CN108316340B - 一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，包括边框、底板与支撑架，边框呈矩形状，边框的一组对边中部设置中部底梁，中部底梁两侧设置多个套筒；底板的一边设置旋转轴，旋转轴穿入套筒后底板可旋转；支撑架是在中部底梁及其两端的边框上由钢梁焊接而成的刚性支架，两个锚眼对称的设置在上部支撑架的两侧；施工时，把底板向上旋转后与支撑架一起卡入桶形基础底部槽口中，锚链系泊在两个锚眼上，依靠桶形基础把平板锚贯入至海床，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加向上拉力使平板锚回拔一定距离，使底板逐步产生旋转至水平。所提平板锚结构简单，制作方便，成本较低，底板在旋转过程中的埋深损失可预估，埋深损失较小且可控。

Description

一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚

技术领域

本发明涉及深海浮式平台的锚固技术领域，具体是一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚。

背景技术

近年来，吸力贯入式平板锚(Suction embedded plate anchor)一种新型基础形式在墨西哥湾和非洲海域得到了较为广泛的应用，其主要优点是造价低、定位准确和施工简单。平板锚平面形状为矩形，安装时竖直固定在吸力式沉箱中，沉箱在自重和抽水造成的负压作用下贯入至预定深度。沉箱与平板锚分离后被拔出，以备将来重复使用。留在黏土海床中的平板锚在锚链牵引下旋转，直至板面与锚链接近垂直或者施加的拉力达到设计值。

在张拉锚链使锚板旋转的过程中，锚板会向上运动而产生埋深损失。锚板中心在旋转前后的高度差被定义为最终丢失埋深。在强度通常随深度成正比例增加的海床条件下，旋转调节过程中的埋深损失会带来承载力的下降，这一减小量可高达20%(见参考文献[1])。

为了减小埋深损失，通常在锚板上部设置了一个可绕锚板旋转的翼板(Keyingflap)。该设计意图为，当锚板向上运动时翼板相对于锚板向外旋转一定角度，从而增大锚板向上运动时移动方向的承载面积，从而降低锚板向上的位移(即埋深损失)，并以此增大锚板最终的承载力。然而已有实验研究及数值计算对翼板的实际作用提出了异议，有学者甚至认为翼板对减小平板锚的埋深损失无帮助(见参考文献[2~4])。

可见，有必要对传统平板锚的构型进行改进，设计一种能明显减小埋深损失的新型结构的平板锚。

参考文献：

[1] 鲁礼慧. 黏土中板形重力安装锚和吸力式安装平板锚的旋转调节过程[D].大连: 大连理工大学(硕士论文), 2016.

[2] Yinghui Tian, Christophe Gaudin, Mark Jason Cassidy. ImprovingPlate Anchor Design with a Keying Flap[J]. Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering, 2014, 140(5).

[3] Gaudin, C., Simkin, M., White, D. J., and O’Loughlin, C. D..Experimental investigation into the influence of a keying flap on the keyingbehaviour of plate anchors. Proc., 20th Int. Offshore and Polar EngineeringConf., Vol. 2, International Society of Offshore and Polar Engineers,Mountain View, CA, 2010, 533-540.

[4] Tian, Y., Gaudin, C., Cassidy, M. J., and Randolph, M. F..Considerations on the design of keying flap of plate anchors. J. Geotech.Geoenviron. Eng., ASCE, 2013, 1156-1164.

发明内容 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其底部边框上设置可旋转的底板，沉贯时底板基本处于铅锤状态，沉贯就位后向上回拔一定的位移，回拔过程中底板逐步产生旋转并最终至水平，其无需像传统平板锚那样整体旋转而诱发较大的埋深损失，从而大大提高了锚板的承载力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：包括水平设置并呈矩形的边框，边框的两对称侧框边中间位置之间连接有中部底梁，中部底梁两侧边分别转动连接有底板，由底板和中部底梁构成合页结构，每个底板转动至水平时除中部底梁一侧外的其余三边均搭在边框内壁上，所述中部底梁顶部及中部底梁两端方向的边框框边顶部共同竖直向上连接有支撑架，中部底梁上方的支撑架部分其顶部两端分别设有锚眼，两底板转动至竖起后分别向支撑架对应侧面靠拢。

所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的中部底梁横断面下部呈半圆形形状、上部呈矩形形状，矩形的宽度等于半圆形的1/4直径长度，矩形位于半圆形上部的中间，半圆形上部两侧的平台上均匀的焊接多个套筒，每个底板与中部底梁连接的一边分别设有多个旋转轴，每个底板的旋转轴一一对应装配在中部底梁对应侧的套筒中，利用套筒和旋转轴使底板可绕中部底梁旋转形成合页结构。

