CN108528636B - 一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，包括圆弧固定板与平板锚，圆弧固定板底部设置限位钩、上部两侧各设置一个耳孔；平板锚上锚板一边的两端各设置一个系泊孔；施工时，把圆弧固定板与平板锚卡入桶形基础底部相应槽口并进行固定，用钢索把同一侧的耳孔与系泊孔固定相连，并把锚链系泊在锚眼上，依靠桶形基础把圆弧固定板与平板锚贯入至海床设计深度，通过对锚链施加拉力使锚板发生旋转，圆弧固定板通过钢索对锚板进行牵制与约束，直至锚板与锚链接近垂直或者拉力达到设计值时，施工结束。所提平板锚结构简单，制作方便，成本较低，圆弧固定板有效减小锚板在旋转过程中产生的埋深损失，从而大大提高了平板锚的承载力。

Description

一种带圆弧固定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装置领域，具体是一种带圆弧固定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)，如图1所示。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 本发明的目的是提供一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，以解决现有技术平板锚存在的埋深损失的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：包括圆弧固定板、平板锚；所述圆弧固定板为弧度小于180°圆弧形钢板，圆弧固定板其中一个弧边的外弧两端分别设有耳孔，圆弧固定板另一个弧边的内弧位置设有至少一个限位钩；所述平板锚的正面通过锚柄连接有锚眼，平板锚的上部侧边两端分别设有系泊孔，所述圆弧固定板的内弧面与平板锚没有连接锚眼的另一板面相对，圆弧固定板的耳孔与平板锚的系泊孔呈一一对应相对，且相对的耳孔与系泊孔之间通过钢索相连。

所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的圆弧固定板的圆形弧度在90°~170°之间取值，圆弧固定板内弧面的圆弧直径与桶形基础的外径相等，圆弧固定板上的限位钩的卡口宽度大于桶形基础的壁厚。

所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的平板锚包括锚板、锚柄与锚眼，锚眼通过锚柄垂直连接于平板锚其中一个板面上，两个系泊孔设在锚板其中一个侧边两端，两个系泊孔之间的距离大于桶形基础的外径。

所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：采用桶形基础进行施工，桶形基础的一个径向两端的桶壁上分别设有锚板槽口，每侧锚板槽口均平行于桶形基础的轴向，定义两锚板槽口决定的径向为径向A，垂直于径向A的桶形基础径向为径向B，径向B一端的桶形基础桶壁上设有锚眼槽口，径向B另一端的桶形基础桶壁外侧面设有至少一个圆形固定板卡口，所述平板锚插入桶形基础两个锚板槽口中，平板锚的锚眼从桶形基础的锚眼槽口穿出，平板锚上两个系泊孔分别位于桶形基础外，所述圆弧固定板通过其内弧面紧贴桶形基础设有圆形固定板卡口的桶壁，圆弧固定板其中一个弧边的限位钩卡勾在所在桶壁对应方向的弧边上，桶形基础桶壁上的圆形固定板卡口卡勾在圆弧固定板另一个弧边上。

所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的桶形基础中，圆弧固定板卡口的卡口宽度大于圆弧固定板的壁厚，圆弧固定板卡口至所在的桶壁其中一个弧边即圆弧固定板限位钩卡勾的弧边的距离，与圆弧固定板的高度相等。

一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚的施工方法，其特征在于：施工时，把锚链的一端系泊在锚眼上，依靠桶形基础把圆弧固定板与平板锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，通过对锚链施加拉力使锚板发生旋转，锚板旋转过程中圆弧固定板通过钢索对锚板进行牵制与约束，直至锚板与锚链接近垂直或者施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、圆弧固定板通过限位钩与圆弧固定板卡口紧密地固定在桶形基础底部的外侧，沉贯过程中其铅锤方向的面积即为圆弧固定板的横截面面积，该面积非常小，从而土体对其产生的阻力非常小，可见增加圆弧固定板后对整个装置的沉贯阻力影响非常小，与传统平板锚的施工基本无区别。

2、圆弧固定板沉贯至设计深度后，圆弧固定板四周与海床土体紧密接触，即圆弧固定板与海床土体之间能产生较大的摩擦力，其能为锚板提供一个较大的反向拉力，与传统平板锚依靠翼板来减小埋深损失的设计思路相比，具有较大的合理性与先进性。

