CN112097877A - 海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统及测量与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统及测量与控制方法，包括若干辆SPMT车组成的车组、荷载转换框架、海洋平台组块、若干配重块、运输船舶、轨道以及应变测量系统。本发明能解决平移安装工艺过程中无法预估和控制重力荷载重分配效应对基础结构受力影响的问题，能够有效降低导管架设计裕度过大或海上施工的操船精度，扩展SPMT平移安装海洋平台组块的应用范围；测量过程由安装的逆向过程等效，完全在码头区域进行，操作简单，投入可控；不影响任何原有的建安工序和进度，能够有效地实现经济性和安全性的统一。

Description

海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统及测量与控制 方法

技术领域

本发明涉及一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统及测量与控制方法，适用于海洋工程领域。

背景技术

中国发明专利申请CN110468816A公开了一种海上电气平台的平移式安装方法，其组块由SPMT(自行式模块运输车)组在码头进行平移装船，运输至海上现场，再采用同样方式平移至已安装好的下部固定式基础上。该方法与传统的吊装、浮托工艺相比，对施工船舶资源的限制较小，安装过程更加快捷、高效，对组块结构设计的影响更小，具有一定优势。

平移装船(load-out)与平移至基础(load-in)的过程中，组块重力荷载对场地/基础和船舶的作用完全依靠SPMT的轮压进行转移。由于船舶在环境荷载的作用下会发生一定的垂向位移(驳船为升沉运动，自升式船为桩腿沉降)，因此当组块与SPMT系统在不同支撑载体之间进行平移时，相当于其垂向支座发生了位移甚至悬空，不可避免地将导致其他支座代表的轮压发生重分配效应(skew load effect)。尽管液压悬挂系统的存在可以保障组块始终处于水平，受力状态与设计情况没有区别，但通过轮压传递给下部支撑载体的荷载将出现集中现象，如图1所示。一般情况下，码头和船舶的承力构件均具有足够的强度，同时码头前沿的环境作用并不显著，然而在海上进行平移安装时，特别是当平台基础结构采用导管架型式时，这种效应将带来极大的安全隐患。现有技术中，尚未发现有对该效应进行准确评估或控制的方法。

发明内容

由于海洋平台组块采用SPMT平移工艺进行安装时，环境荷载对船舶的作用将导致车组轮压产生荷载重分配效应。整个海上操作工艺系统的复杂性和不确定性巨大，很难通过理论分析模拟实际的受力状况，基础结构的设计裕度被迫加大，严重制约了该工艺的适用范围。因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种车组轮压测量系统与控制方法，有效保障海上平移过程中基础结构安全性和经济性的统一。

根据本发明的第一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统，其特征在于：

包括若干辆SPMT车组成的车组、荷载转换框架、海洋平台组块、若干配重块、运输船舶、轨道以及应变测量系统；

所述SPMT车设置前后两排车轮、液压悬挂系统、称重设备和平台；所述SPMT车的前后排车轮距离与车组中相邻SPMT车之间的前后相邻排车轮的距离相等；荷载转换框架放置在所述车组的SPMT车平台上，荷载转换框架用于承载海洋平台组块，以便进一步将组块的重量均匀地传递给车组；

所述配重块为具有已知标准重量的规则物体，其尺寸与单台SPMT车的平台相当，质地均匀；

所述运输船舶具有压载调节能力，可自主控制并设置甲板与码头前沿的高程相对关系；

所述轨道在码头及运输船舶上相应设置，支撑SPMT车组及其上方重物的移动；

所述应变测量系统包括若干应变片及采集仪；从运输船舶上的轨道到码头上的轨道，应变片等间距地贴在轨道上，应变片的间距与前后排车轮之间的间距相同。

进一步地，所述轨道为工字型钢梁，所述应变片沿轨道横截面的竖直方向粘贴，位置宜位于工字梁腹板处。

进一步地，采集仪和应变片之间无线通讯。

进一步地，运输船舶上的轨道到码头上的轨道之间通过连接过梁连接，所述连接过梁的两端分可以转动。

根据本发明的第二个方面，本发明采用以下技术方案：

一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量与控制方法，其特征在于采用上述的车组轮压测量系统，并包括以下步骤：

1)根据海洋平台组块及荷载转换框架重量特征，确定N个SPMT车形成编组并确定所需的轨道数量M，每个SPMT车的标准重量为G₁、车轮数目为n；在码头与运输船舶轨道上，在测试行程范围内，按照前后排轮间距粘贴应变片，并连接无线应变采集仪；

