CN108360486A - 自升式海洋平台预制装配式桩腿 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自升式海洋平台预制装配式桩腿，包括预制装配式不锈钢外管和高强钢圆钢管，所述高强钢圆钢管设置在所述预制装配式不锈钢外管之内。本发明的有益效果是：采用预制装配式不锈钢外管和高强钢圆钢管组合，高强钢圆钢管仅仅承受竖向静态荷载，为主要承重部件，而预制装配式不锈钢外管则仅仅承受横向环境荷载，且有效隔绝了海水及海洋生物附着等腐蚀性介质对内部高强钢圆钢管的侵蚀，从而能够显著减小内部高强钢圆钢管的直径和壁厚，不仅有效降低了高强钢材料的用钢量，节省了建造成本，而且大幅减轻了桩腿自重。

Description

自升式海洋平台预制装配式桩腿

技术领域

本发明涉及海洋平台，尤其涉及一种自升式海洋平台预制装配式桩腿。

背景技术

伴随着海洋平台钢结构的快速发展，其性能上的缺陷也逐渐显现。钢结构中大规模应用的普通碳素钢材料在滨海腐蚀性环境下容易被腐蚀，特别是海洋平台支承构件，长期浸泡于海水中，钢材受海水及海洋生物附着等腐蚀性介质的影响尤为突出，会削弱支承钢构件截面，降低其承载力，严重影响海洋平台的安全性和耐久性。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种自升式海洋平台预制装配式桩腿。

本发明提供了一种自升式海洋平台预制装配式桩腿，包括预制装配式不锈钢外管和高强钢圆钢管，所述高强钢圆钢管设置在所述预制装配式不锈钢外管之内。

作为本发明的进一步改进，所述预制装配式不锈钢外管、高强钢圆钢管之间填充有液体。

作为本发明的进一步改进，所述预制装配式不锈钢外管、高强钢圆钢管之间填充有水。

作为本发明的进一步改进，所述高强钢圆钢管内置有纵向贯通的钢板加劲肋。

作为本发明的进一步改进，所述钢板加劲肋的两端设有齿条，所述齿条位于所述高强钢圆钢管的圆形端面之外。

作为本发明的进一步改进，所述齿条与所述预制装配式不锈钢外管不接触，所述钢板加劲肋的宽度大于所述高强钢圆钢管的直径，所述钢板加劲肋与所述高强钢圆钢管的高度相等，所述钢板加劲肋位于所述高强钢圆钢管的圆心上。

作为本发明的进一步改进，所述高强钢圆钢管主要由两个形状相同的半圆钢管对接并与所述钢板加劲肋焊接而成。

作为本发明的进一步改进，所述预制装配式不锈钢外管包括至少四个形状相同的外表面光滑的不锈钢等肢卷边角钢，相邻的所述不锈钢等肢卷边角钢首尾卡扣连接围合形成封闭的预制装配式不锈钢外管。

作为本发明的进一步改进，所述不锈钢等肢卷边角钢的一端设有弯钩，所述不锈钢等肢卷边角钢的另一端设有钩槽。

作为本发明的进一步改进，所述弯钩、钩槽均位于所述预制装配式不锈钢外管的内侧。

本发明的有益效果是：通过上述方案，采用预制装配式不锈钢外管和高强钢圆钢管组合，高强钢圆钢管仅仅承受竖向静态荷载，为主要承重部件，而预制装配式不锈钢外管则仅仅承受横向环境荷载，且有效隔绝了海水及海洋生物附着等腐蚀性介质对内部高强钢圆钢管的侵蚀，从而能够显著减小内部高强钢圆钢管的直径和壁厚，不仅有效降低了高强钢材料的用钢量，节省了建造成本，而且大幅减轻了桩腿自重。

附图说明

图1是本发明一种自升式海洋平台预制装配式桩腿的截面示意图。

图2是本发明一种自升式海洋平台预制装配式桩腿的不锈钢等肢卷边角钢的示意图。

图3是本发明一种自升式海洋平台预制装配式桩腿的预制装配式不锈钢外管的示意图。

图4是本发明一种自升式海洋平台预制装配式桩腿的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，一种自升式海洋平台预制装配式桩腿，包括预制装配式不锈钢外管10和高强钢圆钢管2，所述高强钢圆钢管2设置在所述预制装配式不锈钢外管10之内。

