装置以及相应的控制系统(压载舱对于半潜式平台是不可或缺的，其压载舱容量远大于最大可变作业载荷)，压载装置以及相应的控制系统的完整性及正常运行与否对平台的安全性有致命的影响。这种结构在130米尺度以下的石油行业中是可行的，当用于尺度数百米的大型浮式结构时，其效能和可靠性就很难预测，该方案至今没有付诸工程化实施。半潜式平台下浮体浮出水面时的状态重心很高，高海况下稳性要求很难满足，仅适用于低海况下的移航作业。

此外，半潜式平台的整体结构形式均是由下部浮体、中间立柱和上部结构舱室组成，其下部浮体一般设置2个，其立柱一般设置4个、6个，最多设置8个。当发生恶劣的海况条件导致局部破损或者意外的碰撞时，任意一个构件损坏，均可能会引起灾难性的后果。例如，1982年2月15日凌晨，在加拿大纽芬兰近岸油田作业的“海洋徘徊者”号钻井平台，遭遇时速高达190km/h和浪高20米的飓风，被刮翻沉没。过程中虽有数十人跃入海中逃生，但由于狂暴的飓风，又是在寒冷的冬季深夜，附近两个钻井平台和其它船只等均无能为力，这些人和留在平台上的总共84人全部遇难。1980年3月27日，“亚历山大.基兰”号钻井平台遭遇突发9级大风，6米高巨浪夹带着冰块向平台扑来，平台5根支柱中的一根发生断裂，平台在颤抖中呈40度倾斜。仅仅15分钟后，平台就沉入海底，导致123人遇难。

各类大型船舶和大型浮式结构平台的安全性之所以都是有限的(包括结构安全与人员生命安全)。主要因素之一就是因为它们的浮力是由集中的空舱提供的，一旦意外破损，就存在倾覆和沉没的风险；另外，大多数大型船舶和海洋平台的稳心高都很小，空载和满载之间的吃水变化很大，空载时吃水很浅，重心很高，稳性是无法满足规范要求的，必须要加入巨量的压载水压载才行。浮舱必须同时兼有货舱或压载水舱的功能，绝不可能采用实芯浮舱。因此，部份破舱会导致浮力丧失和稳性减损，大尺度破舱必然出现不对称的浮力丧失，导致翻沉。另外，触礁、搁浅、艏向失控、货物异常移位等意外事故均使浮式结构有倾覆和翻沉的风险。

现有技术中的船舶和半潜式平台的结构整体安全性是存在弊端的，其失效模式容易出现恶性循环的连锁反应。在极端条件下，比如碰撞、触礁、搁浅等工况，结构会出现局部破舱，进而引起浮力损失、整体结构应力场变化和姿态改变；上述改变将导致进水加剧，从而使得浮式结构整体产生更严重的进水、应力变化和更加恶劣的姿态；上述过程持续循环，最终将导致浮式结构整体倾覆、断裂、解体以至沉没。

在现有技术中，还有2004年袁晓纪先生发明的桁架式平台，提出了一种跨度大、自重小、在可作业环境中稳定、在大风浪中安全、结构及运行较简单、波浪作用力小、漂流阻力小的水上浮式结构，解决了水上浮式结构可以大型化的技术难题。其问题在于，该发明中的水上作业面与下部浮体结构刚度差距较大，使得材料的利用率较低；该发明中的中间联接杆不提供浮力，使得浮式结构的稳性，尤其是极端条件下的大倾角稳性还存在缺陷。

在现有技术中，海上人命的安全，重点关注分舱、稳性、机电设备、防火、逃救生和无线通讯等。由世界海事组织制定国际公约，由签约国海事部门制定法律、法令和规范进行监管。当海难发生后，无一例外的是难以借助原来的结构为人员提供有效的生命安全保障，只能寄希望于逃救生设备和方法，根据各类海上海难事故(碰撞、触礁、搁浅、倾覆、沉没等)的统计，其中，在成功弃船以及撤离过程中人员失踪和伤亡依然占据了较大比例，因此，技术的发展希望探索新式高安全水上浮式结构，使得即使发生海难，结构本身能够不倾覆、不沉没并且能够继续有效地为其上人员提供更多的保障最低生存条件的物资，所以人员可以无需弃船逃生，以利于固守待援。

上个世纪以来，科学技术发展迅速。在航海方面也一样，很多新技术、新设备都上了船，航海条件得到了大大的改善。船舶的各种机器、导航仪器越来越先进。按道理在这样的情况下，船舶的安全应该更有保障，但事实并非如此，随着航海条件的改善，全世界的船舶海难事故非但没有得到有效的控制，反而呈上升趋势。原因是多方面的，其中，人为因素占了很大的比例。据统计，所有的海上事故中，约80％与人为因素有重大关联，因此，技术的发展希望探索新式高安全水上浮式结构，使得浮式结构的安全性对船员、及操控的依赖较小，即使发生人为因素的操作失误和事故，也不至于造成灾难性的后果，至少还可保证不会威胁其上人员的生命安全。

概括地说，在现有技术中，大型水上浮式结构有三种典型技术候选方案。其一是采用普通的集中排水型大水线面结构，如大型船舶，其问题是存在倾覆、沉没等安全隐患。其二是采用分散排水型小水线面结构，如半潜式平台，其问题是自重大，结构和操作更复杂，成本更高，在防碰撞、破损稳性等方面安全性差。其三是采用分散排水型桁架式平台，解决了降低波浪载荷以实现浮式结构“大型化”的问题，但是没有解决极端事故条件(碰撞、触礁、搁浅等)下抗倾覆问题。由此可见，大型水上浮式结构技术的发展希望探索新型结构形式，操作简单，受人为因素干扰小，能够保证在作业工况以及各种意外因素下结构自身安全，同时能够保证事故发生后，其上人员有足够的生存保障条件。

总的来讲，以上提及的现有技术中的大型船舶、半潜式平台、桁架式平台，在满足安全规范的条件下，均仍存在着在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，结构整体倾覆、沉没以及如何确保其上人员生命安全的隐患。如何确定性地实现大型浮式结构的高安全，是一个尚未解决的世界性难题。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种高安全的大型水上浮式结构。在有效降低波浪载荷和提供非常好的耐波稳定性的同时，提高整体结构在完整性、抗沉性和抗倾覆方面的多重安全冗余，在可预见的极端自然环境条件和极端事故条件下，仍能保证水上浮式结构整体有效、不倾覆不沉没的高安全的水上浮式结构。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种高安全的大型水上浮式结构。使得浮式结构的运行和操控相对简单，人为因素导致事故的安全隐患较少，即使发生相关事故也不至于引起威胁全体人员生命安全的灾难性后果。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种高安全的大型水上浮式结构。即使在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，所搭载的人员亦可以无需弃船，依托于水上浮式结构本身，仍能够有效地继续为其上人员提供比弃船逃生更为安全的生存保障条件。

本发明实施例提出一种高安全的大型水上浮式结构，包括下部浮体结构、上部结构和中间连接结构；所述下部浮体结构包括五个及五个以上的单个浮体，各浮体间隔一定距离；所述下部浮体呈超大水线面积形态，至少部分外侧浮体采用类实芯浮舱；所述类实芯浮舱的排水体积之和大于该浮式结构满载时全重的等量水体积；所述上部结构为框架结构或者箱体结构；所述中间连接结构在空间分散布置，包括与水平面相交并且提供安全回复力的结构；所述中间连接结构与所述上部结构以及所述下部浮体结构相互连接成整体；所述下部浮体结构外轮廓在水平方向上的最小分布尺寸等于或大于所述高安全的大型水上大型浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍。