3、圆弧固定板与平板锚沉贯至设计深度后，通过对锚链施加拉力使锚板发生旋转，锚板旋转过程中圆弧固定板通过钢索对锚板进行牵制与约束，有效减小锚板在旋转过程中产生的埋深损失，从而大大提高了平板锚的承载力。

4、圆弧固定板与锚板之间通过高强钢索相连，钢索属于柔性材料，其只能传递拉力，而不会产生弯矩与剪力等，即使用钢索相连能最大限度的保护圆弧固定板与锚板，避免连接处产生较大的应力集中而屈曲与失效。

5、所提带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，结构简单，制作方便，成本较低，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 为传统平板锚结构示意图。

图2 为本发明圆弧固定板凹面一侧结构示意图。

图3 为本发明圆弧固定板凸面一侧结构示意图。

图4 为本发明锚板结构示意图一。

图5 为本发明锚板结构示意图二。

图6 为本发明所提平板锚结构示意图。

图7 为贯入用桶形基础端部结构示意图。

图8 为本发明所提平板锚与桶形基础端部连接俯视图。

图9 为本发明所提平板锚与桶形基础端部连接仰视图。

图10 为桶形基础依靠自重下沉压入海床结构示意图。

图11 为桶形基础在负压吸力作用下贯入海床结构示意图。

图12 为移除桶形基础后平板锚位置示意图。

图13 为拖拽锚链使锚板逐渐旋转示意图。

图14 为锚板旋转到位后平板锚结构示意图。

图15 为锚板旋转过程示意图。

附图标记说明：1、圆弧固定板；2、限位钩；3、耳孔；4、锚板；5、锚眼；6、系泊孔；7、钢索；8、锚链；9、桶形基础；10、锚板槽口；11、锚眼槽口；12、圆弧固定板卡口；A、海平面；B、海床面。

具体实施方式

如图2-图9所示，一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，包括圆弧固定板1与平板锚；圆弧固定板1为弧度小于180°圆弧形钢板，圆弧固定板1的底部设置至少两个限位钩2，圆弧固定板1的上部两侧各设置一个耳孔3；平板锚上锚板4一边的两端各设置一个系泊孔6；圆弧固定板1与平板锚依靠吸力式桶形基础9贯入海床，桶形基础9的底部设置有与圆弧固定板1与平板锚相匹配的圆弧固定板卡口12、锚板槽口10、锚眼槽口11，施工时，把圆弧固定板1与平板锚卡入桶形基础9底部相应槽口并进行固定后，用钢索7把同一侧圆弧固定板1上的耳孔3与锚板4上的系泊孔6固定相连，并把锚链8的一端系泊在锚眼5上，依靠桶形基础9把圆弧固定板1与平板锚贯入至海床设计深度并移除桶形基础9后，通过对锚链8施加拉力使锚板4发生旋转，锚板4旋转过程中圆弧固定板1通过钢索7对锚板4进行牵制与约束，直至锚板4与锚链8接近垂直或者施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种带圆弧固定板1的吸力贯入式平板锚，如图6所示。

上述提及的“正面”、“底部”与“上部”，是根据圆弧固定板1固定在桶形基础9上并处于铅锤状态进行沉贯作业时的方位进行划分的，如图9与图10所示，即沉贯时位于圆弧固定板1的上方最高位置处为所指的“上部”、圆弧固定板1的下方最低位置处为所指的“底部”，“正面”即为设置锚眼的一侧。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。

圆弧固定板1的圆形弧度在90°~170°之间取值，圆弧固定板1凹面的圆弧直径与桶形基础9的外径相等，圆弧固定板1底部的限位钩2位于凹面侧，限位钩2的卡口宽度大于桶形基础9的壁厚，如图2与图3所示。圆弧固定板1的弧度越大，其面积越大，与土体的摩擦力越大，其能提供的约束力越大，工程实际中尽可能采用较大的弧度值。

