CN108528638B - 一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，包括能组合成360°的不少于两个的圆弧形钢板；圆弧形钢板的外侧设置有带圆孔的翼板，圆弧形钢板的边缘处设置有系泊孔，圆弧形钢板的底部设置有向内突出的凹槽；施工时，把圆弧形钢板组成圆柱体状，把锚链系泊在一个圆弧形钢板的圆孔上，用钢索依次连接各圆弧形钢板的系泊孔组成串联形状，再把桶形基础嵌入组合锚的内部并压在凹槽上，依靠桶形基础把组合锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力达到设计值时，施工结束。所提锚泊基础在锚链拉力作用下各圆弧形钢板的姿态不尽相同，能增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

Description

一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚

技术领域

本发明涉及深海浮式平台或深水网箱的锚泊技术领域，具体是一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚。

背景技术

针对海床的特殊地质条件，自1990年以来出现了一种海洋平台特殊基础形式——桶形基础(也称吸力桩，suction pile)，其多为底端开口、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。

后来，工程人员基于桶形基础在海上贯入海床较为方便的特征，把桶形基础发展至作为海洋锚泊基础的一种施工工具。有的国家已有实力较强的海洋工程施工企业(如荷兰的SPT Offshore公司)，能利用桶形基础开展各类海洋工程施工的能力，自动化、智能化程度非常高。我国虽然是个海洋大国，拥有面积较大的海域，但在利用桶形基础开展海洋工程的施工方面与国外还具有一定的差距。

目前，能利用桶形基础进行施工的锚泊基础主要包括：埋入式吸力锚(embeddedsuction anchor)与吸力贯入式平板锚(Suction embedded plate anchor)。

埋入式吸力锚的抗拔承载力主要由圆桶四周与土体的摩擦及部分海床土体的自重产生，具体与系泊点位置、海床土体类型、沉贯深度等有关。一般地，埋入式吸力锚的表面积有限，故其与土体的摩擦力也有限；另一方面，埋入式吸力锚沿锚链垂直方向的投影面积也非常有限，故其沿锚链方向能兜住的海床土体的面积较小，海床土体的自重对锚泊力的贡献也较小。若通过增大埋入式吸力锚的长度与直径来提高其抗拔承载力，则大大增加施工难度，也是不可取的。

吸力贯入式平板锚的平面形状为矩形，安装时竖直固定在桶形基础中，桶形基础在自重和抽水造成的负压作用下贯入至预定深度。桶形基础与平板锚分离后被拔出，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%。可见，平板锚也具有一定的局限性。

可见，还需对基于桶形基础的吸力贯入式锚泊基础的构型进行创新性设计，使其具有较大的抗拔承载力，且施工较为方便。

发明内容 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其利用桶形基础贯入海床，在海床中展开后各圆弧形钢板呈串联形状，在锚链拉力作用下各圆弧形钢板的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其特征在于：包括多个圆弧形钢板，多个圆弧形钢板组合拼接成中空的完整圆柱体状，每个圆弧形钢板的外侧位于轴向中间线位置连接有沿径向展开的翼板，翼板平行于圆弧形钢板的轴向，翼板上设有垂直贯通翼板的圆孔，其中一个翼板的圆孔连接锚链，每个圆弧形钢板的外侧面靠近两弧向侧边位置分别设有系泊孔，且相邻两个圆弧形钢板用于相互拼接的弧向侧边的系泊孔呈相对设置，除了一组呈相对设置的系泊孔外，其余呈相对设置的系泊孔通过钢索连接，构成多个圆弧形钢板的串联结构，每个圆弧形钢板轴向下端内弧面分别设有向内突出的凹槽，多个圆弧形钢板的凹槽拼接为环形。

所述的一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其特征在于：圆弧形钢板的数量与其弧度的乘积等于360°。

所述的一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其特征在于：所述的翼板呈矩形形状，每个圆弧形钢板外侧设置一个或多个翼板。

一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，桶形基础同轴嵌入多个圆弧形钢板组合拼接成的圆柱体中，桶形基础轴向下端压在各个圆弧形钢板内凹槽拼接成的环形体上，依靠桶形基础把组合锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使各个圆弧形钢板发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，完成带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工贯入。

所述的带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工贯入设备，其特征在于：所述的圆弧形钢板的内径略大于桶形基础的外径，圆弧形钢板底部向内突出的凹槽能兜住桶形基础的桶壁。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明所提的组合锚由多个圆弧形钢板的组装而成，施工时其紧贴于桶形基础的底部外壁，其沿沉贯方向的面积非常小，利用桶形基础开展沉贯施工较为方便，阻力相对较小。

2、本发明所提的组合锚在锚链拉力作用下的各个圆弧形钢板将发生自由移动，各个圆弧形钢板的姿态不尽相同，能最大可能的增加与海床土体的摩擦力，从而提高了锚泊基础总体的抗拔承载力。