2)动员一台SPMT车，依次行驶至2N个粘贴有应变片的位置，在每个位置停留时使车轮与粘贴有应变片的轨道位置重合，从空载开始逐步放置3个重量为G₂的配重块，依次记录对应重量为0、G₁、G₁+G₂、G₁+2G₂、G₁+3G₂时各点的应变ε₁～ε₅，其中N×(G₁+3G₂)>1.5G₀，类似地执行2N次，得到2×N×n个测点的压力-应变关系曲线标定图；

3)将荷载转换框架与海洋平台组块依次安装到SPMT车组上，利用SPMT车自带的称重设备测得海洋平台组块及荷载转换框架总重量G₀；

4)将SPMT车组、荷载转换框架、海洋平台组块系统由轨道平移至码头前沿位置的N×n个应变片位置，根据压力-应变标定关系，由各处轮压之和反推系统总重量，并与标准重量(G₀+N×G₁)进行最终的对比校验；

5)将运输船舶移动至码头前沿位置，并通过连接过梁对SPMT车组、荷载转换框架、海洋平台组块系统进行平移装船，当最前方车轮每行进至运输船舶轨道上新的一组应变片位置时，停止平移，此时码头与运输船舶上各个车轮仍与粘贴有应变片的轨道位置对应，对运输船舶进行压载操作，使之发生设定值的升沉，测量各测点的应变，并根据压力-变标定关系得到此时的重力重分配工况F，为N×n维列阵；

6)逐步将系统完全平移至运输船舶上，不断重复步骤5)中的测量过程，得到N/M个F；

7)将F的反作用力形成N/M个平移安装工况荷载，施加到海洋平台导管架基础模型上，计算得到可允许的运输船舶升沉幅值H；作为海上现场安装时，对运输船舶压载调整的控制依据。

进一步地，在海上现场安装时，通过布置在导管架上的光学测量仪器监测运输船舶的升沉运动，超过0.9H时立即停机进行压载调整，确保安装过程中的结构安全。

进一步地，所述设定值的升沉为±50mm的升沉。

本发明的有益效果是：

1)解决平移安装工艺过程中无法预估和控制重力荷载重分配效应对基础结构受力影响的问题，能够有效降低导管架设计裕度过大或海上施工的操船精度，扩展SPMT平移安装海洋平台组块的应用范围。

2)测量过程由安装的逆向过程等效，完全在码头区域进行，操作简单，投入可控。

3)不影响任何原有的建安工序和进度，能够有效地实现经济性和安全性的统一。

附图说明

图1是SPMT平移时轮压的荷载重分配现象示意图。

图2是海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统正视图。

图3是海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统场地布置图(俯视图)。

图4是海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统侧视图。

图5是应变片粘贴位置示意图。

图6是应变片标定示意图。

图7是测量时运输船压载水时SPMT车组变化示意图。

图8为轮压-应变曲线图。

具体实施方式

为进一步说明本发明内容、特点与功效，下面结合附图对本发明进行详细描述说明。

如图2、4所示，本实施例由以下内容组成：运输驳船1、轨道2、若干SPMT车3、荷载转换框架4、若干配重块5、运输船和码头连接梁6、码头7、海洋平台组块8。

所述SPMT车3设置由车轮301、液压悬挂系统及称重设备302、平台303组成，每台车的上方自带液压悬挂系统和称重设备，前后两台SPMT车共用一个平台用于支撑上部的平台及托架结构；

荷载转换框架4在钢结构加工厂里建造完成，荷载转换框架4的尺寸要和SPMT车组以及海洋平台8的尺寸相互匹配，保证能够将荷载转换框架4安放在SPMT车组上，海洋平台组块8能够合理的安放在荷载转换框架4上；根据实际将滑移安装的海洋平台8的设计重量3761吨和重心数据，结合单个SPMT车3的实际重量G₁＝6吨、荷载转换框架4的实际重量200吨，设计5组N＝10台SPMT车3和荷载转换框架4并进行编组连接，总重G₀＝3761+50×6+200＝4261吨，每台车有n＝4个车轮；本实施例中，每台SPMT车设置前后排车轮，前后两台SPMT共用一个平台，每条轨道上均如图2所示设置标号为3100～3119的共5组10台SPMT，共20个车轮。编组时需要保证SPMT车组的前后排车轮间距和每一个车内部两排车轮的间距相同(3100～3119之间的前后间距均相同)。最终测量时，由SPMT车组运输着荷载转换框架4和配重块从运输驳船1的左侧向码头7逐步移动到贴有应变片的位置，并对运输驳船1进行压载水，由应变仪得到各个车轮处的应变值，反算得到轮压值。