根据一实施方式，所述下部浮体结构的外轮廓尺寸至少在一个方向上大于140米。

根据一实施方式，所述下部浮体结构中的任意一个浮体的断面高度尺寸小于适用水域的最大波高尺寸的1/2。

根据一实施方式，所述类实芯浮舱采用内部高密度分舱的浮舱结构，以及/或者所述类实芯浮舱内填充轻质阻水材料或装配可拆装的轻质阻水材料。

根据一实施方式，在满载吃水状态下，所述下部浮体结构外轮廓内的浮体的水线面积与浮体结构外轮廓的面积之比不大于0.7。

根据一实施方式，所述浮式结构的结构整体在水平的任意方向均横跨4个或者4个以上的跨度。

根据一实施方式，组成所述中间连接结构的各个构件及/或部件之间具有水平方向布置的连接构件及/或连接部件。

根据一实施方式，所述中间连接结构的外侧构件采用类实芯浮舱结构。

根据一实施方式，所述水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置。

根据一实施方式，所述浮式结构整体是由多个超静定单元组成的超静定的组合空间结构。

根据一实施方式，所述浮式结构在任意方向上，均至少是4个超静定的空间结构单元的连续组合。

针对上述实施方式，说明如下：

A.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构有利于减小在极端海况时的波浪载荷响应，有利于发挥材料对总体强度的贡献和效用，使平台主尺度很大时仍能保证其结构具有足够的总体强度冗余。

本发明限定下部浮体结构中的任意一个浮体的断面高度尺寸小于适用水域最大波高尺寸的1/2，因此，单个浮体的断面尺寸较小。同时，限定浮体结构中的各个浮体间隔一定距离，因此，各个浮体在空间是分散布置的，分散布置的浮体为波浪越(绕)过浮体创造了流体运动和能量释放的条件，保证波浪在浮体间流动顺畅，以减小巨浪对浮体的破坏性载荷。

示例了单个浮体断面主尺度小于最大波高主尺度时(如0.5倍)，在最大波高时，部分波浪将越过浮体，部分浮体将脱离波浪，波浪载荷随着波高的增加将不再明显增大，即平台波浪载荷对波高的响应出现了非线性现象，从而可以大幅度降低大波浪时浮式结构的波浪载荷。显而易见的是，对于同样尺度的水上浮式结构，相对于船舶结构而言，本发明高安全的大型水上浮式结构受到的波浪载荷将大幅减小，从而使得其结构设计在满足同样规范衡准的条件下，相对于船舶的箱体结构，具有更高的整体结构安全性。原因在于，当由于意外因素(超记录的波浪、飓风等)的外部环境载荷增大时，本发明高安全的大型浮式结构受到的波浪载荷几乎不再增大，或者增大很小，而普通船舶受到的波浪载荷将急剧的大幅度增大，因此，本发明高安全的大型浮式结构具备更高的结构安全储备。

B.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构为超静定的组合空间结构，能够保证在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，即使局部结构出现损坏，整体结构仍然具有确定性的结构整体不解体的安全性。

本发明的水上浮式结构整体为超静定的组合空间结构。其整体结构是由上部箱体结构、中间连接结构和下部浮体结构组合而成的。

本发明中限定所述浮式结构的结构整体在水平任意方向均横跨4个或者4个以上的跨度，这里的一个跨度是指两个相邻浮体之间的距离以及相邻两个中间连接结构之间的距离。因此，水上浮式结构至少是由5个浮体、25个立柱以及一个在空间连续的上部箱体结构(超静定单元)组成的整体结构。根据结构力学的知识，2个下部浮体、4个立柱以及与之对应的上部箱体结构的部分(可以类比为一个半潜式平台)即可形成一个封闭的超静定的空间结构单元，因此，本发明的浮式结构在任意方向上，均至少是4个超静定的空间结构单元的连续组合，整体上来看，本发明的浮式结构至少是由16个超静定的空间结构单元组合而成的组合结构，碰撞、触礁等事故导致的部分单元破损(局部结构失效)，不会对整体结构安全造成威胁。因此，结构整体在抗解体方面具有很大的事故安全冗余。

由水上浮式结构的结构组成分析可以发现，其下部浮体结构、中间连接结构以及上部结构均是数量较多并且分散布置的，各个组成构件在结构受力时，是以一种比较“均衡”的方式来协同工作的，在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，即使某一个甚至某几个超静定的空间结构单元的一些构件损坏退出工作，剩余结构仍然是超静定的空间结构单元组合而成的组合结构，仍然能够正常工作。

本发明在设计时可以通过检索各类海况和事故的统计资料进行合理分析，预报出恶劣海况的极端载荷和各种有计录事故形态的破坏力极值，因现代海难事故有记录的样本是足够丰富和有代表性的，据此分析出事故形态和极值是可信的，也是行业内技术人员可以做到的。这样，就可以为平台总体结构的设计提供依据，从而保证在极端条件下本发明不会出现多个局部单元的连续破坏，进而保证本发明的浮式结构在上述条件下具备确定性的结构整体不解体的安全性能。

常规技术中船舶和海洋平台根据构件的重要程度以及受力状态的不同，划定了关键部件、重要部件、次要构件等种类，而本发明的各个受力构件重要程度大致是相当的，并且可以互为支持，没有因“软肋”部件失效导致的相关结构陆续失效和整体崩溃的风险。

区别于半潜式平台的是，半潜式平台浮体的分舱是有限的，浮体或者立柱发生较大破损时，将导致浮舱破损和大量进水，此时，如进水流量大于应急排水系统的排出能力，就必将出现平台整体浮态的改变，并导致结构的应力的恶化等一系列连锁反应，最终，将可能导致倾斜、断裂甚至翻沉的灾难性的后果。

C.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构下部浮体结构的各个浮体尺度较小且分散布置，具有超大水线面积形态的特征，空载和满载吃水变化很小，对稳性的影响小到可以忽略。

本发明限定任意一个浮体的断面高度尺寸小于最大波高尺寸的1/2，下部浮体结构中的各浮体间隔一定距离，类实芯浮舱的排水体积之和大于该浮式结构满载时全重的等量水体积，同时限定在满载吃水状态下，下部浮体结构外轮廓内的浮体的水线面积与浮体结构外轮廓的面积之比不大于70％。

例如，海况环境最恶劣的北大西洋海域中，有记录的最大波高约30米，则单个浮体的最大断面高度小于约15米，因此，浮体尺度较小。同时限定类实芯浮舱的排水体积大于该浮式结构满载时全重的等量水体积，因此，浮式结构的静水吃水线必然在浮体的高度范围以内，从而浮式结构整体吃水很浅，且其浮体的静吃水水线到浮体顶部距离也较小。

单个浮体的断面尺寸较小，每个浮体的体积就较小，因而浮体应有一定的长度和数量，才能具有一定的总体积，如果将各浮体无间距地并在一起，就是一个“竹排”型的扁平箱式浮体结构，再结合承载力要求，扁平浮体结构必然具有超大的水线面积，其水线面积将远大于常规船舶和海洋浮式平台。需要强调的是，超大水线面积一般必然伴随着对波浪载荷的超大响应，而本发明通过多浮体分散布置巧妙地同时实现了超大的水线面积和较小的浪载荷响应。这里的水线面面积是指，吃水线处的水平面与浮体相交所构成的剖面，所指的吃水线为静吃水线。

从总排水量与总水线面积之比而言，本发明具有很大的水线面面积和水线面积分布。如果相对于小水线面的半潜式平台而言，常规船舶是大水线结构，那么，相对常规船舶而言，本发明的浮式结构则是“超大水线面积”结构。扁平结构具有重心很低，稳心很高的特征，本发明的GM值可比常规平台和船舶高两个数量级以上，稳性问题不再成为总体安全性的关键因素。另外，同样由于上述原因，本发明垂荡周期远小于最大波浪时的谱峰周期，约5秒左右，除了在大浪中可具有极好的耐波稳定性的同时，浮态对各类载荷变化如载重量大幅增减、重物位置移动、外部推拉也都极不敏感，具有一种独特的“抗摇摆刚度”。

