CN111046481B - 一种海工模块与桩连接的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种海工模块与桩连接的设计方法，包括以下步骤：步骤一，设置海工模块边界条件为铰接，限制海工模块在X方向、Y方向和Z方向的线位移，并限制海工模块水平位移的点位分别在X方向和Y方向上均为两个；步骤二，根据海工模块的支座反力设计桩的结构；步骤三，根据桩的结构完成海工模块与桩结合的整体计算报告模型；步骤四，进行海工模块与桩铰接结构的限位设计；步骤五，进行海工模块与桩铰接结构的限位设计的校核。本发明海工模块与桩连接设计中，有助于提高施工效率、节省设计输入时间、缩短设计流程、降低建造成本。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种海工模块与桩连接的设计方法。
背景技术
在海工模块与基础结构的连接中，刚接是目前普遍采用的方式，其原理是：利用环板和插尖，在海工模块插入基础结构后，将基础结构与环板围焊一圈，实现刚接；或者通过灌浆实现刚接。
参照图8，为现有技术中海工模块与基础结构刚接的结构示意图。
现有技术在围焊基础结构与环板时，需要在焊接处使用仰焊手法，使海工模块与基础结构连接紧密，无相对滑动，但是通过焊接实现海工模块与基础结构的刚接要求在海上作业时配备专业焊接工程师及设备，增加了海上成本；且仰焊的难度较大，容易导致焊接质量差的问题，进一步增加了海上作业的成本；焊接后的位置需要喷涂防腐涂层，进一步增加了人工的投入和成本；
同样的，海上灌浆实现海工模块和桩连接，需要携带水泥材料、配备灌浆设备，增加了海上作业的成本，且海上灌浆需要在连接处安装进出水泥管道，增加了设计工作量以及海上施工成本，灌浆的凝固也需要较长时间，降低了施工效率；
参考图9，海工模块的边界条件为刚接时，在海工模块与桩连接的设计过程中，海工模块、下部基础结构之间存在弯矩的重分配，工程师在设计过程中必须进行多次更新模型来保证设计的准确性，导致设计的过程较为繁琐，设计时间长，而在实际操作时，为了满足基础设计的需求，海工模块的荷载系数给的足够大，保证海工模块的支座反力在设计后期能够涵盖所有可能变化，从而导致结构尺寸偏大，提高了海工平台整体设计的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种海工模块与桩连接的设计方法，有助于提高设计的效率，降低海工平台建造的成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种海工模块与桩连接的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，设置海工模块边界条件为铰接，限制海工模块在X方向、Y方向和Z方向的线位移，并限制海工模块水平位移的点位分别在X方向和Y方向上均为两个；
步骤二，根据海工模块的支座反力设计桩的结构；
步骤三，根据桩的结构完成海工模块与桩结合的整体计算报告模型；
步骤四，进行海工模块与桩铰接结构的限位设计；
步骤五，进行海工模块与桩铰接结构的限位设计的校核。
可选的，所述步骤二中，所述支座反力包括海工模块的自重、风载荷和活载荷。
可选的，所述步骤二中，确认支座反力是否存在上拔力，若存在上拔力，则在所述步骤四中海工模块与桩连接结构的限位设计中增加竖向限位设计。
可选的，步骤四中，海工模块与桩铰接的限位设计中的安装误差与基础配件的许用安装误差相匹配。
可选的，所述基础配件包括与所述海工模块连接的线路和/或管道。
可选的，步骤五中的校核工况荷载包括波浪、暴风、撞船和地震。
可选的，步骤五中的校核包括对海工模块与桩铰接结构的防腐蚀校核。
实施本发明的实施例，具有以下技术效果：
本发明海工模块与桩连接设计中，海工模块的边界条件为铰接，因此，在施工上，无需进行海工模块与桩之间的刚性焊接，有助于减少海上施工人员、施工设备的投入，减少海上焊接以及QC检验的时间，从而降低海上平台整体的施工时间，同时，无需进行海上灌浆操作，减去海上灌浆材料和灌浆设备的携带，提高施工效率；
另外，在设计过程中，海工模块边界条件为铰接，铰接不存在弯矩的重分配，因此，海工模块设计过程中无需多次进行模型的更改，节省设计输入时间，缩短设计流程，降低建造成本。
附图说明
图1是本发明优选实施例的结构示意图；
图2是图1中A处的放大示意图；
图3是图2中B处的放大示意图；
图4是本发明优选实施例的海工模块以铰接为边界条件的边界施工原理图；
图5是本发明优选实施例的海工模块支座反力的提资表；
图6是本发明优选实施例的海工模块与桩连接的结构模型示意图；
图7是本发明优选实施例的阳极保护布置示意图；
图8是背景技术中海工模块与桩焊接的结构示意图；
图9是背景技术中海工模块与桩刚接时海工模块支座反力的提资表。
附图标记说明：
1、海工模块，11、插尖，12、环板，2、桩，3、阳极保护；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“X方向”为附图4中的左右方向、“Y方向”为附图4的上下方向、“Z方向”为附图1中的上下方向、“水平”为附图1的左右方向，且“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于本申请记载内容的文字所在平面的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考图1－图3，本实施例中包括海工模块1和桩(即承载海工模块的基础结构)2，其中，海工模块1设置有插尖11，插尖11上端设有环板12，插尖11用于插入桩2内限制海工模块1的水平位移，且环板12压在桩2的上端以承载海工模块1。