如图2、4所示：根据SPMT车组的形式，本实施例中每个SPMT车子需要4排轨道2，从左至右，分别标号为21、22、23、24，在运输驳船1和码头7的特定位置布设相应的轨道21、22、23和24，实际滑移安装过程中，为了保证轨道的平整性，用于连接运输驳船1和码头7的连接梁6相对运输驳船1和码头7可以转动，轨道2在运输驳船1与连接梁6连接的位置及连接梁6与码头7连接的位置需断开。

如图3所示，为了测得车组及平台组块在不同支撑载体间重量转移时不同位置的轮压反力，需要沿着轨道21、22、23、24分别布设一排应变片，并在测量开始前在相应的位置做好标记，应变片组要求等间距布置，并且与前后SPMT车轮之间的间距一致，图3中附图标号2100～2119表示20组位于轨道21上运输驳船1侧的应变片组布设位置，附图标号2120～2139表示20组位于轨道21上码头7侧的应变片组布设位置，两个应变片间距既表示同一个SPMT车3的前后轮的间距，也和车组中前后SPMT车3之间的前后车轮间距相等(每两个应变片间距都和3100～3119任意两个轮子的前后间距相等)；另外需要注意在运输驳船1右端的应变片组2119和码头7左端的应变片组2120的间距也要和其他应变片组的间距保持一致。

如图4所示：图中附图标号9为应变片，应变片9粘贴的位置可根据现场的实际情况选取，如现场轨道边缘外侧不被掩埋，方便操作，可优先选择轨道工字梁腹板侧面部位25粘贴应变片，也可选择位置26粘贴应变片；应变片9粘贴前需对轨道梁2进行打磨处理，应变片粘贴需要规范且符合测量的规定要求；由于现场布设的应变片较多，因此测量使用的应变仪应选取无线式，并在轮压测量前、应变片粘贴完成后进行连接测试。

如图6所示：需要先对应变片9进行标定，标定前先记录应变片9的应变值，先将单个SPMT车3移动到位置2100，分步放置3个配重块，分别标号为51、52、53，每个配重块的重量为G₂＝1200吨，满足N×(G₁+3G₂)＝36060吨>1.5G₀＝6391.5吨，最大量程可覆盖系统测量重量。分别记录总重量对应为0吨、G₁＝6吨、G₁+G₂＝1206吨、G₁+2G₂＝2406吨、G₁+3G₂＝3606吨时的应变片应变值ε₁～ε₅，得到位置2100处应变片的轮压-应变曲线(如图8所示)，由于需要保证得到的标定曲线准确性，需要保证配重块51、52、53的尺寸和单个车组3的平台尺寸基本一致，并且要求配重块均质、重心位于几何形心处，应变片9的位置与SPMT车3的车轮以及配重块的重心保持一致；重复上述步骤2N＝20次，分别对每一个应变片进行标定，得到2×N×n＝80个测点的压力-应变关系曲线标定图。

如图4所示：测量时荷载装换框架4放置在SPMT车组上，海洋平台8放置在荷载装换框架4上，整个系统移动到码头上，使得5个SPMT车3的车轮3119～3100分别和贴有应变片的位置2120～2139完全对齐，此时记录各个应变片的应变值，利用标定曲线反推得到组块-小车系统的重量和重心，并与标准重量(G₀+N×G₁)＝4321吨进行最终的对比校验；

将SPMT车组、荷载转换框架4和海洋平台8整体移动至运输驳船1上，由运输驳船1向码头7开动SPMT车组。第一步将车组的车轮3100～3119分别和应变片组2100～2119对齐，每一步移动一个应变片之间的间距，此时对运输驳船1进行压载水操作，使得运输驳船1升沉±50mm，如图7所示，此时SPMT车的液压系统302启动，为保持荷载装换框架4和海洋平台8相对水平，SPMT车3的车轮发生竖向位移，轮压重新分配，分别测量记录各个应变片的应变值。重复上述步骤直至车组完全开至码头7上，得到21组各个位置的应变片应变值。