D.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构，可实现可靠的不沉没特性。

本发明选择将下部浮体结构中的至少部分外侧浮舱采用类实芯浮舱，且其排水体积之和大于该浮式结构满载时全重的等量水体积，因此，无论结构受到何种局部损坏，只要浮式结构整体结构不解体，就能够确定性的保证整体结构不可能沉没。

E.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构整体为超扁平形态，具有极大的稳心高度，能够保证在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，整体不倾覆，为保障人员生命安全提供了基础条件。

本发明中下部浮体结构外轮廓在水平方向上的最小分布尺寸选择等于或大于水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍。

水上浮式结构整体为超扁平形态，通过提出水平方向上的最小分布尺度与结构中心到静水吃水线的距离的倍数，同时要求下部浮体水线面积分散分布，因此，本发明的浮式结构具备很大的复原力以及复原力矩，使得整体结构具有极大的稳心高度(较行业规范大2至3个数量级)和极大的复原力臂，在极端条件下仍可以实现不倾覆。

本发明中水上浮式结构的下部浮体结构采用多个尺度较小的浮体分散布置，联合作用，可以提供足够的排水体积和超大的水线面积，具有非常大的水线面积惯性矩，其稳性半径非常大，稳心非常高，初稳性高度非常大，空载和满载工况下，吃水变化很小，对稳性的影响可以忽略，因此，可以不需要配置大容量的压载舱。

本发明中水上浮式结构宽度吃水比B/d非常大，在横倾小角度时具有非常大的复原力臂；由于中间结构和上部结构具有较大的储备浮力，在大角度时同样具有非常大的复原力臂；另外本发明中水上浮式结构的风压力臂相对于复原力臂比较小，横摇角也较小；各种完整稳性和破损稳性指标远大于衡准值，极限许用重心高度值非常大。

同时，本发明中限定下部浮体结构中的至少部分外侧浮体采用类实芯浮体，因此，在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，仍能保证其破舱稳性约等于完整稳性。

水上浮式结构整体呈超扁平形态，以浮式结构的重心为上部顶点，以下部浮体结构的静水吃水线外轮廓为下部底面，形成一个稳定的不规则空间锥体，该空间锥体与水平面的最大夹角为27度，相当于限定了浮式结构整体具备一个重心较低的大底盘。在大风浪中，最大波陡为1/7，对应的波浪倾角为16度，在最不利工况下，浮式结构横向置于波浪的波面上，仍能确保浮式结构在风倾力矩和波浪载荷作用下不倾覆。在搁浅状况下，由于浮式结构水平方向的尺度限制要求，在波浪往复冲刷作用下，结构能够整体脱离浅滩，而不会翻到或者倾覆。当浅滩角度过大时只会形成冲撞，不会造成大倾角搁置。当浮式结构遇到较缓的水底暗礁或者海底(比如小于20度的坡度角)时，形成浮式结构搁置在有一定坡度的斜面上的情况，由于稳定的不规则空间锥体的作用，能够确保浮式结构不倾覆。

本发明中限定水上浮式结构的中间连接接结构在入水时提供储备浮力，保证了浮力提供结构向上分布的连续性，在出现意外大倾角(某侧外围浮体全部或者部分入水)时复原力臂仍为正值。保证了极端情况下，水上浮式结构仍能具有足够大稳性安全冗余，从而维持可靠的抗倾覆能力。再与前述不解体、破损不进水不沉没等特性相结合，破损稳性与完整稳性基本相同，因此，本发明就为保障其上的人员生命安全提供了一种新颖独到的最基础的安全条件。

F.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构可具有相当大的总体尺度和作业空间，同时具有极高的耐波稳定性，为功能和设施总布置设计提供了较宽松的安全条件。

本发明限定下部浮体结构的外轮廓尺寸至少在一个方向上大于140米，示例了水上浮式结构总长400米，型深约40米，空载时重心高度约15米，总宽度120米，则其甲板面积约为48000平方米。作为对比，一艘400米长的货船，其型宽最大约35米，其甲板面积约为14000平方米。显然，本发明的水上浮式结构的作业空间是巨大的，其功能总体布置非常容易实现按照水平方向布置的方式，而无需因场地狭小在竖直方向采用多层布置的方式，相对于多层布置而言，更有利于在发生火灾类事故时的隔离设计和人员的疏散安排。

同时，在可常规作业的5-6级海况下，波浪谱峰周期对应的波长长度小于约100米，浮式结构的摇摆幅度主要与波长和浮式结构总长之比有关，为了保持平台在各个方向具有较好的耐波稳定性，特别是降低平台在可作业海况的波浪运动响应，限定水上浮式结构至少在一个方向上的尺度大于140米，浮式结构在作业环境下稳定、耐波性好。

G.本发明提出的高安全的大型水上浮式结构具有较好航行性能和调整艏向能力。

本发明中限定水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置且由于吃水很浅，如果浮体采用细长的条形，阻力相对较小，在大型化条件也其航速容易实现不小于6节。在动力配置方面具体可在下部浮体结构的各浮体的艏部与艉部布置多个全回转推进器，这些推进器前后有一定的距离并可以全向转动，在产生全向推力的同时可跟据需要产生巨大的偏转力矩。具体还可在水上浮式结构上设置帆、直推推进器和舵等来实现，可使平台具有良好的全向航行性能和极强的艏向控制力，可以通过提前逃逸有效的躲避台风。还可根据改变波浪载荷的需要，有效地调整平台与波浪的相遇角度。另外，即使平台完全失去动力，由于平台各方向主尺度均很大，在风暴中会自动偏转到横浪方向，这是常规船舶最危险的状态，但是，由于本平台横稳性极好，没有倾覆的可能，因此，自动横浪形态，反而会大大减小风暴对本平台结构威胁最大的纵向弯矩载荷，成为一种独特的自适应的结构安全性能。

由上述技术方案可知，本发明的高安全的大型水上浮式结构的有益效果在于：

1、水上浮式结构具备多种有益高安全性能，解决探索和开发海洋世界的基础性难题。

本发明的高安全的大型水上浮式结构整体采用由下部浮体结构、上部结构和中间连接结构组合的方式组成整体超扁平的超静定的组合空间结构，下部浮体结构中的外侧部分浮体采用类实芯浮体，上述类实芯浮体的排水体积之和大于该浮式结构全重的等量水体积，下部浮体结构分散布置并且是超大水线面积结构。上述技术措施有机结合、联合作用，使得本发明的高安全的大型水上浮式结构对波浪载荷响应小、运动响应小、具备良好的耐波性和载重能力。同时，水上浮式结构的稳性极好，可大幅度简化稳性计算和校核，减少设计工作量，对海况、作业载荷变化不敏感，大大简化了为了保证结构“稳性”而设置的繁杂的装载和压载要求，不必要因稳性问题进行设置大容量压载舱和复杂的压载作业，而大容量压载舱与安全性有密切关系，当大容量的压载舱出现超过规范的破舱情况时，可能导致倾覆和沉没。如果将船舶的空舱封闭成实芯，船舶空载时就无法压载，则吃水太浅，无法保证稳性；同理，半潜式平台如将下浮体和立柱空舱封闭成实芯，也将不能压载，无法实现半潜和非半潜工况的转变，(半潜状态不可迁航、非半潜状态不可作业)。因此，船舶和半潜式平台如果要实现其功能，必须设置压载舱。

本发明的高安全的大型水上浮式结构的结构整体安全性是确定的，其结构失效模式与船舶和半潜式平台是有本质区别的。在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，结构虽然可能会出现局部破损，但是不会引起后续更恶劣的情况出现，从根本上杜绝了浮式结构整体产生整体断裂、解体。使得在事故形成后，人员仍可以依托于结构本身提供的巨大的安全空间和相对大量的资源维持较多人员的生存，等待救援，大大避免了逃救生过程中以及弃船后可能出现的人员失踪和维持生命的时间有限而导致的人员生命危险，从而为确保其上人员的生命安全提供了最基础可靠的保障条件。

