CN108959765B - 用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚及悬臂长度设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚：重力锚主体前端面设置悬臂，悬臂宽度等于重力锚主体宽度，截断面为直角梯形，上端面为斜面，下表面为与重力锚主体下表面齐平的平面，下表面等间距设置有剪力键；在此基础上提出一种悬臂式重力锚悬臂长度设计方法：构建有限元文件；有限元计算后，绘制水平拉力‑位移关系曲线，得到传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；改变悬臂长度，重复上述得到悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；绘制不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚峰值抗力增长率关系曲线、不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚容许抗力增长率关系曲线；确定悬臂长度，对悬臂式重力锚模型进行设计计算。

Description

用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚及悬臂长度设计方法

技术领域

本发明涉及一种重力锚设计计算方法，更具体的说，是涉及一种用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚及悬臂长度设计方法。

背景技术

随着我国南海海防建设的需要以及南海油气资源的开发，各种海洋结构物的种类和数量与日俱增。同时，我国南海海域地质情况复杂，主要分布着以易破碎的碳酸盐类砂、礁灰岩等与陆源沉积物差异较大的碳酸盐物质的特殊岩土材料。而该种海域复杂的地质条件与海洋环境无疑对海上构筑物的在位稳定性提出了考验。因此，合理地选择锚泊系统的锚具形式是船舶及浮式平台在该种海域稳定作业的基础。

目前，国际上发展较快、广泛使用的系泊锚具包括：平板锚、吸力锚、桩锚、拖曳嵌入锚、重力安装锚、重力锚等。重力锚因具有适用土质条件范围广、可以重复利用的特点而广泛应用；但传统的重力锚仍有锚固效率较低的缺点而限制其广泛地投入使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，对传统重力锚进行结构优化，增大锚固效率，提出一种用于碳酸盐土海域条件下的悬臂式重力锚，并基于有限元技术提出一种合理的针对悬臂式重力锚的悬臂结构长度的设计计算方法，以指导工程设计、提出理论依据。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚，包括重力锚主体，所述重力锚主体设置有主装吊耳和在位吊耳，所述重力锚主体下表面等间距均匀设置有剪力键，所述重力锚主体设置为长方体，所述重力锚主体前端面设置有与其一体结构的悬臂，所述悬臂的宽度等于重力锚主体的宽度，所述悬臂的截断面为直角梯形，所述悬臂的上端面设置为斜面，所述悬臂的下表面设置为与重力锚主体下表面齐平的平面，所述悬臂的下表面等间距设置有剪力键。

每个所述剪力键的长度均等于重力锚主体的宽度，每个所述剪力键的截面均设置为倒三角形。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，包括以下步骤：

第一步，构建有限元文件：

在辅助求解工程软件中分别建立悬臂式重力锚模型、传统重力锚模型和地基岩土模型，分别对悬臂式重力锚模型、地基岩土模型赋予材料属性，预定义地基岩土模型的下方结构为岩土材料，上方结构设置为“空材料”；将悬臂式重力锚模型与地基岩土模型按照空间位置装配在一起，建立地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的相互作用、摩擦接触体系；根据地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的形状分别划分网格；采用有限元技术进行数值分析，施加重力加速度以使地基岩土模型的下层岩土材料达到地应力平衡，并模拟悬臂式重力锚在实际场地的受力状态；对地基岩土模型施加边界条件及荷载，地基岩土模型采用速度约束，底边和四周约束法线方向；释放悬臂式重力锚的水平、竖直运动方向的位移约束及部分方向的弯矩约束；

第二步，进行有限元计算，提取传统重力锚模型的水平方向受到的拉力值，绘制水平拉力-位移关系曲线，得到传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；改变悬臂式重力锚模型的悬臂长度，在其余条件不变的情况下，重复上述步骤得到悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；

第三步，计算悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力与传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力的比值，对计算结果进行标准化；分别绘制不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚峰值抗力增长率关系曲线、不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚容许抗力增长率关系曲线，进而优选确定悬臂长度；