上述提及的限位钩的“卡口宽度”是指限位钩与圆弧固定板凹面侧之间的间隙大小或空间距离，施工时桶形基础9的桶壁将嵌入该间隙中。

可见，圆弧固定板的凹面一侧能与桶形基础的外侧紧密接触，圆弧固定板通过限位钩与圆弧固定板卡口紧密地固定在桶形基础底部的外侧，沉贯过程中其铅锤方向的面积即为圆弧固定板的横截面面积，该面积非常小，从而土体对其产生的阻力非常小。因此，增加圆弧固定板后对整个装置的沉贯阻力影响非常小，与传统平板锚的施工基本无区别。

平板锚由锚板4、锚柄与锚眼5焊接而成，平板锚上锚板4一边的两端各设置一个系泊孔6，锚板4上两个系泊孔6之间的距离大于桶形基础9的外径，如图4与图5所示。可见，所提平板锚与传统构型基本相同，只是未设置翼板。一般地，锚板4呈矩形状，其长边大于桶形基础9的外径，在一个长边的两端设置系泊孔6。

桶形基础9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。

沉贯圆弧固定板1与平板锚使用的桶形基础9的底部沿一直径方向设置一对锚板槽口10，与该直径方向垂直的一侧设置一个锚眼槽口11，与该直径方向垂直的另一侧凸面设置至少两个圆弧固定板卡口12，圆弧固定板卡口12的卡口宽度大于圆弧固定板1的壁厚，圆弧固定板卡口12至桶形基础9底部的距离与圆弧固定板1的高度相等，如图7所示。

圆弧固定板1与平板锚卡入桶形基础9底部相应槽口并进行固定后的结构示意图如图8与图9所示。锚板4卡在锚板槽口10中，且带系泊孔6的长边位于上部，同时平板锚的锚眼5卡在锚眼槽口11中。锚板槽口10与锚眼槽口11的深度，应使平板锚卡入相应槽口后，锚板4与锚眼5同时接触各槽口的顶部。

圆弧固定板1带有耳孔3的圆弧边卡入桶形基础9底部外侧的圆弧固定板卡口12的同时，圆弧固定板1底部的限位钩2正好套住桶形基础9的底部，即圆弧固定板1在圆弧固定板卡口12与限位钩2作用下能与桶形基础9底部外侧紧密接触，且在沉贯过程中摩阻力作用下与桶形基础9不发生相对位移。

圆弧固定板1与平板锚卡入桶形基础9底部后，两侧的耳孔3与系泊孔6距离较近，用钢索7把同一侧圆弧固定板1上的耳孔3与锚板4上的系泊孔6固定相连，从而使圆弧固定板1与平板锚连接形成整体。

圆弧固定板与锚板之间通过高强钢索相连，钢索7属于柔性材料，其只能传递拉力，而不会产生弯矩与剪力等，即使用钢索7相连能最大限度的保护圆弧固定板与锚板，避免连接处产生较大的应力集中而屈曲与失效。

且由于各侧的耳孔3与系泊孔6距离较近，及所需的钢索7长度较小，钢索7的存在对平板锚沉贯阻力的影响基本可忽略不计。

所提的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚的施工方法，详细描述如下：

1、组装圆弧固定板与平板锚；

把圆弧固定板1与平板锚卡入桶形基础9底部相应槽口并进行固定，用钢索7把同一侧圆弧固定板1上的耳孔3与锚板4上的系泊孔6固定相连，并把锚链8的一端系泊在锚眼5上，如图8与图9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10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锚板槽口10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，从而把桶形基础贯入至海床土体中，最终桶形基础底部的圆弧固定板1与平板锚被压入海床土体至设计深度，如图11所示。

4、移除桶形基础；

待平板锚压入海床至设计深度后，松开圆弧固定板1及平板锚与桶形基础9的连接，使圆弧固定板1及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，仅剩圆弧固定板1及平板锚在海床土体中，如图12所示。

5、张拉锚链使锚板旋转达到设计要求。

通过对锚链8施加拉力使锚板4发生旋转，锚板4旋转过程中圆弧固定板1通过钢索7对锚板4进行牵制与约束，直至锚板4与锚链8接近垂直或者施加的拉力达到设计值时，施工结束。锚板4的逐步旋转过程如图13与图14所示。

