CN112709250A - 一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构 - Google Patents

一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，通过适当设置承台凹圆弧表面形状，并使承台凹圆弧面跟真空管道密贴，要求密贴、无缝隙、不渗水，减小真空管道所受海水垂直向上的分压，从而有利于减小海底真空管道所受浮力，使管道对海底桩基传递的向上拉力最小化，进而降低对桩基础抗拔性能的要求。基台结构包括桩基、承台、真空管道和管箍，其结构简单，便于制作与安装，本发明给出的减小浮力思路与设置给将来海底真空管道建设与优化设计提供借鉴。

Description

一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构
技术领域
本发明属于海底真空管道交通及海洋工程技术领域，具体涉及一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构。
背景技术
飞机和汽车除受空气阻力影响外，能耗高、碳排放量大，将来发展会受到限制。高速铁路、磁悬浮列车因受到空气阻力、气动噪声、气动振动等制约，无法进一步提高速度。真空管道高速磁浮交通克服上述缺点，是一种能达到超高速度，且能耗低、环境影响小的交通模式，可望开创人类交通运输的新时代。
真空管道交通由管道、车辆、供电、通讯、驱动与控制、真空泵组、真空计量、监控系统等部分组成，运行时，管道内抽成一定真空，然后车辆在其中行驶。真空管道交通除了可以在陆地上建设运行，还适合建设在海底。海底环境对真空管道具有特殊优越性，海水可以为真空管道降温、提供恒温环境，还可为管道提供均匀浮力，抵消管道自身重力作用，降低结构强度要求，减少工程费用。因此，海底真空管道将成为跨海越洋的新型交通方式。
海底真空管道的基本形式为，在海床上修建固定墩台，然后通过水下施工方法，把真空管道管段按要求的精度架设在墩台上，再用水下密封连接方法把所有管道固定连接。1996年，美国科麦奇(Kerr-McGee)公司在墨西哥湾(Gulf of Mexico)Neptune基地1930英尺水深处，建成立柱式桩基海上平台(Spar Platform)；2002年，在Nansen and Boomvang基地3000英尺水深处，建成立柱式桩基海上平台；后来又在5000英尺深海域建成立柱式桩基海上平台。立柱式桩基平台主要用于海上钻探、石油开采，以及风电设备安装。其特征是，作为工作平台的主要结构物位于海面以上，立柱式桩基底部在海床上，顶部在海面，其高度等于或大于水深，整体重量(桩基+海上平台)远远大于所受浮力，嵌入海床的桩基只受重力作用，而不受向上的拉力(拔力)。因此，立柱式桩基海上平台只需要考虑整体结构稳定性，不需要过多考虑桩基嵌入海床部分的抗拔性能。
海底输油管道直接铺设在海床上，因此不受浮力影响。即使有悬空段，处于工作状态的输油管道重力也大于所受浮力。
海底真空管道线路全部浸没在水下(接近海床，但通过管墩架空)，管道内部为排空状态，不论是钢质管壁还是混凝土管壁材质管道，在铺设轨道和安装其他设备后，单位长度管道的整体重量仍然小于所受浮力。即使有车辆通过，一般客运车辆跟管道耦合叠加以后的单位长度重量仍然会小于所受浮力。
因此，对于海底真空管道，作为支撑结构件的桩基础会受到通过管道传递的浮力作用，桩基整体会受到垂直向上的拉力。如何减小海底真空管道系统浮力，降低对桩基础抗拔性能的要求，则成为海底真空管道设计建设需要重点考虑的问题。