根据测量前标定得到的轮压-应变曲线值，可以推算得到海洋平台平移安装时车组的(2×N+1)＝21组轮压，每组均具有N×n＝40个受力分量；将其分别作为顶部荷载将其施加到已有的导管架计算模型中进行率定，进而可以分析得到轨道2运输着荷载装换框架4和海洋平台8向导管架基础平移安装时，上部海洋平台8和导管架基础构件保持安全的允许运输船舶升沉幅值H＝60mm，采用这一数据对实际安装工况起到指导作用(光学仪器实时监测运输船的最大位移值，达到0.9H＝54mm时需停止压载)。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统，其特征在于：

包括若干辆SPMT车组成的车组、荷载转换框架、海洋平台组块、若干配重块、运输船舶、轨道以及应变测量系统；

所述SPMT车设置前后两排车轮、液压悬挂系统、称重设备和平台；所述SPMT车的前后排车轮距离与车组中相邻SPMT车之间的前后相邻排车轮的距离相等；荷载转换框架放置在所述车组的SPMT车平台上，荷载转换框架用于承载海洋平台组块；

所述配重块为具有已知标准重量的规则物体，其尺寸与单台SPMT车的平台相当，质地均匀；

所述运输船舶具有压载调节能力，可自主控制并设置甲板与码头前沿的高程相对关系；

所述轨道在码头及运输船舶上相应设置，支撑SPMT车组及其上方重物的移动；

所述应变测量系统包括若干应变片及采集仪；从运输船舶上的轨道到码头上的轨道，应变片等间距地贴在轨道上，应变片的间距与前后排车轮之间的间距相同。

2.如权利要求1所述的一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统，其特征在于所述轨道为工字型钢梁，所述应变片沿轨道横截面的竖直方向粘贴，位置位于工字梁腹板处。

3.如权利要求1所述的一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统，其特征在于采集仪和应变片之间无线通讯。

4.如权利要求1所述的一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量系统，其特征在于运输船舶上的轨道到码头上的轨道之间通过连接过梁连接，所述连接过梁的两端分可以转动。

5.一种海洋平台组块平移安装的车组轮压测量与控制方法，其特征在于采用权利要求1所述的车组轮压测量系统，并包括以下步骤：

1)根据海洋平台组块及荷载转换框架重量特征，确定N个SPMT车形成编组并确定所需的轨道数量M，每个SPMT车的标准重量为G₁、车轮数目为n；在码头与运输船舶轨道上，在测试行程范围内，按照前后排轮间距粘贴应变片，并连接无线应变采集仪；

2)动员一台SPMT车，依次行驶至2N个粘贴有应变片的位置，在每个位置停留时使车轮与粘贴有应变片的轨道位置重合，从空载开始逐步放置3个重量为G₂的配重块，依次记录对应重量为0、G₁、G₁+G₂、G₁+2G₂、G₁+3G₂时各点的应变ε₁～ε₅，其中N×(G₁+3G₂)>1.5G₀，类似地执行2N次，得到2×N×n个测点的压力-应变关系曲线标定图；

3)将荷载转换框架与海洋平台组块依次安装到SPMT车组上，利用SPMT车自带的称重设备测得海洋平台组块及荷载转换框架总重量G₀；

4)将SPMT车组、荷载转换框架、海洋平台组块系统由轨道平移至码头前沿位置的N×n个应变片位置，根据压力-应变标定关系，由各处轮压之和反推系统总重量，并与标准重量(G₀+N×G₁)进行最终的对比校验；

5)将运输船舶移动至码头前沿位置，并通过连接过梁对SPMT车组、荷载转换框架、海洋平台组块系统进行平移装船，当最前方车轮每行进至运输船舶轨道上新的一组应变片位置时，停止平移，此时码头与运输船舶上各个车轮仍与粘贴有应变片的轨道位置对应，对运输船舶进行压载操作，使之发生设定值的升沉，测量各测点的应变，并根据压力-变标定关系得到此时的重力重分配工况F，为N×n维列阵；

6)逐步将系统完全平移至运输船舶上，不断重复步骤5)中的测量过程，得到(2×N+1)个F；

7)将F的反作用力形成(2×N+1)个平移安装工况荷载，施加到海洋平台导管架基础模型上，计算得到可允许的运输船舶升沉幅值H；作为海上现场安装时，对运输船舶压载调整的控制依据。

6.如权利要求1所述的车组轮压测量与控制方法，其特征在于在海上现场安装时，通过布置在导管架上的光学测量仪器监测运输船舶的升沉运动，超过0.9H时立即停机进行压载调整，确保安装过程中的结构安全。

7.如权利要求1所述的车组轮压测量与控制方法，其特征在于所述设定值的升沉为±50mm的升沉。

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