3、所提组合锚结构简单、制作方便，成本较低，各个圆弧形钢板的外壁设置翼板能进一步提高其抗拔承载力，可根据需求制作不同尺寸与数量的圆弧形钢板，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图说明

图1 为本发明实施例1的圆弧形锚三维结构示意图一。

图2 为本发明实施例1的圆弧形锚三维结构示意图二。

图3 为本发明实施例1的圆弧形锚组合三维示意图。

图4 为桶形基础依靠自重下沉压入海床结构示意图。

图5 为本发明实施例1与桶形基础连接详图。

图6 为图5中I-I剖面详图。

图7 本发明实施例1中的桶形基础在负压吸力作用下贯入海床结构示意图。

图8 为桶形基础移除后的圆弧形组合锚位置示意图。

图9 为本发明实施例1的可能工作状态之一。

图10 为本发明实施例2的圆弧形锚三维结构示意图一。

图11 为本发明实施例2的圆弧形锚三维结构示意图二。

图12 为本发明实施例2的圆弧形锚组合三维示意图。

图13 为本发明实施例2的可能工作状态之一。

图14 为本发明实施例3的圆弧形锚三维结构示意图一。

图15 为本发明实施例3的圆弧形锚三维结构示意图二。

图16 为本发明实施例3的圆弧形锚组合三维示意图。

图17 为本发明实施例3的可能工作状态之一。

附图标记说明：1、圆弧形钢板；2、翼板；3、系泊孔；4、圆孔；5、凹槽；6、锚链；7、桶形基础；8、钢索；A、海平面；B、海床面。

具体实施方式

如图1- 图17所示，一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，包括能相互组合成360°的不少于两个的圆弧形钢板1；圆弧形钢板1的外侧设置有带圆孔4的翼板2，圆弧形钢板1的边缘处设置有系泊孔3，圆弧形钢板1的底部设置有向内突出的凹槽5；施工时，把圆弧形钢板1组合成中空圆形的圆柱体状，把锚链6的一端系泊在一个圆弧形钢板1的圆孔4上，用钢索8依次连接各圆弧形钢板1的系泊孔3使各圆弧形钢板1组成串联形状，再把桶形基础7的底部嵌入组合锚的内部并压在各圆弧形钢板1的凹槽5上，依靠桶形基础7把组合锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础7，再通过对锚链6施加拉力使各个圆弧形钢板1发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚。

上述提及的“竖向”、“边缘”、“向内”等方位词，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7的底部，且处于铅锤状态逐步贯入海床中，如图4所示。在此姿态下，来确定各方位词的具体指向。说明书中其它地方所提的方位词也按此姿态推定得到，如“水平”即为与铅锤线垂直的方向。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。

圆弧形钢板1的内径略大于桶形基础7的外径，圆弧形钢板1底部向内突出的凹槽5能兜住桶形基础7的桶壁，如图5与图6所示。

凹槽5的边缘向上凸起，如图6所示，即桶形基础7的底部能卡在圆弧形钢板1底部的凹槽5中，便于固定与安装圆弧形钢板1。凹槽5上部的凹面宽度应大于圆弧形钢板1的壁厚。

组合锚中所需圆弧形钢板1的数量与其弧度的乘积等于360°，如采用两个圆弧形钢板1时，每个圆弧形钢板1的弧度为180°；采用三个圆弧形钢板1时，每个圆弧形钢板1的弧度为120°；采用四个圆弧形钢板1时，每个圆弧形钢板1的弧度为90°。圆弧形钢板1数量越多，每个圆弧形钢板1的弧度越小，其钢板面积越小，与海床土体产生的摩擦力有限，可见圆弧形钢板1的数量不是越多越好。优选地，圆弧形钢板1的数量取值为2~4之间。

翼板2呈矩形形状，圆弧形钢板1的外侧设置一个或多个翼板2，如图1所示。采用一个翼板2时，优选地，翼板2的高度与圆弧形钢板1高度相等，翼板2的宽度与圆弧形钢板1的一半弧长大致相等，这样翼板2与圆弧形钢板1形成三角形形状，这样可保证在海床土体中任意移动时圆弧形钢板1与海床土体的摩擦力较大。

可根据需要采用不同形状与数量的圆弧形钢板1，形成不同的实施方式。下面介绍几种实施例。

实施例1：组合锚共采用两个圆弧形钢板1，即圆弧形钢板1弧度为180°，如图1与图2所示。两个圆弧形钢板1能组合成中空的圆柱体状，如图3所示。

所提的一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工方法，介绍如下：

1、连接锚泊基础；

把各圆弧形钢板1组合成中空的圆柱体状，再把桶形基础7的底部嵌入该圆柱体内部并压在凹槽5上，把锚链6的一端系泊在一个圆弧形钢板1的圆孔4上，再用钢索8连接两个圆弧形钢板1一侧的系泊孔3使其组成串联形状，如图5所示。

