CN112442997A

CN112442997A - 一种抗扭翼型吸力锚基础结构

Info

Publication number: CN112442997A
Application number: CN202011268447.9A
Authority: CN
Inventors: 付登锋; 赵康男; 郭晓港; 闫玥
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-03-05

Abstract

本发明公开了一种抗扭翼型吸力锚基础结构，包括锚体外壁和翼型结构，所述翼型结构和锚体外壁焊接成为一个整体结构，所述的翼型结构设置于锚体外壁中部、中下部或纵跨整个高度，达到提升抗扭承载力及避免表层冲刷的要求。本发明的外翼型吸力锚基础结构简单，充分利用了既有的吸力锚基础结构，增设尺度不大、形状规则的钢制外翼片，造价低，可完全发挥传统吸力锚负压沉放高效安装的优势；并且可通过调整外翼结构的尺寸和安装位置，满足不同的抗扭承载力需求，可充分兼顾建造、设计及安装的综合成本控制需求，为海洋工程领域提供了一种新型的基础结构型式。

Description

一种抗扭翼型吸力锚基础结构

技术领域

本发明涉及海洋工程基础结构设计技术领域，尤其涉及一种用于提高传统吸力锚的抗扭承载力的新型基础结构。

背景技术

吸力锚基础作为一种深水系泊基础结构，已在深海油气开发领域应用多年，凭借其施工快捷、噪音小、成本低、可重复利用等自身显著优势，也逐渐受到了海洋新能源行业的关注和青睐，作为可行的浮式风电锚固基础结构，已应用到了多个国际浮式风电场的试点项目中。

然而，传统的基于海洋油气领域吸力锚设计原则，并不能完美地应用于海上浮式风电的基础设计、安装等环节，特别是，吸力锚的常规承载设计方法中往往是以平面内的拉拔设计荷载为主，通过优化系泊点的为主，寻求吸力锚最优的拉拔承载性能。对由于非共面的拉拔荷载鲜有考虑，这对于吸力锚作为浮式锚固基础结构而言，可能忽略了非共面拉拔荷载引起的大扭矩荷载工况，使得吸力锚尚未发挥出设计的拉拔承载性能之前，就已经出现了显著的抗扭破坏工况，这在浮式风电领域的吸力锚基础设计研发中仍属盲区地带。

因此，吸力锚基础结构在浮式风电领域应用中，存在由抗扭性能不足而引发整体承载性能大幅降低的潜在工程问题，为解决这类吸力锚的抗扭破坏为主针对性设计问题，我们从吸力锚的抗扭破坏机理出发，提出了一种可显著提高传统吸力锚抗扭承载力的新型翼型吸力锚基础结构。

发明内容

本发明提供一种用于提供传统吸力锚抗扭承载力的翼型吸力锚基础结构，解决现有技术中由抗扭性能不足而引发整体承载性能大幅降低的潜在工程问题。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种抗扭翼型吸力锚基础结构，包括锚体外壁和翼型结构，所述翼型结构和锚体外壁焊接成为一个整体结构，所述的翼型结构设置于锚体外壁中部、中下部或纵跨整个高度，达到提升抗扭承载力及避免表层冲刷的要求。

基于吸力锚受扭矩荷载作用下的破坏模式，利用增设的锚体外壁翼型结构，将传统吸力锚的主要剪切面“吸力锚侧壁-土体”，转移至新型吸力锚翼型结构外侧延的“土–土” 剪切面，从而大幅地降低了扰动土体(吸力锚安装后往往对侧壁周围约1倍壁厚区域内的土体产生显著的扰动，导致强度降低)对吸力锚抗扭承载力的影响。

基于上述技术特征，通过增设锚体外壁的翼型结构，能够充分利用翼型结构在受扭矩荷载下前后侧主被动土压力，增加传统吸力锚的有效扭剪锚土作用区域，并将未扰动的原状土体调动起来直接贡献于吸力锚的抗扭承载力。