如图1至图4所示，所述预制装配式不锈钢外管10、高强钢圆钢管2之间填充有液体。

如图1至图4所示，所述预制装配式不锈钢外管10、高强钢圆钢管2之间填充有水5。

如图1至图4所示，所述高强钢圆钢管2内置有纵向贯通的钢板加劲肋3。

如图1至图4所示，所述钢板加劲肋3的两端设有齿条31，所述齿条31位于所述高强钢圆钢管2的圆形端面之外，即所述钢板加劲肋3的宽度大于所述高强钢圆钢管2的直径，所述钢板加劲肋3与所述高强钢圆钢管2的高度相等，所述钢板加劲肋3位于所述高强钢圆钢管2的圆心上。

如图1至图4所示，所述齿条31与所述预制装配式不锈钢外管10不接触。

如图1至图4所示，所述高强钢圆钢管2主要由两个形状相同的半圆钢管对接并分别与所述钢板加劲肋3焊接而成，焊缝4如图1所示。

如图1至图4所示，所述预制装配式不锈钢外管10包括四个形状相同的不锈钢等肢卷边角钢1，相邻的所述不锈钢等肢卷边角钢1首尾卡扣连接围合形成封闭的预制装配式不锈钢外管10。

如图1至图4所示，所述不锈钢等肢卷边角钢1的一端设有弯钩11，所述不锈钢等肢卷边角钢的另一端设有钩槽12。

如图1至图4所示，所述弯钩11、钩槽12均位于所述预制装配式不锈钢外管10的内侧，所述弯钩11、钩槽12组合装配形成预制装配式不锈钢外管10的内置纵向短加劲肋。

如图1至图4所示，所述预制装配式不锈钢外管10为薄壁不锈钢制成。

本发明提供的一种自升式海洋平台预制装配式桩腿，针对目前在海洋工程中广泛应用的自升式海洋平台，考虑其结构形式与工作特点，特别设计了一种中空注水夹层薄壁不锈钢预制装配式组合构件，作为受海水腐蚀性介质影响最为严重、受力最不利和最难以维护的自升式海洋平台的桩腿。考虑到海洋平台支承构件往往需要承受较大的静态荷载（包括海洋平台自重和工作荷载）和环境荷载（包括风荷载、波浪荷载、海流荷载、冰荷载甚至地震作用），实际工程中通常采用厚壁的高强钢圆钢管2作为主要承重构件，其用钢量往往较大，特别是海洋平台腐蚀最严重的浪花飞溅区和海水潮差区，还需要承受海水及海洋生物附着等腐蚀性介质的长期侵蚀，高强钢圆钢管2的用钢量往往更大（需要预留腐蚀余量），而不锈钢材料价格昂贵，尤其是承载力较高的高强不锈钢材料，用其完全取代高强钢既不现实也没有必要。因此，本发明仍然采用传统的高强钢圆钢管2作为自升式海洋平台桩腿的主要承重构件，高强钢圆钢管2由两个相同尺寸的半圆钢管与一块两端带有齿条且长度大于半圆钢管直径的厚钢板焊接而成，形成一种内置纵向贯通加劲肋的高强钢圆钢管2，从而有效保证了高强钢圆钢管2的整体稳定性和局部稳定性，而外伸的齿条31则构成了海洋平台升降机构的重要组成部分。针对高强钢在滨海腐蚀性环境下容易被腐蚀，尤其是自升式海洋平台桩腿上的齿条31容易被海洋生物附着腐蚀，严重影响海洋平台升降机构的正常工作，无论是涂装保护法还是阴极保护法，都难以实现其长效防腐的功效。因此，本发明拟采用分段包覆不锈钢材料的耐蚀金属保护法对自升式海洋平台的带肋高强钢承重管进行保护，为避免两种不同金属材料在腐蚀性溶液中产生电偶腐蚀，外部包覆的预制装配式不锈钢外管10与内部高强钢圆钢管2应保持足够间距。考虑到海洋平台远离海岸，工作环境极其恶劣，不锈钢材料的常规包覆作业现场施工困难，而后期的维护工作更是难以进行。因此，拟采用预制装配式不锈钢外管10，对内部高强钢圆钢管2进行分段包覆作业。选择四个尺寸相同的预制的不锈钢等肢卷边角钢1，不锈钢等肢卷边角钢1端部分别进行弯钩11和钩槽12处理，将不锈钢等肢卷边角钢1的弯钩11和钩槽12环环相扣，连成一体，弯钩11和钩槽12则形成内置纵向短加劲肋，形成一种内置四条纵向短加劲肋的不锈钢装配方钢管，即预制装配式不锈钢外管10，且加劲肋全部位于预制装配式不锈钢外管10边长的中间位置，并确保外部的预制装配式不锈钢外管10与内部的高强钢圆钢管2的质心完全重合，形成一种类似于组合结构中常用的夹层钢管结构形式。考虑到不锈钢材料高昂的价格，不锈钢构件往往被加工成薄壁形式以进一步提高材料的使用效率，并充分利用其应变硬化阶段以提高材料的设计强度，从而降低成本，获得更好的经济效益。然而另一方面，薄壁不锈钢构件往往导致其稳定问题更为突出，难以充分发挥材料的力学性能，虽然内置的四条纵向短加劲肋有助于提高薄壁的预制装配式不锈钢外管10的整体稳定性和局部稳定性，但是在较大静态荷载作用下，薄壁的预制装配式不锈钢外管10的局部屈曲几乎不可避免。因此，自升式海洋平台的静态荷载（通常为竖向荷载）完全由桩腿内部的高强钢圆钢管2单独承受，而桩腿外部的预制装配式不锈钢外管10则主要用来承受环境荷载（通常为横向荷载）。此外，考虑到自升式海洋平台的可移动性和施工特点，在海洋平台的组装和作业过程中，考虑在组合构件内部的高强钢圆钢管2与外部的预制装配式不锈钢外管10之间注水，不但能够协助海洋平台桩腿在组装过程中的沉底固定，还有利于配合组合构件协同抵抗外部荷载，进一步提高桩腿的稳定承载力以及抗火和耐低温性能；而且在海洋平台作业完毕转移时，还能够通过抽取组合构件内部的高强钢圆钢管2与外部的预制装配式不锈钢外管10之间注入的水5，协助海洋平台桩腿的拔起撤离，且抽取的注水能够反复循环使用，有效的节约了海洋平台上宝贵的水资源。