第四步，在确定悬臂长度后，采用现有的重力锚设计计算方法，对悬臂式重力锚模型进行设计计算。

第一步中所述悬臂式重力锚模型仅在传统重力锚模型上设置悬臂结构，悬臂式重力锚模型的重力锚主体的长、宽、高分别等于传统重力锚模型的长、宽、高；所述地基岩土模型的长、宽、高分别取六倍的传统重力锚模型的长、宽、高。

第一步中对悬臂式重力锚模型赋予的材料属性包括浮密度、弹性模量、泊松比，对地基岩土模型赋予的材料属性包括浮密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和剪胀角。

第一步中地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的设置方式为“广义接触条件”、法线方向设置“硬接触”、切向设置“罚接触”，摩擦系数设置为0.9。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明对传统重力锚进行结构优化，提出一种用于碳酸盐土海域条件下的悬臂式重力锚，与传统重力锚的区别在于前端面设置悬臂结构，悬臂结构使得其下覆砂土滑动破坏面延长、帮助入土、增加锚体的抗倾覆能力、发挥更大的水平抗力、进而增加了锚固效率、相比于传统重力锚锚固效率提高了20％。

在此基础上，考虑到新型锚锚底面积的扩大，有可能增加运输和安装的不便，本发明对提出的悬臂式重力锚的悬臂结构进行优化设计，基于有限元技术提出一种合理的针对悬臂式重力锚的悬臂结构长度的设计计算方法，以悬臂梁长度增长率与抗力增长率关系作为优化设计的依据，具有可操作性强，设计计算思路清晰、简单，易于工程计算人员掌握等优点，用于指导工程设计、提出理论依据。

附图说明

图1为本发明悬臂式重力锚模型立体图；

图2为本发明传统重力锚模型立体图；

图3为本发明地基岩土模型立体图；

图4为本发明悬臂式重力锚在地基岩土初始位置装配图；

图5为本发明传统重力锚水平拉力—位移曲线图；

图6为本发明悬臂式重力锚锚长增长率与峰值抗力增长率曲线图；

图7为本发明悬臂式重力锚锚长增长率与容许抗力增长率曲线图。

附图标记：1重力锚主体；2剪力键；3悬臂；4岩土材料；5空材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚，包括重力锚主体1，所述重力锚主体1设置有主装吊耳和在位吊耳等，所述重力锚主体1下表面等间距均匀设置有剪力键2。所述重力锚主体1设置为长方体，所述重力锚主体1前端面设置有与其一体结构的悬臂3，所述悬臂3的宽度等于重力锚主体1的宽度，所述悬臂3的截断面为直角梯形，所述悬臂3的上端面设置为斜面，所述悬臂3的下表面设置为与重力锚主体1下表面齐平的平面，所述悬臂3的下表面等间距设置有剪力键2。其中，每个所述剪力键2的长度均等于重力锚主体1的宽度，每个所述剪力键2的截面均设置为倒三角形。

图1和图2分别为悬臂式重力锚、传统重力锚简化模型的俯视图，简化之处在于重力锚模型未设计主装吊耳、在位吊耳等；由图1、2可知悬臂式重力锚与传统重力锚的区别在于锚前端设置悬臂结构，该结构有助于使下覆砂土滑动破坏面延长，发挥更大的水平抗力，进而增加锚固效率。

本发明用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，包括以下步骤：

第一步，构建有限元文件：

在辅助求解工程软件中选用实体单元分别建立悬臂式重力锚模型、传统重力锚模型和地基岩土模型，如图1、图2、图3所示，其中，悬臂式重力锚模型仅在传统重力锚模型上设置悬臂结构，悬臂式重力锚模型的重力锚主体的长、宽、高分别等于传统重力锚模型的长、宽、高；所述地基岩土模型的长、宽、高分别取六倍的传统重力锚模型的长、宽、高，以避免尺寸效应对结果的影响。

分别对悬臂式重力锚模型、地基岩土模型赋予材料属性，其中，对悬臂式重力锚模型赋予的材料属性包括浮密度、弹性模量、泊松比，对地基岩土模型赋予的材料属性包括浮密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和剪胀角。预定义地基岩土模型的下方结构为岩土材料，上方结构设置为“空材料”。