海底真空管道属于跟海床有关联的水下结构，其沉浮条件和浮力大小需要具体分析和设计。其中，海底真空管道的悬空管道部分受到海水浮力，垂向合力向上。立式桩基根部嵌入海床，本身不受浮力作用，但当跟真空管道连接后，则受到通过管道传递的向上拉力。桩基顶部承台跟管道的连接方式不同，会导致桩基向上拉力大小很不相同。适当设计承台结构，确保桩基与承台的整体性，提高管道底部(承台范围)与承台接触面的一体性，则可有效减小海底真空管道系统的浮力作用，降低对桩基础抗拔性能的要求。拉力索是固定水下结构物并防止其上浮的常用方法，但其要求增加结构件，导致增加了施工和建造成本。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，克服浮力对海底真空管道桩基础的影响，具有结构简单，便于制作和安装的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，包括桩基、承台、真空管道和管箍；
所述桩基为圆柱形管桩，桩基根部嵌入海床，桩基顶部设置承台，承台纵向宽度大于等于桩基直径，承台横向宽度大于等于真空管道外直径；
所述的承台上部为圆柱形凹圆弧面，其直径跟真空管道直径相同，能够与真空管道密切配合；承台凹圆弧面高度等于真空管道半径或略小于真空管道半径；
所述真空管道通过管箍紧固在承台上，真空管道跟相邻管段通过法兰连接，架设在桩基承台上的管段两端设置法兰，两法兰之间所夹的管段长度大于承台纵向宽度。
进一步，所述承台上部凹圆弧面布满橡胶垫，真空管道与带有橡胶垫的凹圆弧面完全贴合。
进一步，所述承台为双桩基承台结构，所述承台上有两个并列的凹圆弧面，为双方向真空管道提供支撑。
进一步，双桩基承台结构设置有四立柱桩基，每个桩基上独立设置承台，横向并列的两承台间用刚性连杆连接。
进一步，所述的承台边缘为圆角。
进一步，所述的承台为半球形，上部为圆柱形凹圆弧面。
进一步，所述桩基为吸力桩。
进一步，所述桩基竖向截面为矩形或梯形。
本发明的有益效果是：
本发明通过适当设置承台凹圆弧表面形状，并使承台凹圆弧面跟真空管道密贴，要求密贴、无缝隙、不渗水，减小真空管道所受海水垂直向上的分压，从而有利于减小海底真空管道所受浮力，使管道对海底桩基传递的向上拉力最小化，进而降低对桩基础抗拔性能的要求。基台结构包括桩基、承台、真空管道和管箍，其结构简单，便于制作与安装，本发明给出的减小浮力思路与设置给将来海底真空管道建设与优化设计提供借鉴。
附图说明
图1为海底真空管道及其桩基承台结构示意图
图2为海底真空管道桩基承台结构示意图
图3为海底真空管道及桩基承台结构横断面图
图4为海底真空管道及桩基承台结构正视图
图5为短承台管段模式海底真空管道及其桩基承台结构示意图
图6为中承台管段模式海底真空管道及其桩基承台结构示意图
图7为长承台管段模式海底真空管道及其桩基承台结构示意图
图8为具有双方向管道的海底真空管道及其桩基承台结构示意图
图9为具有双方向管道的海底真空管道及其桩基承台结构横断面图
图10为四立柱海底真空管道及其桩基承台结构示意图
图11a为具有圆角的桩基承台结构示意图
图11b为半球形承台桩基承台结构示意图
图中：1为桩基；2为承台；21为凹圆弧面橡胶垫；3为真空管道，31为法兰；4为管箍；5为承台连杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
如图1-图5所示，本发明有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，包括桩基1，承台2，真空管道3。
所述的桩基(管墩)1为圆柱形管桩，桩基根部嵌入海床一定深度，顶部设置有承台2，承台2设置在桩基1上部，承台2纵向即真空管道延伸方向宽度a大于等于桩基1直径2r，承台2横向即真空管道横断面方向宽度b大于等于真空管道3外直径2R；承台2上部为圆柱形凹圆弧面，其直径跟真空管道3直径相同，能够跟真空管道3密切配合；凹圆弧面高度h等于真空管道3半径R，或略小于真空管道3半径R，其优点是：减小真空管道3下部区域(承台范围内)承受垂直向上海水分压力(浮力)的面积，有利于减小海底真空管道3系统整体所受的浮力。
所述的承台2上部凹圆弧面布满橡胶垫21，相贴合处的真空管道3表面光洁。真空管道3跟带有橡胶垫21的凹圆弧面贴合后，无间隙，不渗水，以避免该贴合部位海水对真空管道3产生向上分压。所述的承台2上部凹圆弧面的橡胶垫21在制作承台2时预制在凹圆弧面上，要求做到密贴，无缝隙，不渗水。