另外，本实施例提供的一种海工模块1与桩2连接的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，参考图4，设置海工模块1边界条件为铰接，限制海工模块1在X方向、Y方向和Z方向的线位移，并限制海工模块1水平位移的点位分别在X方向和Y方向上均为两个，具体的，限制X方向的分别使A点和C点，限制Y方向的分别使A点和B点，从而消除海工模块1与桩2之间的弯矩相互作用，并保持海工模块1与桩2整体模型数值的计算稳定性，进一步的，有助于消除过多约束点位产生的额外内力，简化计算难度。
步骤二，参考图2，根据海工模块1的支座反力设计桩2的结构，其中，支座反力包括海工模块1的自重、风载荷和活载荷。
由附图5可知，海工模块1铰接支座反力集中在每个方向2个节点上，无弯矩，从而便于海工模块1与桩2的连接设计。
步骤三，根据桩2的结构完成海工模块1与桩2结合的整体计算报告模型，完成的计算报告模型参考图6；
步骤四，参考图3，进行海工模块1与桩2铰接结构的限位设计，其中，对桩2与海工模块1接触的端面进行打磨，以提高桩2与海工模块1接触面的摩擦力，限制海工模块1的水平位移；
步骤五，进行海工模块1与桩2铰接结构的限位设计的校核；
此时校核的限位设计工况荷载包括波浪、暴风、撞船和地震；
1)波浪
本领域技术人员可知的，波浪荷载主要影响桩2，故对海工模块1的作用可以忽略，因此，无需对海工模块1进行疲劳校核；
2)暴风
本实施例中海工模块1和桩2的模型重量为3300吨；其中，100年一遇基本风压为1.72kN/m2，海工模块1标高20.5m－36.0m，设置海工模块1为全封闭结构增加受风面积，风荷载水平结构约为315吨，钢与钢之间静摩擦系数为0.15，产生静摩擦力为3300＊0.15＝495吨，远大于暴风产生的水平荷载；
3)撞船
同波浪荷载，主要影响桩2，对海工模块1的作用可忽略；
4)地震
取决于地震等级，海工模块1与桩2铰接位置可能产生滑移；
5)防腐蚀校核
在本实施例中的防腐蚀校核中，根据需要增加海工模块1环板12厚度、在海工模块1的飞溅区设置电流保护或增设牺牲阳极保护3；具体的，本实施例中的阳极保护3为锌块，本实施例阳极保护3的结构参考图7。
所述步骤二中，需要确认海工模块1的支座反力是否存在上拔力，若存在上拔力，则在所述步骤四中海工模块1与桩2连接结构的限位设计中增加竖向限位设计。在确认支座反力是否存在上拔力时，应注意：
1)基本工况的上拔力应该被忽略，由于基本风荷载工况下，海工模块1的每个支座在不同工况下都会出现上拔力，但在海工模块1自重的共同作用下，并无上拔力；
2)采用固定式桩2作为基础结构时，由于海工模块1的支座位置需要和桩2相协调，不同支座间的跨度较大，抗倾覆能力强，一般暴风荷载、地震荷载无法产生足够大的倾覆弯矩，因此，海工模块1不存在上拔力；
3)采用浮式基础时，由于桩2存在较大的横摇加速度，此时，需要在海工模块1与桩2连接的限位设计时增加竖向限位设计。
步骤四中，海工模块1与桩2铰接的限位设计中的安装误差与基础配件的许用安装误差相匹配，具体的，所述基础配件包括与所述海工模块1连接的线路和/或管道，使海工模块1与桩2铰接的限位设计中的安装误差与整体平台中连接的线路/管道的安装误差相匹配，防止海工模块1与桩2铰接的安装误差较大导致后续线路/管道无法安装。
综上，本发明海工模块1与桩2连接设计中，海工模块1的边界条件为铰接，因此，在施工上，无需进行海工模块1与桩2之间的刚性焊接，有助于减少海上施工人员、施工设备的投入，减少海上焊接以及QC检验的时间，从而降低海上平台整体的施工时间，同时，无需进行海上灌浆操作，减去海上灌浆材料和灌浆设备的携带，提高施工效率；
另外，在设计过程中，海工模块1边界条件为铰接，铰接不存在弯矩的重分配，因此，海工模块1设计过程中无需多次进行模型的更改，节省设计输入时间，缩短设计流程，降低建造成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种海工模块与桩连接的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设置海工模块边界条件为铰接，限制海工模块在X方向、Y方向和Z方向的线位移，并限制海工模块水平位移的点位分别在X方向和Y方向上均为两个，限制X方向的分别是A点和C点，限制Y方向的分别是A点和B点；
步骤二，根据海工模块的支座反力设计桩的结构；
步骤三，根据桩的结构完成海工模块与桩结合的整体计算报告模型；
步骤四，进行海工模块与桩铰接结构的限位设计，对桩与海工模块接触的端面进行打磨；
步骤五，进行海工模块与桩铰接结构的限位设计的校核；
其中，海工模块和桩，所述海工模块设置有插尖，所述插尖上端设有环板，所述插尖用于插入所述桩内限制海工模块的水平位移，且所述环板压在所述桩的上端以承载所述海工模块；
所述步骤二中，所述支座反力包括海工模块的自重、风载荷和活载荷；
所述步骤二中，确认支座反力是否存在上拔力，若存在上拔力，则在所述步骤四中海工模块与桩连接结构的限位设计中增加竖向限位设计。
2.根据权利要求1所述的海工模块与桩连接的设计方法，其特征在于，步骤四中，海工模块与桩铰接的限位设计中的安装误差与基础配件的许用安装误差相匹配。
3.根据权利要求2所述的海工模块与桩连接的设计方法，其特征在于，所述基础配件包括与所述海工模块连接的线路和/或管道。
4.根据权利要求1所述的海工模块与桩连接的设计方法，其特征在于，步骤五中的校核工况荷载包括波浪、暴风、撞船和地震。
5.根据权利要求1所述的海工模块与桩连接的设计方法，其特征在于，步骤五中的校核包括对海工模块与桩铰接结构的防腐蚀校核。
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