优选地，上述一种用于提高吸力锚抗扭承载力的翼型结构，可通过增加翼片数量，使翼型吸力锚的抗扭破坏模式从翼片的局部破坏逐渐演变成翼片外侧延的整体“土-土”剪切破坏模式，并将吸力锚安装过程中主要的扰动土体区域有效地限制在相邻两翼片结构之间，达到不折减吸力锚抗扭承载力的效果。

基于上述技术特征，翼型吸力锚的翼片数量应大于3片，但不能过多，建议不大于5片，以达到控制设计及安装成本的效果。

优选地，上述一种用于提高吸力锚抗扭承载力的翼型结构，可通过增加翼片结构宽度s，建议翼片结构宽度大于0.05D(D为吸力锚外径)，但考虑安装和和设计环节，不易过大，建议小于D，以便有效提高翼型吸力锚的扭剪半径，从而提供翼型吸力锚受扭矩荷载作用下的剪切面积，以达到提供抗扭承载力的效果。

基于上述技术特征，翼型吸力锚的翼片宽度s可根据实际的抗扭设计荷载进行优化，但不宜过宽，以保证安装的便易及制造的经济性。

优选地，上述一种用于提高吸力锚抗扭承载力的翼型结构，可通过缩短翼片结构安装长度L₀，建议在0.5～0.8H(H为吸力锚筒裙高度)，来减小翼片贯入土体中的阻力，以便控制吸力锚安装的需要负压，并考虑合适的安装位置，以便有效改善翼型吸力锚的防冲刷性能。

基于上述技术特征，翼型吸力锚翼片安装长度L₀可根据实际的抗扭设计荷载进行优化，以达到安装成本的经济性，且优化翼片的安装位置，建议安装在中下部，以达到更好的防冲刷性能。

优选地，上述一种用于提高吸力锚抗扭承载力的翼型结构，可通过改变翼型结构安装倾斜角度，来调整吸力锚的贯入阻力，在贯入阻力容许的条件下，增加安装角度(翼型结构垂直锚体外壁安装角度定义为零度)，可有效改善吸力锚的上拔承载力。

基于上述技术特征，翼型吸力锚的翼片安装角度可根据实际的抗扭及抗拔设计荷载进行优化，在保证吸力锚的安装可行性和经济性的条件下，可适当的增加安装倾斜角度α，但考虑过大的角度可造成安装阻力增加，建议小于7.5°，以便达到新型吸力锚更优的抗扭及抗拉性能。

本发明的有益效果是：本发明的翼型结构简单，充分利用既有的吸力锚结构，易于建造，且兼具吸力锚自身的传统优势(安装便捷、安装噪音小、可重复利用)；此外，通过优化翼片结构的尺寸(长度、宽度)，可使得新型吸力锚的抗扭性能大幅提高，且通过缩小翼片结构长度，并设置合理的安装位置，还能达到提高吸力锚的防冲刷性能；另外，翼片结构的安装倾斜角度，可以作为综合考虑改善吸力锚的抗扭和抗拔性能控制指标，从而达到提高新型吸力锚整体承载性能的需要。

本发明通过增加简单的锚外壁翼型结构，来转化吸力锚受扭时的剪切界面，从而有效地发挥吸力锚周围未扰动土体的强度，达到吸力锚的抗扭性能，并有效地降低建造成本，且不明显增加安装成本。

附图说明

为清晰说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例介绍所需要使用的附图简单做一介绍，下述附图仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，无需付出创造性劳动即可根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明的基本结构示意图；其中A为3D视图；B为侧视图；C为上视图；D为下视图；

图2为本发明的基本结构几何尺寸三视图；其中A为3D视图；B为侧视图；C为上视图； D为下视图；

图3为本发明的翼型结构优化方案一示意图；其中A为3D视图；B为侧视图；C为上视图；D为下视图；

图4为本发明的翼型结构优化方案一几何尺寸三视图；其中A为3D视图；B为侧视图； C为上视图；D为下视图；

图5为本发明的翼型结构优化方案二示意图；其中A为3D视图；B为侧视图；C为上视图；D为下视图；

图6为本发明的翼型结构优化方案二几何尺寸三视图；其中A为3D视图；B为侧视图； C为上视图；D为下视图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、吸力锚桶裙；2、吸力外壁翼片；3、吸力锚顶盖板；