本发明提供的一种自升式海洋平台预制装配式桩腿为一种中空注水夹层薄壁不锈钢预制装配式组合构件，应用于自升式海洋平台的桩腿具有诸多显著的性能优势：首先，组合构件内部为带肋的高强钢圆钢管2，焊缝区域明显集中，既是高应力区，同时还可能存在焊接残余应力、焊接缺陷，是最容易产生严重腐蚀的部位，在滨海腐蚀性环境下，在焊接热影响区极易发生应力腐蚀、缝隙腐蚀和焊接腐蚀，且焊剂与海水的联合作用还将加速腐蚀；同时在疲劳荷载作用下也容易发生疲劳破坏，尤其是受海水及海洋生物附着等腐蚀性介质的长期侵蚀，极易引发腐蚀疲劳破坏。而组合构件外部包覆的预制装配式不锈钢外管10表面光滑，防锈耐腐，能有效隔绝海水和海洋生物附着等腐蚀性介质以及火灾和低温环境对内部高强钢圆钢管2的侵蚀。

尤其值得一提的是，本发明的一个显著特点是组合构件外部的薄壁的预制装配式不锈钢外管10由四个尺寸相同的不锈钢等肢卷边角钢1沿分肢端部的弯钩11和钩槽12装配而成，完全避免了工程中常用的焊接连接，而装配部位更是避开了方钢管角部的应力集中区域，不仅从施工工艺上杜绝了容易发生腐蚀的可能性，而且有利于改善构件的疲劳性能，同时由装配在一起的各个角钢分肢端部的弯钩11和钩槽12形成的内置纵向短加劲肋也有利于提高预制装配式不锈钢外管10的整体稳定性和局部稳定性。更为重要的是，预制装配式不锈钢外管10的安装、拆卸施工方便，可以反复循环使用；而薄壁的不锈钢等肢卷边角钢1的应用不但充分发挥了不锈钢材料外形美观、防锈耐腐、抗火耐低温和易于维护的优良性能，而且最大限度的降低了不锈钢材料的用钢量，节省了建造成本；且自升式海洋平台的可移动性使得其桩腿可以反复循环使用，符合节能环保要求，进一步降低了造价。

值得注意的是，本发明的另一个显著特点是组合构件内部的带肋的高强钢圆钢管2仅仅承受竖向静态荷载，而外部的预制装配式不锈钢外管10仅仅承受横向环境荷载，且有效隔绝了海水及海洋生物附着等腐蚀性介质对内部带肋的高强钢圆钢管2的侵蚀，从而能够显著减小内部高强钢圆钢管2的直径和壁厚，不仅有效降低了高强钢材料的用钢量，节省了建造成本，而且大幅减轻了桩腿自重，降低了地震作用效应；特别是针对自升式海洋平台通常采用工厂预制、整体拖运到作业海域进行组装的特点，较轻的桩腿自重对运输安全至关重要，且能大幅降低运输费用。