应采取辅助措施对组装成圆柱体形状的各圆弧形钢板1进行简易的相互固定，使其在施工期间不会松散。当然，还需要一些辅助构件来实现组合锚与桶形基础之间的后续可解脱的固定与连接，该部分构件过于复杂而未在附图中体现，但现有公知技术可现实该操作，此处不再详细描述。

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。

2、桶形基础依靠自重下沉接触海床；

起吊桶形基础7，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础7，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4所示。桶形基础7底部在重力作用下压入海床一定的深度，使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7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7贯入至海床土体中，最终桶形基础底部组合锚被压入海床土体至设计深度，如图7所示。

4、移除桶形基础；

待组合锚被贯入海床至设计深度后，松开组合锚与桶形基础7之间的连接，使锚泊基础脱离桶形基础7，通过连接管对桶形基础7内部充气，使桶形基础7逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础。桶形基础移除后，仅剩锚泊基础在海床土体中，如图8所示。

5、张拉锚链使锚泊基础达到设计要求。

通过对锚链6施加拉力使各圆弧形钢板1发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，如图9所示。

锚链6的拉力是从最上部的圆弧形钢板1向下部的圆弧形钢板1逐渐依次传递。可见，最上部的圆弧形钢板1受到的荷载最大，其发生位移的幅度最大，从上到下圆弧形钢板1受到的荷载与位移幅度逐渐减小。因此，在锚泊基础未失效前，各圆弧形钢板1的旋转姿态一般各不相同。各圆弧形钢板1的姿态相差越大，其整体上与海床土体的接触关系越复杂，圆弧形钢板1与土体的摩擦与阻力更大，能大大增加与海床土体的摩擦力，从而提高了组合锚总体的抗拔承载力。与传统的单个圆桶状的吸力锚相比，在不增加材料用量与施工难度的情况下，本发明所提圆弧形组合锚更具合理性。

当锚链6的拉力过大，大到超过各圆弧形钢板1的抗拔抵抗力之和时，锚泊基础将失效，此时各圆弧形钢板1的姿态基本相同。

实施例2：组合锚共采用三个圆弧形钢板1，即圆弧形钢板1弧度为120°，如图10与图11所示。三个圆弧形钢板1能组合成中空的圆柱体状，如图12所示。组合锚的可能工作状态如图13所示。其余情况与实施例1相同。

实施例3：组合锚共采用四个圆弧形钢板1，即圆弧形钢板1弧度为90°，如图14与图15所示。四个圆弧形钢板1能组合成中空的圆柱体状，如图16所示。组合锚的可能工作状态如图17所示。其余情况与实施例1相同。

所提组合锚结构简单、制作方便，成本较低，各个圆弧形钢板的外壁设置翼板能进一步提高其抗拔承载力，可根据需求制作不同尺寸与数量的圆弧形钢板，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图中仅展示了圆弧形钢板的部分形状及部分连接方式的情况，按照所提思路，可以改变圆弧形钢板的形状、数量、相互的连接方式，形成其他相关类型的组合式锚泊基础，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)

1.一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其特征在于：包括多个圆弧形钢板，多个圆弧形钢板组合拼接成中空的完整圆柱体状，每个圆弧形钢板的外侧位于轴向中间线位置连接有沿径向展开的翼板，翼板平行于圆弧形钢板的轴向，翼板上设有垂直贯通翼板的圆孔，其中一个翼板的圆孔连接锚链，每个圆弧形钢板的外侧面靠近两弧向侧边位置分别设有系泊孔，且相邻两个圆弧形钢板用于相互拼接的弧向侧边的系泊孔呈相对设置，除了一组呈相对设置的系泊孔外，其余呈相对设置的系泊孔通过钢索连接，构成多个圆弧形钢板的串联结构，每个圆弧形钢板轴向下端内弧面分别设有向内突出的凹槽，多个圆弧形钢板的凹槽拼接为环形。

2.根据权利要求1所述的一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其特征在于：圆弧形钢板的数量与其弧度的乘积等于360°。

3.根据权利要求1所述的一种带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚，其特征在于：所述的翼板呈矩形形状，每个圆弧形钢板外侧设置一个或多个翼板。

4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，桶形基础同轴嵌入多个圆弧形钢板组合拼接成的圆柱体中，桶形基础轴向下端压在各个圆弧形钢板内凹槽拼接成的环形体上，依靠桶形基础把组合锚贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使各个圆弧形钢板发生自由移动，直至施加的拉力达到设计值时，完成带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工贯入。

5.根据权利要求4所述的带翼板的吸力贯入式圆弧形组合锚的施工贯入设备，其特征在于：所述的圆弧形钢板的内径略大于桶形基础的外径，圆弧形钢板底部向内突出的凹槽能兜住桶形基础的桶壁。

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