现有船舶和海洋平台抗倾覆能力和抗沉性都是有限的，造成倾覆和沉没的外来作用以及人为操作失误都是随机的，只能用概率的方法来处理。而本发明采用超扁平的超静定的组合空间结构、类实芯浮体、分散布置并且提供安全回复力的中间连接结构、超大水线面积形态的下部浮体结构等技术手段相互组合，实现了在“在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下的抗倾覆、抗沉没能力。”实现了抗倾覆、抗沉能力由“概率性”到“确定性”的改变，对于船舶与海洋平台最基本的安全规范特别是人员生命安全规范，可以用陆地相关的规范为参照进行大规模的调整、简化和免除，对人类海洋活动可产生革命性的改变。

2、降低水上浮式结构的安全性对人为因素影响的敏感性，大大简化管理系统的复杂程度以及运行成本。

本发明中高安全的大型水上浮式结构结构本身具有高安全性，无论对应何种使用功能，即使发生人为因素的操作失误，也不至于引起造成人员伤亡的灾难性后果。因此，可以大大降低操作失误对水上浮式结构的总体安全的影响，有效简化水上浮式结构的管理系统以及运行程序。通过提高水上浮式结构自身的安全性，换来的是市场准入、使用、管理和运营等各方面的极大便利。

3、大大提高水上浮式结构的通用性，使得浮式结构设计依赖于使用功能的程度大大降低。

本发明中水上浮式结构的上部结构可以采用空间框架结构与箱体(常规板壳)结构两种方式实现。空间框架结构的采用使得上部结构设计更具灵活性。

框架结构是指由梁和柱以刚接方式相互连接，构成承重体系的结构，即由梁和柱组成的空间框架共同抵抗使用过程中出现的各种载荷。

应当理解的是，所述上部结构的梁柱式结构可以是达到结构安全等级要求的任何梁柱式结构形式。举例来说，可以利用多个竖向或横向桁架式支撑结构，组成形成上部结构，同时分隔出众多功能舱室。

当采用空间梁柱形成的框架结构方式来实现上部结构时，上部结构的结构设计自由度(或称灵活性)相对于传统船舶与水上浮体结构设计而言将大大增加，上部功能舱室设计布置可灵活变化。上部结构的可改造余地将大大增加，主要承力结构为梁、柱以及其它支撑(有可能没有)，其余构件(甲板、作业舱之间的分割部件、作业舱的上下顶板等)均可以设计为非主要承力结构，仅承受局部的功能载荷而不参与水上浮式结构整体结构受力。由于上述特性，水上浮式结构的非主要承力结构均可以在满足局部功能载荷的前提下任意改动而不影响整体结构受力；非主要承力结构也可以考虑采用非金属材料以大幅度降低防腐蚀的成本；非主要承力结构也可以考虑采用装配(非焊接)的方式连接在主要承力结构上。

4、大大提高水上浮式结构的使用安全性和便利性。

本发明中水上浮式结构下部浮体结构采用分散布置的小尺度浮体，因此有超大的水线面积和超大的初稳性(GM)值，空、满载吃水变化小，无需配置大容量压载舱、无需校核常规完整稳性和最不利环境因素叠时的稳性，包括全部装载质量在任意方向50％区域内集中偏载。本发明中水上浮式结构具备高安全性以及“稳性”、“耐波性”极好，而且对各类载荷变化不敏感，具有独特的刚性抗摇摆能力。因此可以大大提高浮式结构相对于不同使用功能的通用性，区别于现有技术中的船舶严重受限制与使用功能的特征。例如，可允许大型船舶在无遮蔽海域与本发明平台直接靠泊。

本发明中水上浮式结构整体结构为中部镂空的空间结构，水线以上的中间连接结构空间占空比很小，甲板上下部空气流场的差异不大，能够减小浮式结构甲板上气流流场的异变，相对于常规箱型浮体(船舶)，可为各类航空器起降提供更安全的稳定空气流场条件。

本发明中水上浮式结构具有超大面积的上表面空间以及超大体积的上部作业舱室，同时，在上部结构和下部浮体之间有超大体积的可利用空间，在近水面有超大面积的作业区域，因此，可以很便利的实现各类搭载、吊放等操作功能。其总体功能布置可以以沿平面布置为主，在水上浮式结构上有人员密集的应用场合，相对于多楼层竖向布置布置为主而言，更有利于火灾类事故的隔离设计和人员的疏散安排。

本发明中水上浮式结构的类实芯浮体可采用可移除方式的填充，使得结构修复以及定期检修简单易行。

总之，本发明的高安全的大型水上浮式结构主要特点是：高稳定性，高安全性，在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，能达到不大幅摇摆、不解体、不倾覆、不沉没的效果；极大的通用性，整体结构对使用功能的依赖程度较低，上部结构采用空间框架形式能够大大提高设计灵活性；良好的可使用性，对操作人员综合素质以及结构整体运营管理要求较为宽松；同时，尺度大、吃水浅、耐波性好，并具备大作业面积和大作业空间。

术语解释：

“高安全”：指大型水上浮式结构在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，具有确定性的结构整体不解体、结构整体不倾覆以及结构整体不沉没的基础安全特性，进而可以保证在各类最不利事故条件下，其上人员无需“弃船”也能保障生命安全。本发明所述的高安全与海洋工程中所述的常规安全是有本质不同的，常规安全是基于概率理论的以保证较小的失效概率为特征的“有限安全”，本发明的高安全则是指水上浮式结构在基础安全特性方面具有确定性。需要说明的是，本发明的所述的高安全不涉及由于材料缺陷、设计缺陷以及加工制造缺陷导致的不安全因素。

“浮体结构”：指多个浮体的总和。其对水上浮式结构提供必要浮力，所谓必要浮力，指保持水上浮式结构承载能力及正常稳性所需要的浮力。本发明中的浮体结构可以是多个浮体的各种组合，可以是多个浮体在水平面上分散布置，也可以是多个浮体以及必要的连接构件相互组装成一个相对独立的三维空间结构。需要说明的是，为了提供浮力，浮体结构必然要承受波浪载荷，但是在本发明中，可以根据具体情况选择使浮体结构参与水上浮式结构整体受力，或者仅使浮式结构承受局部波浪载荷，而不参与水上浮式结构整体受力。

“超大水线面积形态”：是指分散布置的大水线面积形态。水线面积形态是本发明的一项重要特征，在海洋工程领域，目前尚无水线面积形态的具体定义，本发明中所述的水线面积形态关注的是总水线面积与总排水量之间的关系(它直接关系到空载与满载浮式结构吃水变化的大小)，以及水线面积分布与载重分布之间的关系(它直接关系到装载分布与浮态变化的大小)，进而会对稳性、浮式结构对载荷变化的响应以及耐波性等重要特性造成影响。习惯而言，海洋工程领域认为常规船舶是典型的大水线面结构，其结构特征呈大水线面积形态；而“小水线面结构”是针对常规船舶的大水线面积形态特征而非具体水线面积数据进行区分的，比如半潜式平台即为典型的小水线面结构；本发明的“超大水线面积形态”也是针对常规船舶的大水线面积形态而言的，本发明浮体结构的吃水变化远小于常规船舶且浮体分散布置，为了与常规船舶做出区别，将该特征称之为超大水线面积形态。另外，“超大水线面积形态”浮式结构的垂荡、横摇和纵摇的固有周期均远小于最大海况时波浪谱峰周期。

“类实芯浮体”：指一种破损时渗透率很小的浮体(比如破损渗透率<10％)，即使破损也不会对稳性和抗沉性产生影响。包括采取内部封闭措施的浮舱结构和直接与水上浮式结构的中间连接结构连接的轻质实芯闭水构件。

