CN108643120B - 一种弹性支撑的浮板式防波堤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮式防波堤，特别是一种弹性支撑的浮板式防波堤，该防波堤包括水平结构的浮板、橡胶弹簧支撑、垂直导轨以及锚泊系统，浮板通过和橡胶弹簧连接，上层水平板防止大波高跃浪，中层水平板消减不同周期波浪，下层水平板保护防波堤，各层水平板在弹簧支撑下沿导轨轴向往复运动，减小受力的同时增加能量耗散效率，浮板式防波堤通过锚泊系统固定于指定海域。该新型防波堤能有效提高深海波浪防护效果，尤其是对中长周期波有良好的掩护效果，保证堤后海上建筑物与设施的安全运行，为海洋工程建设与海洋资源开发提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种浮式防波堤，特别是一种弹性支撑的浮板式防波堤。
背景技术
近年来我国的海洋开发力度与规模逐渐加大，在台风来临时和近海水深较深时，波浪周期会大幅增加，此类长周期波具有较大的水平速度和较强的穿透性。长周期波防护困难、破坏力强，严重威胁海上工程设施的安全，长周期波的有效防护与消减是海上工程建设中亟待解决的难题。
针对这一问题，浮式防波堤得到了广泛的关注。目前，已有的浮式防波堤根据消浪机理可分为反射型、波破碎型、摩擦型和共振型等，基于上述机理先后出现了浮箱式、浮筒式和浮筏式等浮式防波结构。
虽然现有浮式防波堤对集中于水面的波浪具有较好的消浪效果，且有效的降低了工程造价。但是，已有的浮式防波堤消浪效果主要体现在对周期较小的波浪上，对5秒以上的长周期波消浪效果十分有限；而从结构的角度来看，目前针对深水开发的浮式防波堤（浮箱式、浮筒式和浮筏式）普遍受到较大的水平波浪力，给结构本身和锚泊系统带来较大的载荷，结构自身安全稳定性方面存在隐患；其中常见的浮箱式、浮筒式防波堤，背浪面为实体结构，随着浮体在波浪作用下往复运动，极易发生二次造波现象，不利于提供结构后方建筑物稳定的作业环境。因此，一种安全稳定，适用消减长周期波的新型浮式防波堤有待开发。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种适用消减长周期波的弹性支撑的浮板式防波堤。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其包括：
至少两个，且在空间水平方向上延伸的平板结构的浮板，所有浮板在空间垂直方向上平行排布；每个浮板上均设有至少三个，且孔中心线均垂直于该浮板的上、下表面的导向孔，并均匀环布在该浮板的周缘；每相邻的一对浮板上的导向孔均一一对应；
至少三个，且数量与单个浮板上的导向孔相同的导轨，每个导轨均贯穿一组孔中心线在同一直线上的导向孔，且在两个端部上均设有用以限制浮板在该导轨上的轴向移动自由度的止位螺母；
位于每相邻的一对浮板之间，且各自串接在对应导轨上的弹性支撑部件，每个弹性支撑部件的两个端部均挡接至其对应的浮板的表面上；
以及，至少三个，且数量与导轨相同的锚泊系统，每个锚泊系统均与其对应的导轨的一个端部相固定；
在工作中，上述防波提的单个浮板高出水平面。
本发明与现有技术的主要区别在于结构对长周期波有较好的消浪效果，防波堤的浮板采用在空间水平方向上延伸的平板结构，以减小结构所受水平力，采用弹性支撑部件增强结构稳定的同时增强波浪耗散效率。
本发明中所采用浮板结构利用波浪浅水变形效应，在波浪抵达浮板上部区域，因水深骤减，低频长周期波转换成高频短波，波陡增大波浪发生破碎，达到消减波浪的目的。
本发明中平板结构的浮板间加设弹性支撑部件，在波浪下浮板在弹性支撑的作用下产生弹性振动，结构动能和弹性势能的往复转换耗散波浪能量，同时弹性支撑达到缓冲浮板垂向力的作用，提高结构稳定性。另外，浮板在弹性支撑下往复运动，进一步作用于自由水面，改变波浪传播规律，产生涡能耗散，耗散波浪能量。