如图4所示，将悬臂式重力锚模型与地基岩土模型按照空间位置装配在一起，建立地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的相互作用、摩擦接触体系。地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的设置方式为“广义接触条件”、法线方向设置“硬接触”、切向设置“罚接触”，摩擦系数设置为0.9。根据地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的形状分别划分网格。

地基岩土模型与悬臂式重力锚模型构成有限元文件，采用有限元技术进行数值分析，采用两个分析步：第一个分析步施加重力加速度以使地基岩土模型的下层岩土材料达到地应力平衡；第二个分析步模拟悬臂式重力锚模型在实际场地的受力状态，也就是模拟悬臂式重力锚模型在实际场地水平运动，采用“位移控制法”对悬臂式重力锚模型施加水平位移荷载。对地基岩土模型施加边界条件及荷载：地基岩土模型采用速度约束，底边和四周约束法线方向。释放悬臂式重力锚模型的水平、竖直运动方向的位移约束及部分方向的弯矩约束。为保证计算结果的准确性，避免悬臂式重力锚模型的水平运动速度超过0.2m/s。

第二步，进行有限元计算，提取传统重力锚模型的水平方向受到的拉力值，绘制水平拉力-位移关系曲线，得到传统重力锚模型的启动峰值抗力(此处称为峰值抗力)以及达到容许位移对应的抗力(此处称为容许抗力)。改变悬臂式重力锚模型的悬臂长度，在其余条件不变的情况下，重复上述步骤得到悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力。

第三步，计算悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力与传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力的比值，对计算结果进行标准化。分别绘制不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚峰值抗力增长率关系曲线、不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚容许抗力增长率关系曲线，进而优选确定合理的悬臂长度。

第四步，在确定合理的悬臂长度后，采用现有的重力锚设计计算方法，对悬臂式重力锚模型进行设计计算。

实施例：

本发明用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，包括以下步骤：

第一步，构建有限元文件：

在辅助求解工程软件中选用实体单元分别建立悬臂式重力锚模型、传统重力锚模型和地基岩土模型，如图1、图2、图3所示，其中，传统重力锚模型长宽高尺寸为3×1.5×1.5m，悬臂式重力锚模型仅在传统重力锚模型上设置悬臂结构，悬臂式重力锚模型的重力锚主体的长宽高尺寸为3×1.5×1.5m；所述地基岩土模型的长宽高尺寸为18×9×9m，以避免尺寸效应对结果的影响。

分别对悬臂式重力锚模型、地基岩土模型赋予材料属性，如表1所示。预定义地基岩土模型的下方结构为岩土材料，上方结构设置为“空材料”，如图2所示。

表1材料参数

将悬臂式重力锚模型与地基岩土模型按照空间位置装配在一起，如图4所示，建立地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的相互作用、摩擦接触体系。地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的设置方式为“广义接触条件”、法线方向设置“硬接触”、切向设置“罚接触”，摩擦系数设置为0.9。根据地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的形状分别划分网格。

地基岩土模型与悬臂式重力锚模型构成有限元文件，采用有限元技术进行数值分析，采用两个分析步：第一个分析步施加重力加速度以使地基岩土模型的下层岩土材料达到地应力平衡；第二个分析步模拟悬臂式重力锚模型在碳酸盐砂土场地水平运动，采用“位移控制法”对悬臂式重力锚模型施加水平位移荷载。对地基岩土模型施加边界条件及荷载：地基岩土模型采用速度约束，底边和四周约束法线方向。释放悬臂式重力锚模型的水平、竖直运动方向的位移约束及部分方向的弯矩约束。为了确保悬臂式重力锚水平运动过程为准静态过程，设定水平方向重力锚运动速度为0.2m/s。

第二步，进行有限元计算，提取传统重力锚模型的水平方向受到的拉力值，绘制水平拉力-位移关系曲线，如图5所示，得到传统重力锚模型的峰值抗力为906.4kN，容许抗力为801.9kN。

悬臂式重力锚模型的悬臂长度分别设置为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8m，在其余条件不变的情况下，重复上述步骤得到八组悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力。