“超静定的组合空间结构”：指水上浮式结构整体是三维空间结构，而且是超静定的。其整体结构是由上部箱体结构、中间连接结构和下部浮体结构组合而成的。上部箱体结构可以由带加劲肋的板结构组合而成，加劲肋可以是板及/或各类型材，各类型材可以是工字钢、角钢、槽钢等。箱体结构可以由较多数量的梁柱及/或支撑形成的框架结构加内外部的带加劲肋的板结构组合而成。上部箱体结构自身是一个在空间连续的超静定单元。中间连接结构可以是由分散布置的柱子结构及/或梁结构形成的框架结构，也可以由分散布置的杆系结构组成的空间桁架结构，也可以是框架结构和桁架结构的合理组合。浮体结构是多个浮体的各种组合，可以是多个浮体在水平面上分散布置形成的镂空的网状片体结构，也可以是多个浮体以及必要的连接构件相互组装成一个相对独立的三维空间结构。

“中间连接结构”：包括连接在下部浮体结构以及上部结构之间的各结构或者构件。与水平面相交的中间连接结构，提供安全回复力。

“安全回复力”：当浮式结构发生大倾角摇摆时，与水平面相交的中间连接结构入水，具有一定的排水体积，能够提供浮力，由于具有较大的回复力臂，因此形成回复力矩，使得浮式结构总回复力矩能够大于可能出现的风、波浪等联合作用下浮式结构受到的最大倾覆力矩，能够使浮式结构具有不倾覆的安全性，因此将与水平面相交的中间连接结构能够提供的回复力称为“安全回复力”。

“满载状态”：指水上浮式结构最大装载时的排水量状态。

“上部结构”：指为了形成水上浮式结构的整体结构所需设置的远离水面、在正常状态下大风浪中不允许被波浪触及的空间结构部件。上部结构可以为框架结构或者箱体结构。其上部可以是甲板，其内部可以是作业舱、各种功能舱室等。

“最大波高”：不同的水域最大波高是不同的，相同水域的统计数据也不尽相同。本发明所说的最大波高是指，适用水域各设计参考文献中所示最大的最大波高。

附图说明

图1是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构的前视剖面结构示意图；

图2是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构的侧视结构示意图；

图3是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构的俯视剖面结构示意图；

图4是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构立柱不提供浮力时的倾覆测试的实验数据；

图5是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构立柱提供浮力时的倾覆测试的实验数据；

图6是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例的大型海上浮动平台前视剖面结构示意图；

图7是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例的大型海上浮动平台侧视结构示意图；

图8是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例的大型海上浮动平台俯视剖面结构示意图；

图9是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例为整体横向置于波浪的波面上的稳定性分析示意图；

图10是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例为搁浅状况下的稳定性分析示意图；

图11是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例进行波浪载荷分析的示意图；

图12是根据本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构示例进行垂荡分析的示意图；

图13是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构其中超静定单元的示意图一；

图14是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构其中超静定单元的示意图二；

图15是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构其中超静定单元的示意图三。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例提出一种能避免翻沉的高安全的大型水上浮式结构。具体讲，本发明实施例提供一种高安全的大型水上浮式结构，该结构可以是浮动式综合保障基地，可供各类船舶直接泊靠，甲板面可配备大型装卸机械，提供装卸、转运和存储功能。其基本型态可选择是超扁平的空间结构，主要包括下部浮体结构、上部结构和中间连接结构。从安全角度出发，这是区别于所有船舶和海洋平台的全新的浮式结构类型。

图1是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构的前视剖面结构示意图；图2是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构的侧视结构示意图；图3是本发明实施例中高安全的大型水上浮式结构的俯视剖面结构示意图。参照图1至图3所示，本发明实施例的大型高安全的大型水上浮式结构包括上部结构1、中间连接结构2和下部浮体结构3。该高安全的大型水上浮式结构在水平方向上的长度(L)或宽度(B)，均可达到等于或大于高安全的大型水上浮式结构空载时重心距离静水面高度(H)的4倍，整体是一种超扁平状外形。

举例说明，水上浮式结构至少是由5个浮体、25个立柱以及一个在空间连续的上部箱体结构组成的整体结构。参照图13至图15所示，根据结构力学的知识，2个下部浮体、4个立柱以及与之对应的上部箱体结构的部分(可以类比为一个半潜式平台)即可形成一个封闭的超静定的空间结构单元，因此，本发明的浮式结构在任意方向上，均至少是4个超静定的空间结构单元的连续组合，整体上来看，本发明的浮式结构至少是由16个超静定的空间结构单元组合而成的组合结构，因此结构整体在抗解体方面具有很大冗余。

由水上浮式结构的结构组成分析可以发现，其下部浮体结构、中间连接结构以均是数量较多并且分散布置的，各个组成构件在结构受力时，是以一种比较“均衡”的方式来协同工作的，在遭遇可预见的最不利海况和发生有记录的最不利的碰撞、触礁、搁浅、货物异常移位等事故条件下，即使某一个甚至某几个超静定的空间结构单元的一些构件损坏退出工作，剩余结构仍然是超静定的空间结构单元组合而成的组合结构，仍然能够正常工作。

本发明在设计时可以通过检索各类海况和事故的统计资料进行合理分析，预报出恶劣海况的极端载荷和各种有计录事故形态的破坏力极值，因现代海难事故有记录的样本是足够丰富和有代表性的，据此分析出事故形态和极值是可信的，也是行业内技术人员可以做到的。这样，就可以为平台总体结构的设计提供依据，从而保证在极端条件下本发明的浮式结构不会出现多个局部单元的连续破坏，进而保证本发明的浮式结构在上述条件下具备确定性的结构整体不解体的安全性能。

常规技术中船舶和海洋平台根据构件的重要程度以及受力状态的不同，划定了关键部件、重要部件、次要构件等种类，而本发明的各个受力构件重要程度大致是相当的，并且可以互为支持，没有因“软肋”部件失效导致的相关结构陆续失效和整体崩溃的风险。

区别于半潜式平台的是，半潜式平台的任意一个浮体或者立柱发生损坏，将导致浮舱进水并出现整体结构的应力恶化，如不及时处置将可能导致倾斜、断裂甚至翻沉的灾难性的后果。

参照图1至图2所示，上部结构1上表面和下表面为上下甲板，也可以增加中间甲板。上下甲板参与整体结构受力。上部结构1的一实施方式中，可为框架结构实现的刚性结构，上部结构1内可选择形成有众多舱室。

框架结构是指由梁和柱相连接而成，构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平载荷和竖向载荷。

参照图1至图2所示，在示例性实施例中，在高度方向上，上部结构1内可设计为单层分布或至少两层的多层分布。而每一分层内可布置众多舱室，舱室布置方式可根据功能需求进行布置。其中的各舱室主要结构支撑可为竖向的至少三个立柱，以及顶部横向的连接梁，连接梁可分别在顶部或底部连接立柱。横梁和立柱之间可利用连接件进行连接，比如分叉式套管接头。各部件之间可以是焊接连接、铆接连接、螺栓连接或快速卡接。如此，由横梁和立柱组成主要的稳定结构支撑体。当然，也可在横梁和立柱之间增加杆式斜撑或桁架式支撑结构，以使上部结构1整体结构达到结构安全等级的要求。

进一步，上部结构内由横梁和立柱或其它杆式支撑结构组成刚性支撑结构，比如参照建筑物的房间构成方式，利用板材封闭形成各个功能舱室。由于墙板是非承力结构，可以选用轻质板材，例如，铝蜂窝板、复合岩棉板、轻钢龙骨组合墙体等。但选择上优选具有阻燃效果的板材。顶板和地板可选用钢板或其它可承重板。

应当理解的是，所述上部结构1梁柱式结构可以是达到结构安全等级要求的任何梁柱式结构形式。举例来说，可以利用多个竖向或横向桁架式支撑结构，组成形成上部结构1，同时分隔出众多功能舱室。