本发明采用多层浮板结构，根据不同浮板结构功能进行差异化设计，最大程度实现波浪防护的同时降低结构经济成本。各层浮板根据位置不同，在波浪防护方面具有不同的功能。优选的，本发明中浮板层数为三层，但是仍然可以采用双层、四层或其他层数，具体根据结构力学性能和消浪需求进行选型。其中，本发明中上层浮板主要适用于极端大波高情况，当波高较大时能通过允许浮板上浪，作用于上层浮板的垂向力激发上层弹性支撑部件，整个结构在浮力和弹性恢复力的作用下发生六自由度运动，对砰击波浪产生反作用；中层浮板是本文消减波浪的主要组块，起到改变水深促使波浪浅水变形的目的，同时结构在上、下层弹性支撑部件和流体粘性力、附加质量与阻尼力等波浪作用力的共同作用下沿导轨轴向运动，改变波浪传播规律，耗散波浪能量；下层浮板则主要用于减小浮体（防波堤主体）垂向力，保护结构；同时，通过下层弹性支撑部件将垂向力传递给中层浮板，提高结构的消浪效果。
本发明锚泊系统主要起到约束浮体在波浪作用下的运动响应和工作区域的目的，锚泊系缆固定于浮式防波堤底部的导轨上，避免缆绳随水平的浮板的振动而运动，减小疲劳破坏。
本发明中水平的浮板、弹性支撑部件之间使用垂直的导轨贯穿，水平的浮板运动和弹性支撑部件的弹性变形被有效的约束在导轨的轴向上，提高结构的稳定性。
优选的，上述浮板为矩形的空心板，其四角位置上均设有导向孔，且在每个导向孔内均设有用以密封该空心板的空腔的第一套管；每个导轨均贯穿一组孔中心线在同一直线上的第一套管。
当然，在实际情况中上述浮板亦可以选用空心薄箱体，空心圆柱组成的筏体及其他空心平板状浮板。各层浮板的尺寸不一定是要等尺寸的，也可以是不同尺寸的。
优选的，本发明中上述弹性支撑部件为橡胶弹簧，所述橡胶弹簧包括橡胶保护层与金属钢丝弹簧，其中橡胶保护层包裹在金属钢丝弹簧外，且橡胶保护层上设有中心孔；在中心孔上内衬第二套管，上述导轨依次贯穿其对应橡胶弹簧上的第二套管。
当然，在实际情况中上述弹性支撑部件亦可以是弹簧、阻尼器、波浪能转换装置等多种提供结构缓冲作用，减小结构所受垂向力的弹性结构。
进一步的，为了提升上述优选方案的结构稳定性，其优选技术方案中所述橡胶弹簧的两侧端部均与其对应的浮板的表面相固定。
优选的，上述锚泊系统均包括锚以及一个端部固定在该锚上的锚链，所述锚链的另一个端部与其对应的导轨相固定；
进一步的，为了海洋环境对锚链的腐蚀影响，上述锚链的表面涂覆有防腐蚀涂层。所述防腐蚀涂层可以选用环氧防腐涂层、鳞片防腐涂层等。
为了提升本发明的结构合理性，在每个止位螺母与该止位螺母所对应浮板的上表面之间均设有用以避免浮板撞击该止位螺母的缓冲垫片，以降低发生浮板等相应部件因硬性撞击而损坏的概率。
上述中缓冲垫片可以选择橡胶垫片、液压阻尼器等。
本发明结合波浪理论、弹性力学、波浪与结构物的相互作用等海洋工程基本理论，通过结构设计、力学分析、消浪效果评估，提出新型防波堤基本设计准则。利用新型防波堤结构，在较低的建设成本投入下，提供有效、可靠的防波结构，保障海上建筑物的施工和作业安全，对我国海洋资源利用和工程建设产生一定的社会经济价值。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明结合波浪浅水变形原理进行长周期波消减，无需附加额外的消浪设备，结构简单，经济有效；
2、本发明采用水平的浮板结构作为主消浪结构，在迎浪面和背浪面受力面积较小，可以有效避免水平方向波浪力的冲击和在背浪面产生二次造波现象；
3、本发明采用弹性支撑部件连接各三层水平的浮板，借助弹性支撑下结构的上下往复振动可以有效减小浮板结构在垂向所受浮托力和波浪砰击，同时弹性恢复力反作用于水体，进一步增加流场紊动，提高波浪耗散效率，达到消减波浪，掩护后方水域的目的。
附图说明
图1是本实施例中所提供一种弹性支撑的浮板式防波堤的正视结构示意图；
图2是本实施例中所提供一种弹性支撑的浮板式防波堤的俯视结构示意图；
图3是图1中A处的局部放大示意图；
图4是图1中弹性支撑部件的结构示意图；
图5是本实施例中所提供另一种弹性支撑的浮板式防波堤的正视结构示意图；