所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述支撑架为钢梁焊接而成的刚性支架，支撑架在中部底梁上方呈矩形外轮廓状，支撑架在中部底梁两端的边框上方呈等腰三角形外轮廓状，中部底梁的各段内部水平与倾斜的焊接多段钢梁，由此形成刚度与稳定性较大的支架；支撑架均焊接在中部底梁与边框上部的矩形断面的上表面，所述锚眼分别设置在支撑架矩形部分的顶部两端。

所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述支撑架中矩形部分两侧面分别垂直设有限制对应侧底板靠拢位置的限位棒，限位棒用来限制与控制底板的旋转角度使其不大于85°。

所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述边框横断面下部呈半圆形形状、上部呈矩形形状，矩形的宽度等于半圆形的半径，矩形位于半圆形上部的外围，半圆形上部内侧的平台供底板搭放使用；边框的四角焊接加劲肋以提高整体的刚度与稳定性。

一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，桶形基础两对称侧分别设有平行于桶形基础轴向的槽口，两槽口相同方向一端分别沿轴向延伸至对应方向的桶形基础对应方向桶口边沿位置形成开口，所述桶形基础通过两侧槽口呈竖直状态卡在支撑架的矩形部分上，并且支撑架上的锚眼位于桶形基础外，桶形基础上端连接有锚链，锚链上连接有分锚链，且分锚链均匀对称的系泊在两个锚眼上，依靠桶形基础把平板锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加向上拉力使平板锚回拔一定的距离，回拔过程中，海床土体的阻力使底板逐渐产生旋转并最终搭在边框上。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、沉贯过程中平板锚的底板向上旋转，故平板锚沿铅锤方向的面积非常小，且边框与中部底梁的底部为半圆形状，与海床土体的摩擦力相对较小，可见所提平板锚利用桶形基础施工较为方便，阻力较小。

2、平板锚沉贯至设计深度后，通过对锚链施加向上拉力使平板锚回拔一定的位移，回拔过程中海床土体的阻力使底板逐步产生旋转，最终底板成水平状态且其边缘搭在边框上。该回拔的距离可准确预估，即埋深损失较小且可控，而传统平板锚的埋深损失存在较大的不确定性。

3、所提平板锚结构简单、制作方便，成本较低，平板锚的锚泊力取决于底板的总面积，可根据需求制作不同底板面积的平板锚，能为海上浮动平台、海水养殖网箱等提供较大的锚泊力。

附图说明

图1 为本发明平板锚主视图。

图2 为本发明平板锚俯视图。

图3 为本发明平板锚侧视图。

图4 为本发明平板锚三维结构示意图。

图5 为图4中I-I剖面图。

图6 为图4中II-II剖面图。

图7为本发明平板锚的底板旋转至最大角度三维结构示意图。

图8为本发明平板锚的底板旋转至最大角度主视图。

图9 为本发明平板锚的底板旋转示意图。

图10 为本发明平板锚的底板结构示意图。

图11为本发明平板锚隐藏底板后的结构示意图。

图12为本发明平板锚的底板连接详图。

图13 为桶形基础依靠自重下沉压入海床结构示意图。

图14 为本发明平板锚与桶形基础端部连接示意图。

图15 为桶形基础在负压吸力作用下贯入海床结构示意图。

图16 为桶形基础移除后的平板锚位置示意图。

图17 为竖向拖拽锚链使底板旋转最终与边框接触示意图。

附图标记说明：1、边框；2、底板；3、锚眼；4、限位棒；5、中部底梁；6、加劲肋；7、旋转轴；8、套筒；9、桶形基础；10、锚链；A、海平面；B、海床面；β、底板旋转角度。

具体实施方式

参见附图。

一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，包括边框1、底板2与支撑架；边框1呈矩形状，边框1的一组对边中部设置中部底梁5，中部底梁5两侧均匀的设置多个套筒8；底板2的一边设置与套筒8位置相匹配的旋转轴7，旋转轴7穿入套筒8中并进行固定后，底板2可绕中部底梁5进行旋转，底板2平放时除带旋转轴7一边外的其余三边均搭在边框1上；支撑架是在中部底梁5及其两端的边框1上由钢梁焊接而成的刚性支架，系泊锚链10用的两个锚眼3对称的设置在中部底梁5上方支撑架的两侧，支撑架连接边框1、中部底梁5与锚眼3使整体形成刚度与强度较大的稳定结构；施工时，把两个底板2向上旋转至最大角度后与中部底梁5上方支撑架一起卡入桶形基础9底部相应槽口中并进行固定，锚链10的一端使用分锚链均匀对称的系泊在两个锚眼3上，依靠桶形基础9把平板锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础9，再通过对锚链10施加向上拉力使平板锚回拔一定的距离，回拔过程中底板2逐渐产生旋转并最终搭在边框1上，由此形成一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，如图4所示。