当采用空间梁柱形成的框架结构方式来实现上部结构时，上部结构1的结构设计自由度(或称灵活性)相对于传统船舶与水上浮体结构设计而言将大大增加，上部功能舱室设计布置可灵活变化。上部结构1的可改造余地将大大增加，主要承力结构为梁、柱以及其它支撑(有可能没有)，其余构件(作业舱之间的分割部件、作业舱的上下顶板等)均可以设计为非主要承力结构，仅承受局部的功能载荷而不参与水上浮式结构整体结构受力。由于上述特性，水上浮式结构的非主要承力结构均可以在满足局部功能载荷的前提下任意改动而不影响整体结构受力；非主要承力结构也可以考虑采用非金属材料以大幅度降低防腐蚀的成本；非主要承力结构也可以考虑采用装配(非焊接)的方式连接在主要承力结构上。

而上部结构1的还可提供另一实施方式中，可为箱体结构组成的刚性结构层，主要承力结构为空间板梁结构，舱室中的横舱壁、纵向桁材、形成舱室的上下甲板等构件一般均作为受力结构构件参与总纵强度的计算。

这里所指箱体结构，以多块相互约束的板件组成的空间箱式结构，每一块板均承受局部载荷，在四边承受待定的分布弯矩。

举例来讲，上部结构1可由甲板、围壁以及若干纵向和横向舱壁组成的空间箱体结构。其甲板可以有几层，如主甲板、中间甲板、下甲板等。上部结构1主体可以设计为具有储备浮力，即上部结构1主体为水密或具有一定的水密性。上部结构1主体可以是一个整体的箱体结构，也可以是若干个纵横箱结构的组合体，如“田”字形、“井”字形、“△”字形。

例如，上部结构1结构可选择采用纵横混合骨架形式，每个区域内主向梁的方向不同，同时垂直于主向梁长度方向内设距离不等的强框架，所有主要侧壁骨架都采用水平布置，所有内壁均采用垂向扶强材。由于框架结构是现有船舶或海上浮式结构舱室的常用结构形式，因此，在此不再赘述。

应当理解的是，所述上部结构1也可选择由箱体结构与框架式结构两种搭配组合而成。比如在框架式结构中加入纵向或横向板梁，以进一步提高结构强度。当然也可以在箱体结构为主的结构中，加入各种立柱及横梁进行加强。再比如上部结构1中部采用框架式结构，而外周及或底层采用箱体结构。

本发明实施例的上部结构1整体在使用水域的最大波高之上，而上部结构1中形成的多个舱室可选为可密封舱室，若为多层分区的舱室结构情形下，至少中部以下的舱室正常情况下是密封的，可参照目前的船舱结构。这样，假如遇到极端情况，下部多浮体3失效时，上部结构1仍能保持自浮。

参照图1至图2所示，中间连接结构2的一实施方式中，包括第一方向的连接结构21，第一方向与水平面相交，第一方向的连接结构21包括多个相互间隔的浮体，可以看作是多浮体向上的延伸，这一部分浮体属于特殊功能浮体，在极端条件下，当浮式结构整体出现极端大角度倾斜时，第一方向的连接结构21包括的多个相互间隔的浮体浸入水中，可提供浮力，由于复原力臂很长，整体产生较大的复原力矩，可以使得浮式结构整体具备更可靠的稳性。

需要说明的是，浮式结构发生较大倾斜时，与水平面相交的中间连接结构入水，能够提供安全回复力。举例而言，根据目前的设计计算和实验数据，当与水平面相交的中间连接结构的横截面面积之和，大于下部多浮体3静水吃水处水线面积的5％，并且，最外侧与水平面相交的中间连接结构至浮式结构重心的距离大于浮式结构重心距水面距离的两倍时，浮式结构总回复力矩能够大于可能出现的风、波浪等联合作用下浮式结构受到的最大倾覆力矩，能够使浮式结构具有不倾覆的安全性。

举例而言，本发明实施例的浮式结构还可以选择设置多个第二方向的连接结构22，第二方向的连接结构22顺水平面延伸。

举例而言，本发明实施例的浮式结构可以选择仅设置第一方向的连接结构21，可在浮体之间形成大区域的无障碍水面作业空间。

本发明实施例中中间连接结构2，其第一方向的连接结构21的多个浮体，可以是相交于水面的多个浮体式连接结构，这些浮体式连接结构在水平面上截面的宽度小于相连的浮筒31的水线面宽度，所说“宽度”是指垂直于条状的浮筒31长度方向上的尺寸。第一方向的连接结构21的多个浮体可为立柱式结构，也可为扁片式上下延伸的空心连接结构；只是在本发明实施例中，第一方向的连接结构21的多个浮体是相互间隔的，以供波浪穿越，减少平台整体承受的外部载荷，以确保安全。本段中所称多个浮体式连接结构应该理解，是指对应单个浮筒31连接有五个以上相互间隔的浮体式连接结构。

第一方向的连接结构21可包括多个垂直的立柱，立柱为空心密闭结构。立柱从外形来讲可以分为圆立柱和方立柱、等截面立柱和变截面立柱。立柱大多数可为等截面圆立柱，有少数可为方柱。目前分析中，浮体式连接立柱的实施例具有承受外部载荷小的优势，并且支撑强度较佳。由于下部多浮体3包括多个分散布置的条状的浮筒31，第一方向的连接结构21的多个立柱式浮体可以分布在多排上，而且每排上各立柱均间隔一定距离，立柱的排列方式取决于下部多浮体3中各个浮筒31的排列方式，原则上，多个立柱间隔的连接在各浮筒31之上。可在立柱与上部结构和下部多浮体3结合处的前侧及后侧，设置有导角连接部211，导角连接部211为空心结构。立柱与上部结构和下部多浮体3结合处也可采用标准的箱型节点结构。而且，还可在立柱21内安装电梯或楼梯等运输设备，以便向上部结构进行人员或物资的运输。

本发明实施例中，第二方向的连接结构22的立柱可由钢板焊接而成，内部可设置隔舱板或加强肋板。进一步举例来讲，如图1至图3所示的实施方式中，相邻浮筒31间可连接有多个第二方向的连接结构22，第二方向的连接结构22可沿浮筒31纵向间隔布置多个，可以包括垂直于浮筒31的延伸方向的连接杆，也可以包括与浮筒31的延伸方向相交的连接杆。第二方向的连接结构22可为空心密闭结构的连接杆，连接杆截面形状可为水滴形、翼形或其它流线形状，该连接杆截面形状可平行于水平面，以减少航行中的阻力。连接杆可整体连接于各浮筒31之上，并与浮筒31固定连接，可采用焊接、铆接或螺接方式进行固定连接。当然，也可整体穿入各浮筒31，连接在各浮筒31中的结构梁上。连接杆也可以替换为连接翼等连接结构。连接杆不仅可以垂直于各浮筒31进行连接，也可以选择倾斜于浮筒31与之进行连接，如此，利用连接杆22可提高下部多浮体3的结构稳定性。

参照图4所示，是第一方向的连接结构21不提供浮力时，水上浮式结构进行倾覆测试的数据，其中，在横倾角超过10度后，水上浮式结构复原力臂会从正值快速下降，在横倾角超过45度后，复原力臂会变为负值，反而加速浮式结构的倾覆。其中符号说明如下：

参照图5所示，本发明实施例浮体式连接结构整体截面积约为下部多浮体3的静水吃水线面积的10％至30％，可以保证浮体向上分布的连续性，在出现最大倾角(一侧条状浮体全部入水)时复原力臂仍为正值。保证了极端情况下，水上浮式结构仍能维持较佳的防倾覆性。