第三步，分别计算八组悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力与传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力的比值，对计算结果进行标准化。分别绘制不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚峰值抗力增长率关系曲线、不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚容许抗力增长率关系曲线，如图6和图7所示，发现悬臂长度增长率小于40％时，峰值抗力、容许抗力增长率增加明显；悬臂长度增长率大于40％时，峰值抗力、容许抗力增长率明显放缓；因此，对于传统重力锚长宽高尺寸为3×1.5×1.5m，悬臂长度设置为锚长的40％，即1.2m为最合理的悬臂长度。

第四步，确定了对于传统重力锚模型长宽高尺寸为3×1.5×1.5m条件下，合理的悬臂长度为1.2m后，采用现有的重力锚设计计算方法，进行悬臂式重力锚模型的剪力键数量、长度等方面的设计计算。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚，包括重力锚主体，所述重力锚主体设置有主装吊耳和在位吊耳，所述重力锚主体下表面等间距均匀设置有剪力键，其特征在于，所述重力锚主体设置为长方体，所述重力锚主体前端面设置有与其一体结构的悬臂，所述悬臂的宽度等于重力锚主体的宽度，所述悬臂的截断面为直角梯形，所述悬臂的上端面设置为斜面，所述悬臂的下表面设置为与重力锚主体下表面齐平的平面，所述悬臂的下表面等间距设置有剪力键。

2.根据权利要求1所述的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚，其特征在于，每个所述剪力键的长度均等于重力锚主体的宽度，每个所述剪力键的截面均设置为倒三角形。

3.一种用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，其特征在于，所述用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚包括重力锚主体，所述重力锚主体设置有主装吊耳和在位吊耳，所述重力锚主体下表面等间距均匀设置有剪力键，其特征在于，所述重力锚主体设置为长方体，所述重力锚主体前端面设置有与其一体结构的悬臂，所述悬臂的宽度等于重力锚主体的宽度，所述悬臂的截断面为直角梯形，所述悬臂的上端面设置为斜面，所述悬臂的下表面设置为与重力锚主体下表面齐平的平面，所述悬臂的下表面等间距设置有剪力键；设计过程包括以下步骤：

第一步，构建有限元文件：

在辅助求解工程软件中分别建立悬臂式重力锚模型、传统重力锚模型和地基岩土模型，分别对悬臂式重力锚模型、地基岩土模型赋予材料属性，预定义地基岩土模型的下方结构为岩土材料，上方结构设置为“空材料”；将悬臂式重力锚模型与地基岩土模型按照空间位置装配在一起，建立地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的相互作用、摩擦接触体系；根据地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的形状分别划分网格；采用有限元技术进行数值分析，施加重力加速度以使地基岩土模型的下层岩土材料达到地应力平衡，并模拟悬臂式重力锚在实际场地的受力状态；对地基岩土模型施加边界条件及荷载，地基岩土模型采用速度约束，底边和四周约束法线方向；释放悬臂式重力锚的水平、竖直运动方向的位移约束及部分方向的弯矩约束；

第二步，进行有限元计算，提取传统重力锚模型的水平方向受到的拉力值，绘制水平拉力-位移关系曲线，得到传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；改变悬臂式重力锚模型的悬臂长度，在其余条件不变的情况下，重复上述步骤得到悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；

第三步，计算悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力与传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力的比值，对计算结果进行标准化；分别绘制不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚峰值抗力增长率关系曲线、不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚容许抗力增长率关系曲线，进而优选确定悬臂长度；

第四步，在确定悬臂长度后，采用现有的重力锚设计计算方法，对悬臂式重力锚模型进行设计计算。

4.根据权利要求3所述的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，其特征在于，第一步中所述悬臂式重力锚模型仅在传统重力锚模型上设置悬臂结构，悬臂式重力锚模型的重力锚主体的长、宽、高分别等于传统重力锚模型的长、宽、高；所述地基岩土模型的长、宽、高分别取六倍的传统重力锚模型的长、宽、高。

5.根据权利要求3所述的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，其特征在于，第一步中对悬臂式重力锚模型赋予的材料属性包括浮密度、弹性模量、泊松比，对地基岩土模型赋予的材料属性包括浮密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和剪胀角。

6.根据权利要求3所述的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，其特征在于，第一步中地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的设置方式为“广义接触条件”、法线方向设置“硬接触”、切向设置“罚接触”，摩擦系数设置为0.9。

Images