上述提及的“水平”、“底部”方位词，是基于所提锚泊基础施工时的姿态来确定的。施工时所提锚泊基础固定、连接在桶形基础的底部，且处于铅锤状态逐步贯入海床中，如图13与图14所示。在此姿态下，“底部”即为沿铅锤线方向的最下方。说明书中其它地方所提的方位词也按此姿态推定得到。上述方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者构件必须具有特定的方位、构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1~图3给出了所提平板锚的主视、俯视、侧视图，图4给出了所提平板锚的三维结构示意图，可见所提平板锚是双向对称结构，即平板锚沿中部底梁5的中心线对称，也沿中部底梁5的中心线垂直的方向对称。

边框1横断面下部呈半圆形形状、上部呈矩形形状，矩形的宽度等于半圆形的半径，矩形位于半圆形上部的外围，半圆形上部内侧的平台供底板2搭放使用，如图5与图6所示。边框底部为半圆形状，可减小沉贯过程中的阻力，便于利用桶形基础进行沉贯施工。当然，如果边框的刚度足够的话，也可以把其改为三角形，其同样具有较小的阻力。

边框1的四角焊接加劲肋6以提高整体的刚度与稳定性，如图7所示。边框1应具有足够的强度与刚度，以适应与满足底板2搭在边框1四周而产生较大的压力、弯矩与剪力。

中部底梁5横断面下部呈半圆形形状、上部呈矩形形状，矩形的宽度等于半圆形的1/4直径长度，矩形位于半圆形上部的中间，如图5所示。中部底梁5半圆形上部两侧的平台上均匀的焊接多个套筒8，底板2上的旋转轴7穿入套筒8后可绕中部底梁5旋转，如图9所示。底板2的结构如图10所示。

底板2平放时，其带旋转轴7的一边搭放在中部底梁5两侧的平台上，其余三边均搭在边框1的内侧平台上，如图4~图6所示。可见，底板2旋转至水平后，其四周受力稳定，且底板本身由钢板制成，具有较高的强度，底板2受到的海床压力能有效的传递给边框1与中部底梁5，进而通过支撑架传递给锚链10，形成可供使用的锚泊力。

底板2向上旋转至最大角度后的结构示意图如图7~图9所示，底板2向上旋转至最大角度后将与限位棒4接触，底板2的最大旋转角度记为β。可见，限位棒4的作用是控制底板2的竖向状态，使底板2不完全处于铅锤状态。若底板2完全处于铅锤状态，在回拔平板锚的过程中，底板2与海床土体的接触面积过小，有可能导致底板2无法旋转展开而丧失锚泊功能，所提平板锚的锚泊力主要依靠展开的底板2与海床土体之间的压力产生的。优选地，限位棒4使底板2向上旋转至最大角度后，底板2与铅垂线之间的夹角不小于5°，即限位棒4用来限制与控制底板2的旋转角度β使其不大于85°。

图11与图12了给出了底板2与中部底梁5的连接情况。

支撑架在中部底梁5上方呈矩形外轮廓状，支撑架在中部底梁5两端的边框1上方呈等腰三角形外轮廓状，中部底梁5的各段内部水平与倾斜的焊接多段钢梁，由此形成刚度与稳定性较大的支架，如图4所示。支撑架均焊接在中部底梁5与边框1上部的矩形断面的上表面。支撑架中部矩形外轮廓状的两端对称的设置两个锚眼3，锚眼3的两侧附近设置限位棒4。

可见，支撑架呈双向对称状态，支撑架一方面联系边框1、底板2、中部底梁5与锚眼3形成稳定的整体结构，另一方面也是桶形基础9沉贯作业时的受力支架。

所提平板锚整体呈双向对称状态，平板锚沉贯就位后的回拔过程中，海床土体的阻力使基本处于竖向状态的底板2向下产生旋转并最终使底板2的边缘搭在边框1上，从而使底板2与竖向锚链10拉力方向基本垂直。