如图1至图3所示，下部多浮体3的一实施方式中，下部多浮体3包括多个条状浮筒31，进一步地，可包括至少五个或五个以上的条状浮筒31，这些条状浮筒31可以间隔一定距离的平行布置。总体需求是，各浮体排水体积之和大于所述水上浮式结构满载状态时的排水体积，以保证该水上浮式结构在空载状态还是满载状态，吃水线总位于下部多浮体3的高度范围内。以此实现为对载荷变化不敏感的超大水线面浮式结构，提供较高的载重能力。如图1至图3所示的实施方式中，多个条状浮筒31均以纵向顺水上浮式结构的纵向排布，间隔一定距离的平行布置。当然，下部多浮体3可由多个浮筒31组合成各种形状各异的形式，也可由不同形状纵横相交的浮体组成一个下部多浮体3，只需各浮筒31留出适当的间隔以消除波浪作用即可。

各浮筒31可主要由多个纵横加强结构以及外壳板架组成水密壳体。结构需要保证水密性和强度。单个浮筒31断面的最大高度尺寸可选择为小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸可选择为不大于断面最大高度尺寸的2倍；下部多浮体3各相邻浮筒31之间的净间距可选择为大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮筒31的断面宽度尺寸的0.5倍。

浮体总体积小，并分散成较多相对于设计波高为小尺寸的浮体，有利于减小波浪对浮式结构的作用载荷。但本发明浮式结构的主尺度很大，相对水线面积大，浮体干舷很小，仍可提供足够的稳性力矩。在波浪的波高明显小于筒形浮体直径时，筒形浮筒31分布长度通常可以跨越多个波长，并且在宽度方向上有多个筒形浮体并列。众多波浪对浮式结构的作用力互相抵消，所以浮式结构显然容易保持很好的姿态稳定性。

进一步地，各浮筒31排水体积之和选择等于或小于浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍。使得水上浮式结构静吃水线大致位于各浮筒31上半部分。一种选择是，浮式结构的可变载荷对应的排水体积小于或等于各浮筒31的总体积的1/4。在此范围内，能平铺尽量多的浮体，增加浮式结构载重。

如图所示的具体实施例中，下部多浮体3可包括多个位于同一平面的条形浮筒31(虽图中为同尺寸的浮体组成在同一平面内，也可是不同尺寸的浮体组成，不一定均位于同一平面)，各浮筒31直径和长度大致相同，各浮筒31间隔一定距离，这里各浮筒31以纵向方向顺浮式结构纵向方向间隔排列，这里浮筒31的数量为9个，中间一个，两侧各4个对称布置。浮筒31截面可为圆形、椭圆形、方形或者其它几何形状。当然，各浮筒31也可以大小不一，比如，以不同外轮廓尺寸的浮筒31组合使用，以避免相同尺寸浮筒31波浪响应或载荷响应一致，避免应力集中或发生共振危害。

多浮体最外侧的若干个浮筒31内较佳填充有轻质不吸水材料311，例如聚苯乙烯泡沫塑料，如图所示的具体实施例中，左右分别填充3个浮筒31，共计填充6个浮筒31，6个浮筒31提供的总浮力为整个浮式结构自重相当的排水量的约1.1倍。使得水上浮式结构在碰撞、触礁造成浮体外壳破损的情况下，6个填充浮筒31仍能不丧失浮力，使得水上浮式结构结构不会因为浮体失去浮力而倾覆或沉没，具有很大实用价值。

应该理解的是，浮筒31可以不限于条状，另一实施例中，下部多浮体3包括多个在空间分散布置的独立浮体，浮体的形状可以是圆球体、椭球体等能想到的可以应用于浮式结构的各种形态。

应该理解的是，另一实施例中，下部多浮体3可以是多种形态浮体的组合或联合。举例而言，在以条状浮筒组成的下部多浮体3的基础上，还包括多个在空间分散布置的独立浮体，浮体的形状可以是圆球体、椭球体等能想到的可以应用于浮式结构的各种形态。

另外，第一方向的连接结构21的各个浮体也可填充有轻质不吸水材料，以确保其破损不进水，仍能提供复原力矩，可以选择全部填充有轻质不吸水材料，也可以对应于浮筒31的情形，只是在外周侧的浮体式连接结构中填充有轻质不吸水材料，如此可以大大提高水上浮式结构的安全性。

本发明实施例的高安全的大型水上浮式结构，其中的第一方向的连接结构21与下部多浮体3配合，形成相对于波浪的变水线面浮体结构，有效降低波浪载荷。

本发明实施例中，水上浮式结构配备有驱动装置及方向控制装置，具体可在各浮筒31上布置多个推进器4，这些推进器可以是全回转推进器。在需要规避极限海况时，水上浮式结构可进行转向与快速航行，航速可达到10节；多个全回转推进器联合作用，可以实现动力定位功能。

本发明实施例中提供的高安全的大型水上浮式结构，包括整体刚性的上部结构1，中间连接结构2以及下部多浮体3，总体上可以类比为一个工字形断面。上部结构可等效为工字形断面的上翼缘；下部多浮体3等效为工字形断面的下翼缘，中间连接结构2等效为工字形断面的腹板。通过合理的结构设计，比如，下部多浮体3断面面积以及上部结构1断面面积对浮式结构中和轴的横断面惯性矩的贡献大致相当，下部多浮体3断面自身的惯性矩以及上部结构1断面自身的惯性矩大致相当，可以将本水上浮式结构结构的中和轴设计在水上浮式结构结构中部位置，使得上部结构1、下部多浮体3(钢材)均最大效率的发挥作用，以最小的钢材使用量获得最大的强度(包括抵抗拉、压、弯、剪、扭转等联合作用)，大大提高结构材料(钢材)的利用率。

参照图1至图3，本发明提供一具体应用例如下：

如图中所示例，该浮式结构使用海域可能出现的最大波高的统计值约28米。该浮式结构上部结构设计为一个具有三层甲板的箱体结构，构成该浮式结构的强力甲板。举例来讲，如图所示，上部结构的长度可为600米，宽可为130米，高度可为10米。可以提供7.8万平方米的上表面全通甲板，和23.4万平方米的上部舱室。

该浮式结构的下部多浮体3选择设有9个相同形状的、相互独立的、纵向布置的浮筒31(或称条状浮体)，为整个浮式结构提供浮力。举例来讲，如图所示，下部多浮体3每个浮筒31的横截面可设计为相同的带圆角矩形，每个浮筒31长度可为600米，高度可为11.5米，最大宽度可为8.8米，浮筒31之间的间距可为6米。9个浮筒31外边缘分布宽度可为130米，多浮体总共提供约546000立方米的排水体积。多浮体的水线面积之和可为47400平方米。浮式结构最大排水量约为335000吨，其中，自重约为180000吨，设计载重量约185000吨。当处于设计满载状态时的吃水约为7.8米，空载吃水约为4.8米。空载、满载吃水变化约3米。空载时浮式结构重心G距离静水面高度H约为23.5米。该浮式结构的多浮体在水平方向上的长度分布尺寸等于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的25倍、在宽度方向的分布尺寸等于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的5.53倍。

当设计波(为修正后的正弦波)高为22米，波长为621米时，浮体最大总纵弯矩预报值约为9.76E10NM。舯部最大结构应力约为220MP(许用应力为320MP)，结构总体挠度约1/500，满足“刚体”的条件。

第一方向的连接结构21为有圆角的长方形中空的立柱体，其长度约10米、宽度约6米、高度约为28米。其单个横截面积可为60平方米，每个条状浮体上等距分布有12个第一方向的连接结构21，9个浮体共有108个，总计横截面积约为6048平方米，为多浮体水线面积的13％。

该浮式结构单个浮筒31的体积为60720立方米，浮式结构全重时的排水体积为335000立方米，所以将最外侧的6个浮筒31的内部空间全部填充轻质不吸水材料311，其排水体积约为364000立方米，大于浮式结构全重的等量水体积。

见图2所示，在每个浮筒31的艏部和艉部可以各设置有驱动装置及方向控制装置4，具体如图所示可为艏部尾部各一套电推进全回转舵桨，比如共有22台。为浮式结构的提供优良的驱动动力和全向控制能力。

另一具体实施方式(301)