附图中，各结构部件几何尺寸标记如下：

D-吸力锚锚体外径；t-吸力锚桶裙壁厚(及翼片结构壁厚)；T-吸力锚顶盖板厚度；H- 吸力锚桶裙高度；L_0-翼片结构长度；s-翼片结构宽度；h-翼片结构安装高度；α-翼片结构安装倾斜角度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，此外，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本实施例为一种基础的用于提高抗扭承载力的翼型吸力锚基础结构，包括传统吸力锚的既有结构吸力锚筒裙1及吸力锚顶盖板3，增设的吸力锚外壁翼片3可焊接在吸力锚筒裙1外壁，图1展示中共计增设了四个吸力锚外壁翼片3，实际中不拘泥于四个翼片数量，但建议不少于三个。对应的各部件典型尺寸详见图2。显然，本实施例中吸力锚外壁翼片3的长度L₀与吸力锚筒裙高度H相同，以便获取有效扭剪半径的范围最大化，从而获取更优的抗扭性能，考虑到吸力锚外壁翼片3的宽度s过大可能产生过大的安装阻力(翼片侧摩阻力及端部阻力)，故本实施例的展示中吸力锚外壁翼片3的宽度s远小于吸力锚锚体外径D。

本发明的另外两种具体示例请参阅图3(图4为图3对应的几何尺寸三视图)及图5(图 6为图5对应的几何尺寸三视图)。图3(及对应的图4)展示了一种吸力锚外壁翼片3的长度L₀小于吸力锚筒裙高度H的优化结构示意图，通过缩短吸力锚外壁翼片3的长度L₀来减小翼片结构的侧面积，从而达到有效降低吸力锚安装阻力的目的，同时能避免吸力锚外壁翼片 3对海床表面引起的冲刷隐患。图5(及对应的图6)展示了一种吸力锚外壁翼片3的长度L₀小于吸力锚筒裙高度H，并且吸力锚外壁翼片3具有一定翼片结构安装倾斜角度α的优化结构示意图，适当的翼片结构安装倾斜角度α设置可以使得吸力锚的抗拔剪切面增加，从而优化传统吸力锚的抗拔性能，但翼片结构安装倾斜角度α不易过大，以免造成安装阻力过大，且抗扭性能折减，故此示例综合考虑了吸力锚的抗扭、抗拔承载性能，同时兼顾吸力锚的安装效率，可根据实际需求进行尺寸的细节优化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、尺寸或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、尺寸或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种抗扭翼型吸力锚基础结构，其特征在于：包括锚体外壁(1)和翼型结构(2)，所述翼型结构(2)和锚体外壁(1)焊接成为一个整体结构，所述的翼型结构(2)设置于锚体外壁(1)中部、中下部或纵跨整个高度，达到提升抗扭承载力及避免表层冲刷的要求。

2.根据权利要求1所述抗扭翼型吸力锚基础结构，其特征在于：所述的翼型结构(2)翼片的数量为3-5片。

3.根据权利要求1所述抗扭翼型吸力锚基础结构，其特征在于：所述的翼型结构(2)的翼片宽度s大于0.05D，小于D，其中D为吸力锚外径。

4.根据权利要求1所述抗扭翼型吸力锚基础结构，其特征在于：所述的翼型结构(2)翼片长度L₀在0.5～0.8H，其中H为吸力锚锚体外壁(1)筒裙高度。

5.根据权利要求1所述抗扭翼型吸力锚基础结构，其特征在于：所述的翼型结构(2)安装倾斜角度α为0-7.5°，其中翼型结构垂直锚体外壁(1)安装角度定义为零度。