图6是图5中B处的局部放大示意图；
图7是本实施例中所提供第三种弹性支撑的浮板式防波堤的正视结构示意图；
图8是本实施例中所提供第四种弹性支撑的浮板式防波堤的正视结构示意图。
图中：浮板1、导向孔2、导轨3、止位螺母4、弹性支撑部件5、金属钢丝弹簧5-1、橡胶保护层5-2、锚泊系统6、第一套管7、第二套管8、橡胶垫片9。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-4所示，本实施例中所提供的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其包括：
在空间水平方向上延伸，且为矩形平板结构的三个浮板1，三个浮板1的尺寸完全一致，所有浮板1在空间垂直方向上平行排布；每个浮板1上均设有四个导向孔2，并分列在四个直角位置，每个导向孔2的孔中心线均垂直于该浮板1的上、下表面，且每相邻的一对浮板1上的导向孔2均一一对应；
四个导轨3，每个导轨3均贯穿一组孔中心线在同一直线上的导向孔2，且在两个端部上均设有用以限制浮板1在该导轨3上的轴向移动自由度的止位螺母4；
位于每相邻的一对浮板1之间，且各自串接在对应导轨3上的弹性支撑部件5，每个弹性支撑部件5的两个端部均挡接至其对应的浮板1的表面上；
四个锚泊系统6，每个锚泊系统6均与其对应的导轨3的一个端部相固定。
本实施例中所述防波堤结构为一种浮式结构，其不但需要进行结构设计，更需要进行力学性能分析，随后进行结构的陆地预制与海上锚泊固定。
本发明结构设计部分，设计一种三层浮板式防波堤，三层水平的浮板1采用中空平板结构，提供结构足够的浮力，以确保在工作中上述防波提的单个浮板1高出水平面，选择合适的浮板1厚度与中空部分体积进行浮板1制作。
本发明陆上预制部分，制作空心结构的浮板1，浮板1采用高强度玻璃钢材料进行制作，具体结构尺寸根据海上防波区域要求和具体海况结合力学性能分析结果进行测算。上述浮板1四角分别开有圆柱形的导向孔2贯穿浮板1，导向孔2穿过浮板1空心部分进行密封处理安装第一套管7用于与导轨3连接。
本发明陆上预制部分，制作弹性支撑部件5，为了提高弹力性能，上述弹性支撑部件5选用橡胶弹簧，增加支撑水下防腐的同时提高弹簧抗疲劳性能。橡胶弹簧以金属钢丝弹簧5-1为内芯，钢丝外包裹橡胶保护层5-2，橡胶保护层5-2中心同样安装圆柱形的第二套管8，用于导轨3贯穿，约束弹簧非轴向变形。同时，为了提升结构稳定性，所述橡胶弹簧的两侧端部均与其对应的浮板1的表面相固定。
本发明陆上预制部分，防波堤结构组装，制作圆柱形不锈钢导轨3，导轨3贯穿三层浮板1和两层板间橡胶弹簧，导轨3的顶部与底部分别安装止位螺母4，避免上层浮板1的向上运动与下层浮板1的向下运动。导轨3底部焊接锚泊点，用于锚系泊缆的连接。为了降低海水对锚链的腐蚀影响，所述锚链的表面涂覆有防腐蚀涂层。
本发明海上安装部分，水下设置锚泊系缆固定点，根据系缆受力和运动响应特征选择合适的缆绳材质、角度、形状等参数，浮板式防波堤采用浮托法安装，防波堤浸入水中，将系缆与浮式防波堤系缆点进行连接，完成浮式防波堤的安装布置工作。
本实施例中所提供的另一种弹性支撑的浮板式防波堤，其大体结构与本实施例中前述浮板式防波堤相一致，但是，如图5和图6所示，其结构中在每个止位螺母4与该止位螺母4所对应浮板1的上表面之间均设有用以避免浮板1撞击该止位螺母4的橡胶垫片9，且每个橡胶垫片9均套接在其各自对应的导轨3上，增加上述橡胶垫片9的目的是降低发生浮板1等相应部件因硬性撞击而损坏的概率。
本实施例中所提供的第三种弹性支撑的浮板式防波堤，如图7所示，其结构中上、下层的浮板1尺寸一致，但是中层的浮板1的长与宽则相对更大，考虑到三层浮板式防波堤的结构中，中层的浮板1是消减波浪的主要组块，因此上述三层浮板式防波堤在未大幅度削弱对长周期波的消减性能的情况下，能够进一步的降低生产成本。
如图8所示，本实施例中所提供的第四种弹性支撑的浮板式防波堤，其包括：