1.综述

图6、图7及图8给出了一种超大型海上浮式结构的应用，该浮式结构被设计成适用于海上航行，且由18套全回转推进器4推进的海上大型浮式结构，可在露天上甲板或其它甲板装载大型物件、直升飞机、集装箱等，也可提供油料储备，冷藏货物储备，人员生活设施等。

2.结构形式

该浮式结构整体结构设计为分明的三个部分(参见图6、图7和图8)，即上部结构1、下部多浮体3、连接上部结构1和下部多浮体3的中间连接结构2。

1)上部结构1

该浮式结构上部结构1设计为一个具有两层甲板的结构(自甲板A至甲板B)的箱体结构，构成该浮式结构的强力甲板。上部结构1的长度为310米，宽90米，可以提供平整的全通上甲板，面积为27900平方米，供大型货物及大型集装箱仓储场地，直升机停泊，休闲运动场地(高尔夫等)以及货物临时堆放等。

在上部结构1中主要布置有：分油机舱、二氧化碳舱、机舱局部水基消防设备室、辅机设备、冷却水舱、日用淡水舱、饮用水舱、锚机液压机舱、污水处理装置室、污水舱、雨水净化装置室、海水淡化装置室、污水处理装置室、压缩机舱、液压泵间等。

2)下部多浮体3

该浮式结构设有9个相同形状的、相互独立的、流线型外形的、纵向布置的浮筒31，为整个浮式结构提供浮力。下部多浮体3每个浮筒31设计为相同的水滴形横剖面，每个浮筒31长度为310米，高度为7.5米，最大宽度为5米，浮体间距为5.5米。9个浮体总共提供84500吨的排水量，当处于设计满载状态时的吃水为6.0米，可以提供68000吨的排水量。

在每个浮筒31的艏部和艉部各设置一套全回转舵桨，为浮式结构的提供优良的驱动动力和方向控制能力。

3)中间连接机构2

中间连接机构2主要包括第一方向的连接结构21、第二方向的连接结构22。浮筒31与上部结构1之间用第一方向的连接结构21连接，9个浮筒31之间用第二方向的连接结构22连接。第一方向的连接结构21包括竖直立柱以及倾斜的立柱，两者还可以构成整体桁架支撑结构。第二方向的连接结构22可以是横向桁架，可在竖直立柱横剖面内布置，由交叉斜撑构成，连接九个浮筒31。

3.主要尺度

总长	310m
		两柱间长	310m
型宽	90m
		型深	22.3m
夏季载重线吃水(型)	6m
		结构吃水(型)	6m
排水量(夏季载重线吃水时)	～68000t

4.功能

本浮式结构的结构形式设计为空间分布式，可以提供较大的内部存储空间和上层甲板面积，可以实现广泛的民事和特殊用途：

1)提供船舶靠泊(万吨级以下)、装卸功能(吊装、滚装、输送带装卸)。

2)提供岛屿开发建设条件保障；可靠泊船舶的种类包括：公务船、供应船、运输船、渔船、游艇等其它配套船舶。

3)提供物资储备、分理、转运功能，货物的总类可包括：干散货、集装箱、滚转货、大型结构间、冷藏货等。

4)提供对停泊岛屿的供电、物资提供、交通转运(因珊瑚岛礁桩基施工比较困难，考虑浮式栈桥形式等生活条件支持。

5)提供对海上船舶进行补给功能：可补充供给燃油、淡水、生活物资等,延长巡航作业周期、提高巡航频次与机动性。

6)提供对海上的通信基站作用，增大通信信号覆盖范围，为海警巡航维权船员及周边海域作业人员、渔民提供通信便利服务。

7)提供对浮式结构周边海域范围内海上作业船员及岛民的航行安全及救援保障功能：浮式结构上提供医疗中心、应急搜救(直升机、快速船)、救援功能。

8)提供海警出航船舶靠泊休整(娱乐健身房)、船员驻留条件保障。

9)提供直升机起降、通信、监测、雷达、导航、直升机机库(设置于甲板上)。

5.主要特征

该浮式结构符合实施例优选范围的特征如下：

1)该浮式结构下浮体水平布置9个条状浮体，各相邻浮体间距为5.5米。该浮式结构各浮体的总体积为82400立方米，大于满载时排水体积为66340立方米。浮式结构上部结构为箱型结构，中间连接结构包括竖直立柱、交叉斜撑(倾斜立柱)、横向水平杆件以及水平支撑组成的桁架结构。上述三个结构部分相互连接形成整体的超静定空间结构。

2)该浮式结构长度为310米，所以符合实施例中优选范围中外轮廓尺寸至少在一个方向上大于150米这一特征。

3)该浮式结构的单个浮体的高度为7.5米，宽度为5.0米，适用水域最大波高不低于23米，所以符合实施例中优选范围中单个浮体断面的最大高度尺寸小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸不大于断面最大高度尺寸的2倍的特征；相邻浮体之间的净间距为5.5米，符合实施例中优选范围中各相邻浮体之间的净间距大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮体的断面宽度尺寸的0.5倍这一特征。

4)该浮式结构各浮体的总体积为82400立方米，满载时排水体积为66340立方米，符合实施例中优选范围中各浮体的总体积小于浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍这一特征。

5)该浮式结构长度为310米(L)，宽度为90米(B)，空载时重心距离静水面的为14.5米(H)，具有上述实施例优选范围中水上浮式结构在水平方向上的长度及宽度分布等于或大于浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍这一特征。

6)该浮式结构配备有18台全回转推进器4，可以使浮式结构具有自航能力，并可通过调整全回转推进器5的方位角来控制浮式结构的航向。这一点符合上述实施例优选范围中所述水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置这一特征。

7)该浮式结构单个浮体的体积为9156立方米，浮式结构全重时的排水体积为66340立方米，所以将8个浮体的内部空间全部填充轻质不吸水材料311，其排水体积即大于浮式结构全重的等量水体积，即符合上述实施例优选范围中的特征。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内做出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高安全的大型水上浮式结构，包括下部浮体结构、上部结构和中间连接结构；其特征在于，

所述下部浮体结构包括五个及五个以上浮体，各浮体间隔一定距离；所述下部浮体结构呈超大水线面积形态，至少部分外侧浮体采用类实芯浮舱；所述类实芯浮舱的排水体积之和大于该浮式结构满载时全重的等量水体积；

所述上部结构为框架结构或者箱体结构；所述中间连接结构在空间分散布置，包括与水平面相交并且提供安全回复力的结构；

所述中间连接结构与所述上部结构以及所述下部浮体结构相互连接成整体；所述下部浮体结构外轮廓在水平方向上的最小分布尺寸等于或大于所述高安全的大型水上大型浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍。

2.根据权利要求1所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述下部浮体结构的外轮廓尺寸至少在一个方向上大于140米。

3.根据权利要求1所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述下部浮体结构中的任意一个浮体的断面高度尺寸小于适用水域的最大波高尺寸的1/2。

4.根据权利要求1所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述类实芯浮舱采用内部高密度分舱的浮舱结构，以及/或者所述类实芯浮舱内填充轻质阻水材料或装配可拆装的轻质阻水材料。

5.根据权利要求1所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，在满载吃水状态下，所述下部浮体结构外轮廓内的浮体的水线面积与浮体结构外轮廓的面积之比不大于0.7。

6.根据权利要求1所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述浮式结构的结构整体在水平的任意方向均横跨4个或者4个以上的跨度。

7.根据权利要求1所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，组成所述中间连接结构的各个构件及/或部件之间具有水平方向布置的连接构件及/或连接部件。

8.根据权利要求1至7任一项所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述中间连接结构的外侧构件采用类实芯浮舱结构。

9.根据权利要求1至7任一项所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置。

10.根据权利要求1至7任一项所述的高安全的大型水上浮式结构，其特征在于，所述浮式结构整体是由多个超静定单元组成的超静定的组合空间结构。