圆弧固定板与平板锚沉贯至设计深度后，通过对锚链施加拉力使锚板发生旋转，锚板旋转过程中圆弧固定板通过钢索对锚板进行牵制与约束，有效减小锚板在旋转过程中产生的埋深损失，从而大大提高了平板锚的承载力。

图15进一步给出锚板的旋转示意图。当然，锚板4旋转过程中，锚板4对圆弧固定板1的拉力可使圆弧固定板1产生一定旋转与位移，圆弧固定板1难以处在初始的铅锤状态。圆弧固定板1四周与海床土体紧密接触，即圆弧固定板1与海床土体之间能产生较大的摩擦力，其能为锚板4提供一个较大的反向拉力，与传统平板锚依靠翼板来减小埋深损失的设计思路相比，具有较大的合理性与先进性。

在平板锚使用过程中，圆弧固定板始终对锚板进行牵制与约束，即圆弧固定板与锚板共同提供锚泊力。圆弧固定板1与海床土体之间能产生较大的摩擦力，圆弧固定板及锚板在海床土体的重力及摩擦力的作用下，共同形成较大的锚泊力。而传统带翼板的平板锚，其翼板面积较小，翼板能产生的锚泊力有限，且翼板对减小锚板的埋深损失作用有限。

圆弧固定板1上的耳孔3与锚板4上的系泊孔6将产生较大的应力集中，耳孔3与系泊孔6的强度应满足锚板的旋转需求，使其在恶劣工况下不发生屈曲与失效。

所提带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，结构简单，制作方便，成本较低。

附图中仅展示了圆弧形固定板的情况，按照所提思路，可以改变固定板的形状、固定板与锚板的连接方式，形成其他类型的两部分共同组成的平板锚，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)

1.一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：包括圆弧固定板、平板锚；所述圆弧固定板为弧度小于180°圆弧形钢板，圆弧固定板其中一个弧边的外弧两端分别设有耳孔，圆弧固定板另一个弧边的内弧位置设有至少一个限位钩；所述平板锚的正面通过锚柄连接有锚眼，平板锚的上部侧边两端分别设有系泊孔，所述圆弧固定板的内弧面与平板锚没有连接锚眼的另一板面相对，圆弧固定板的耳孔与平板锚的系泊孔呈一一对应相对，且相对的耳孔与系泊孔之间通过钢索相连。

2.根据权利要求1所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的圆弧固定板的圆形弧度在90°~170°之间取值，圆弧固定板内弧面的圆弧直径与桶形基础的外径相等，圆弧固定板上的限位钩的卡口宽度大于桶形基础的壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的平板锚包括锚板、锚柄与锚眼，锚眼通过锚柄垂直连接于平板锚其中一个板面上，两个系泊孔设在锚板其中一个侧边两端，两个系泊孔之间的距离大于桶形基础的外径。

4.根据权利要求1所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：采用桶形基础进行施工，桶形基础的一个径向两端的桶壁上分别设有锚板槽口，每侧锚板槽口均平行于桶形基础的轴向，定义两锚板槽口决定的径向为径向A，垂直于径向A的桶形基础径向为径向B，径向B一端的桶形基础桶壁上设有锚眼槽口，径向B另一端的桶形基础桶壁外侧面设有至少一个圆形固定板卡口，所述平板锚插入桶形基础两个锚板槽口中，平板锚的锚眼从桶形基础的锚眼槽口穿出，平板锚上两个系泊孔分别位于桶形基础外，所述圆弧固定板通过其内弧面紧贴桶形基础设有圆形固定板卡口的桶壁，圆弧固定板其中一个弧边的限位钩卡勾在所在桶壁对应方向的弧边上，桶形基础桶壁上的圆形固定板卡口卡勾在圆弧固定板另一个弧边上。

5.根据权利要求4所述的一种带圆弧固定板的吸力贯入式平板锚，其特征在于：所述的桶形基础中，圆弧固定板卡口的卡口宽度大于圆弧固定板的壁厚，圆弧固定板卡口至所在的桶壁其中一个弧边即圆弧固定板限位钩卡勾的弧边的距离，与圆弧固定板的高度相等。

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