在空间水平方向上延伸，且为矩形平板结构的两个浮板1，两个浮板1的尺寸完全一致，所有浮板1在空间垂直方向上平行排布；每个浮板1上均设有四个导向孔2，并分列在四个直角位置，每个导向孔2的孔中心线均垂直于该浮板1的上、下表面，一对浮板1上的导向孔2一一对应；
四个导轨3，每个导轨3均贯穿一组孔中心线在同一直线上的导向孔2，且在两个端部上均设有用以限制浮板1在该导轨3上的轴向移动自由度的止位螺母4；
位于相邻的一对浮板1之间，且各自串接在对应导轨3上的弹性支撑部件5，每个弹性支撑部件5的两个端部均挡接至其对应的浮板1的表面上；
四个锚泊系统6，每个锚泊系统6均与其对应的导轨3的一个端部相固定。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的构思作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是包括：
至少两个，且在空间水平方向上延伸的平板结构的浮板，所有浮板在空间垂直方向上平行排布；每个浮板上均设有至少三个，且孔中心线均垂直于该浮板的上、下表面的导向孔，并均匀环布在该浮板的周缘；每相邻的一对浮板上的导向孔均一一对应；
至少三个，且数量与单个浮板上的导向孔相同的导轨，每个导轨均贯穿一组孔中心线在同一直线上的导向孔，且在两个端部上均设有用以限制浮板在该导轨上的轴向移动自由度的止位螺母；
位于每相邻的一对浮板之间，且各自串接在对应导轨上的弹性支撑部件，每个弹性支撑部件的两个端部均挡接至其对应的浮板的表面上；
以及，至少三个，且数量与导轨相同的锚泊系统，每个锚泊系统均与其对应的导轨的一个端部相固定；
在工作中，上述防波提的单个浮板高出水平面。
2.根据权利要求1所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述浮板为矩形的空心板，其四角位置上均设有导向孔，且在每个导向孔内均设有用以密封该空心板的空腔的第一套管；每个导轨均贯穿一组孔中心线在同一直线上的第一套管。
3.根据权利要求2所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述空心板的数量为三个。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述弹性支撑部件为橡胶弹簧，所述橡胶弹簧包括橡胶保护层与金属钢丝弹簧，其中橡胶保护层包裹在金属钢丝弹簧外，且橡胶保护层上设有中心孔；在中心孔上内衬第二套管，上述导轨依次贯穿其对应橡胶弹簧上的第二套管。
5.根据权利要求4所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述橡胶弹簧的两侧端部均与其对应的浮板的表面相固定。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述锚泊系统均包括锚以及一个端部固定在该锚上的锚链，所述锚链的另一个端部与其对应的导轨相固定，且所述锚链的表面涂覆有防腐蚀涂层。
7.根据权利要求4所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述锚泊系统均包括锚以及一个端部固定在该锚上的锚链，所述锚链的另一个端部与其对应的导轨相固定，且所述锚链的表面涂覆有防腐蚀涂层。
8.根据权利要求5所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是上述锚泊系统均包括锚以及一个端部固定在该锚上的锚链，所述锚链的另一个端部与其对应的导轨相固定，且所述锚链的表面涂覆有防腐蚀涂层。
9.根据权利要求8所述的一种弹性支撑的浮板式防波堤，其特征是在每个止位螺母与该止位螺母所对应浮板的上表面之间均设有用以避免浮板撞击该止位螺母的缓冲垫片。
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