此外，本发明的第三个显著特点是在组合构件内部的高强钢圆钢管2与外部的预制装配式不锈钢外管10之间注水，不但能够与高强钢圆钢管2、预制装配式不锈钢外管10形成一个整体，共同抵抗外部荷载，显著提高组合构件的稳定承载力，而且还能起到吸收地震能量的作用，有利于提高整体抗震性能；同时还能配合外部的预制装配式不锈钢外管10进一步隔绝火灾和低温环境对内部的高强钢圆钢管2的侵蚀，有助于提高组合构件的整体抗火和耐低温性能。

然而，不可否认的是，不锈钢虽然具有良好的防锈耐腐性能，但其材料自身在滨海腐蚀性环境下容易产生点蚀，引起局部应力集中，损伤不锈钢表面形成的钝化膜，从而引起局部应力腐蚀；特别是在海洋平台腐蚀最严重的浪花飞溅区和海水潮差区，不锈钢表面长期遭受飞溅海浪的不断冲击，有可能进一步破坏不锈钢表面形成的钝化膜，并引发腐蚀疲劳破坏。对此，本发明的第四个显著特点是组合构件外部的预制装配式不锈钢外管10采用分段组装的施工工艺，不仅极大的减小了预制装配式不锈钢外管10的长细比，降低了其柔性，而且可以针对海洋平台桩腿腐蚀程度不同的区域采用不同壁厚的预制装配式不锈钢外管10进行保护，对于海洋平台腐蚀最严重的浪花飞溅区和海水潮差区，可以采用较厚的预制装配式不锈钢外管10进行保护（提前预留腐蚀余量），而对于海洋平台腐蚀较小的海水全浸区，采用较薄的预制装配式不锈钢外管10进行保护；即使预制装配式不锈钢外管10在海水及海洋生物附着等腐蚀性介质的长期侵蚀作用下最终发生应力腐蚀或腐蚀疲劳破坏，也可以仅仅通过更换损坏部分的不锈钢等肢卷边角钢1进行后期维护，不仅施工方便，而且维护费用较低，成本可控，有利于实现海洋平台钢结构的长效防腐，进一步延长其使用寿命。

综上所述，本发明提供的一种自升式海洋平台预制装配式桩腿将高强钢、不锈钢和注水组合在一起，利用组合构件内部的带肋的高强钢圆钢管2承受竖向静态荷载，利用组合构件外部的薄壁的预制装配式不锈钢外管10承受横向环境荷载以及海水和海洋生物附着等腐蚀性介质的侵蚀，利用夹层钢管和注入的水5在受力过程中的相互作用，充分发挥了不同材料各自的性能优势，又克服了彼此单独使用时的不足，具有外形美观、防锈耐腐、承载力高、稳定性好、施工方便、易于维护、抗震、抗火和耐低温性能好等一系列优点，在海洋平台结构领域特别是作为自升式海洋平台的桩腿具有广阔的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：包括预制装配式不锈钢外管和高强钢圆钢管，所述高强钢圆钢管设置在所述预制装配式不锈钢外管之内。

2.根据权利要求1所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述预制装配式不锈钢外管、高强钢圆钢管之间填充有液体。

3.根据权利要求2所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述预制装配式不锈钢外管、高强钢圆钢管之间填充有水。

4.根据权利要求1所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述高强钢圆钢管内置有纵向贯通的钢板加劲肋。

5.根据权利要求4所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述钢板加劲肋的两端设有齿条，所述齿条位于所述高强钢圆钢管的圆形端面之外。

6.根据权利要求5所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述齿条与所述预制装配式不锈钢外管不接触，所述钢板加劲肋的宽度大于所述高强钢圆钢管的直径，所述钢板加劲肋与所述高强钢圆钢管的高度相等，所述钢板加劲肋位于所述高强钢圆钢管的圆心上。

7.根据权利要求5所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述高强钢圆钢管主要由两个形状相同的半圆钢管对接并与所述钢板加劲肋焊接而成。

8.根据权利要求1所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述预制装配式不锈钢外管包括至少四个形状相同的外表面光滑的不锈钢等肢卷边角钢，相邻的所述不锈钢等肢卷边角钢首尾卡扣连接围合形成封闭的预制装配式不锈钢外管。

9.根据权利要求8所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述不锈钢等肢卷边角钢的一端设有弯钩，所述不锈钢等肢卷边角钢的另一端设有钩槽。

10.根据权利要求9所述的自升式海洋平台预制装配式桩腿，其特征在于：所述弯钩、钩槽均位于所述预制装配式不锈钢外管的内侧。