桶形基础也称吸力桩(suction pile)，为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶，安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。平板锚依靠吸力式桶形基础的沉贯作用压入海床至设计深度。依靠桶形基础安装平板锚时，需对桶形基础的底部进行一定的加工与改造，使桶形基础能夹持与固定平板锚。

所提的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚的施工方法，详细描述如下：

1、组装平板锚

把底板2向上旋转至与限位棒4接触后卡入桶形基础9底部槽口中并进行固定，支撑架在中部底梁5上方的顶部与槽口顶部直接接触，锚链10的一端使用分锚链均匀对称的系泊在两个锚眼3上，如图14所示。

2、桶形基础依靠自重下沉接触海床

起吊桶形基础9，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础9，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图13所示。

通常，桶形基础9在自重作用下压入海床的深度应大于其底部槽口的长度，使桶形基础9的底部被海床土体封住，其内部形成封闭的空间，为后续的抽取空气形成负压提供必要的条件。

3、抽取负压使桶形基础贯入海床至设计深度

桶形基础9的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础9贯入至海床土体中，最终桶形基础底部平板锚被压入海床土体至设计深度，如图15所示。

沉贯过程中平板锚的底板向上旋转，故平板锚沿铅锤方向的面积非常小，且边框与中部底梁的底部为半圆形状，与海床土体的摩擦力相对较小，可见所提平板锚利用桶形基础施工较为方便，阻力较小。

4、移除桶形基础

待平板锚压入海床至设计深度后，松开平板锚与桶形基础9的连接，使平板锚脱离桶形基础9，通过连接管对桶形基础9内部充气，使桶形基础9逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础。桶形基础移除后，仅剩平板锚在海床土体中，如图16所示。

5、张拉锚链使底板旋转达到设计要求

平板锚沉贯至设计深度后，通过对锚链10施加向上拉力使平板锚回拔一定的位移，回拔过程中海床土体的阻力使底板2逐步产生旋转，最终底板成水平状态且其边缘搭在边框上时，施工结束，如图17所示。该回拔的距离可准确预估，即埋深损失较小且可控，而传统平板锚的埋深损失存在较大的不确定性。

所提平板锚结构简单、制作方便，成本较低，平板锚的锚泊力取决于底板的总面积，可根据需求制作不同底板面积的平板锚，能为海上浮动平台、海水养殖网箱等提供较大的锚泊力。

附图中仅展示了部分限位桩形状及连接方式的情况，按照所提思路，可以改变底板与支撑架的形状、各构件的连接方式，形成其他类型的带旋转底板的平板锚，其均属于本技术的等效修改与变更，此处不再赘述。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：包括水平设置并呈矩形的边框，边框的两对称侧框边中间位置之间连接有中部底梁，中部底梁两侧边分别转动连接有底板，由底板和中部底梁构成合页结构，每个底板转动至水平时除中部底梁一侧外的其余三边均搭在边框内壁上，所述中部底梁顶部及中部底梁两端方向的边框框边顶部共同竖直向上连接有支撑架，中部底梁上方的支撑架部分其顶部两端分别设有锚眼，两底板转动至竖起后分别向支撑架对应侧面靠拢。

2.根据权利要求1所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的中部底梁横断面下部呈半圆形形状、上部呈矩形形状，矩形的宽度等于半圆形的1/4直径长度，矩形位于半圆形上部的中间，半圆形上部两侧的平台上均匀的焊接多个套筒，每个底板与中部底梁连接的一边分别设有多个旋转轴，每个底板的旋转轴一一对应装配在中部底梁对应侧的套筒中，利用套筒和旋转轴使底板可绕中部底梁旋转形成合页结构。

3.根据权利要求1所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述支撑架为钢梁焊接而成的刚性支架，支撑架在中部底梁上方呈矩形外轮廓状，支撑架在中部底梁两端的边框上方呈等腰三角形外轮廓状，由此形成刚度与稳定性较大的支架；支撑架均焊接在中部底梁与边框上部的矩形断面的上表面，所述锚眼分别设置在支撑架矩形部分的顶部两端。

4.根据权利要求3所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述支撑架中矩形部分两侧面分别垂直设有限制对应侧底板靠拢的限位棒，限位棒用来限制与控制底板的旋转角度使其不大于85°。

5.根据权利要求1所述的一种带旋转底板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述边框横断面下部呈半圆形形状、上部呈矩形形状，矩形的宽度等于半圆形的半径，矩形位于半圆形上部的外围，半圆形上部内侧的平台供底板搭放使用；边框的四角焊接加劲肋以提高整体的刚度与稳定性。

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