所述的真空管道3为海底真空管道，供真空管道车辆在其中行驶，真空管道3架设在桩基承台上，通过管箍4紧固在承台2上。真空管道3跟相邻管段通过法兰31连接，架设在桩基承台上的管段两端设置法兰31，该两法兰31之间所夹的管段长度大于承台2纵向即真空管道延伸方向宽度a。
如图5-图7所示，根据架设在桩基承台上的管段3长度不同，分为短承台管段、中承台管段和长承台管段三种模式，相应地有以下三种设置及其对应的施工安装方法：
(1)短承台管段模式。即位于承台2上的管段3较短，跟承台2纵向宽度接近，两相邻管墩(桩基+承台)之间通过一段独立的悬跨管段跟两承台2上的短管段3连接。
(2)中承台管段模式。即位于承台2上的管段3长度较长，大于承台2纵向宽度，但不足以跟相邻管墩上的管段衔接，之间通过一段独立的悬跨管段3跟相邻承台2上的管段3连接。
(3)长承台管段模式。即位于承台2上的管段3较长，一个桩基承台2上的管段3跟相邻管墩承台上的管段3直接在跨中对接。
如图8、图9所示，对于双方向海底真空管道3，设置双桩基承台2，所述承台2上有两个并列的凹圆弧面，为双方向真空管道3提供支撑；所述承台2纵向(真空管道延伸方向)宽度大于等于桩基直径；所述凹圆弧面的橡胶垫21在制作承台2时预制在凹圆弧面上，要求密贴、无缝隙、不渗水。设置四立柱桩基承台2，每个桩基1上独立设置承台2，横向并列的两承台间用刚性连杆5连接，如图10所示。
所述的承台2边缘具有圆角，如图11a所示，承台2也可以为半球形，如图11b所示。桩基(管墩)为吸力桩，桩基(管墩)竖向截面为矩形或梯形。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：包括桩基(1)、承台(2)、真空管道(3)和管箍(4)；
所述桩基(1)为圆柱形管桩，桩基(1)根部嵌入海床，桩基(1)顶部设置承台(2)，承台(2)纵向宽度大于等于桩基(1)直径，承台(2)横向宽度大于等于真空管道(3)外直径；
所述的承台(2)上部为圆柱形凹圆弧面，其直径跟真空管道(3)直径相同，能够与真空管道(3)密切配合；承台(2)凹圆弧面高度等于真空管道(3)半径或略小于真空管道(3)半径；
所述真空管道(3)通过管箍(4)紧固在承台(2)上，真空管道(3)跟相邻管段通过法兰(31)连接，架设在桩基承台上的管段(3)两端设置法兰(31)，两法兰(31)之间所夹的管段长度大于承台(2)纵向宽度。
2.根据权利要求1所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：所述承台(2)上部凹圆弧面布满橡胶垫(21)，真空管道(3)与带有橡胶垫(21)的凹圆弧面完全贴合。
3.根据权利要求2所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：所述承台(2)为双桩基承台结构，所述承台(2)上有两个并列的凹圆弧面，为双方向真空管道(3)提供支撑。
4.根据权利要求3所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：双桩基承台结构设置有四立柱桩基(1)，每个桩基(1)上独立设置承台(2)，横向并列的两承台(2)间用刚性连杆(5)连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：所述的承台(2)边缘为圆角。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：所述的承台(2)为半球形，上部为圆柱形凹圆弧面。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：所述桩基(1)为吸力桩。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种有利于减小浮力的海底真空管道桩基承台结构，其特征在于：所述桩基(1)竖向截面为矩形或梯形。
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