CN204560627U - 可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱 - Google Patents

可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱 Download PDF

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Abstract

钢质管材制作的方形框架,靠网池一侧焊有钢栏杆立柱及钢扶手,同时钢框架周圈钢管内侧四角,用铁链互相连接起来,周圈钢管为填充塑料发泡体的永久浮力舱,中央钢管为装设有进/排水管阀及进/排气管阀,同时装设气囊及其控制管阀,四角用水平管端连接铁件与转换柱总成吊耳用高强螺栓连接,转换柱总成底面吊环连接上自由悬重杆,自由悬重杆底部套上底靴式重骨料混凝土压载体,网衣用拉结绳系结在方形框架钢扶手上,同时网衣框绳又系结在转换柱总成上,在自由悬重杆上系扎上防荡板总成,转换柱总成吊耳及自由悬重杆挂环连接系泊缆,相比流行的聚乙烯管材即HDPE制作的网箱,可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱更强、更刚、生态环保、经济实用。

Description

可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱
技术领域
可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱,是一种解决各种深度(浅,中,深)水域的新型网箱,突出台风袭击不撤离或不下沉时,仍有可靠的抗风浪安全性,同时具有环保生态特点。本发明属海洋工程领域。
背景技术
网箱养殖是海洋经济的重要部分,目前由挪威引进的聚乙烯管材(简称HDPE)制作的网箱遍地开花,在黄渤海,东海,南海,都在大量使用,这种以HDPE材料制作的浮式或沉浮式网箱,虽然沉浮式网箱有沉浮功能,台风袭击前可沉于一定深度,规避水面最大的波浪冲击,但从实践来看这种网箱仍有下列致命的缺陷:
1.不适应海流的冲击,据观察海流速度仅达0.257m/s时就可能发生变形,在流速达lm/s时将损失80%网箱养殖容体,这样受制于海流,就丧失了大量水质交换条件更好的养殖资源。
2.由于上述的原因这类网箱只能在风平浪静的内湾使用,由于养殖户蜂拥在这个狭小的内湾内,造成湾内水质十分恶劣,甚至臭气冲天,鱼品质差,鱼病多,海滨城市丧失最可贵的一线海景,这就逼使地方政府为了城市开发,不得不强行去驱赶内湾,近岸网箱养殖户,如广东从西向东都在清理,强拆内湾,近岸养殖网箱,但因没有开阔水域使用的技术支持,这就使这些过去的渔民处于无魚可捕,又无海可耕的十分困难的境地。
3.HDPE网箱平面刚度差,失稳是它破坏的主要形式之一,2013年8月台风“尤特”吹袭广东阳江及饶平,造成当地网箱全军覆没,这是在网箱锚固系泊较好情况下,网箱骨架在台风造成的旋转海流作用下呈现失稳破坏,其破坏形态如同把箱体“扭麻花”。当然网箱锚固及系泊问题一直没解决,以至台风袭击下,浮式或沉浮式网箱根本不可能抗台风,如2011年9月底海南临高在开阔水域的养殖网箱,在台风“尼格”袭击下全军覆没,一半被吹至外海丢失,一半吹到岸边打烂,快收获的鱼一条都没收回来,仅三家公司的经济损失就近8亿。同样灾害也发生在2013年9月福建漳州,台风“玉兔”造成损失数亿元。2014年7月发生在海南及广东粤西的台风“亚马逊”,使无数养殖户血本无归,虽然,在此之前海南养殖户已吸取2011年台风“尼格”袭击的教训,按海南省海洋与渔业厅2011年底发文《关于深水网箱养殖灾后恢复生产的指导性意见》作了改进。
4.沉浮式HDPE网箱的沉浮功能,使网箱在台风袭击前可沉于一定深度,规避水面最大的波浪冲击,但由于应用水域不当,下潜抗风浪效果不大,因为,直至2014年,我国并无置于外海深水区的网箱,由于有一系列技术及管理困难,也需要大的资金投入建设远海基地及穿梭船舶,所以,置于外海深水区不是件容易的事。现所讲的所谓深水网箱,其实是置于水深20m以内,离岸不到20km,相比近岸,内湾网箱水稍深,路稍远些的网箱。在这种浅,中水深水域,波浪影响隨深度衰减并不明显,因为只有当水深与波长之比d/λ>0.5时,即为深水水域时,波浪影响隨深度衰减才明显,在半水深处的水质点速度可降至水面的1/5,但浅,中水水域不满足这个条件,这几年从南到北台风惊过的地方,网箱均全军覆灭就是明证。对此,中国水产科学研究院黄海水产研究所关长涛,林德芳,黄滨,黄文強在国家”863”计划项目研究中撰写的我国“深海抗风浪工程技术的研究与发展”一文中(见参考文献1),在论述关于升降式网箱的降水层受力方面,对设置水深为20m为原型,文章认为“对原来普遍认为的网箱下潜的防浪,减流作用,还需要通过大量的实验重新认识。”因此,解决这个问题还必须从加强网箱强度及刚度着手,配合结构型式及系泊方式改进,其措施是:
a.由聚乙烯管材(简称HDPE)制作改用强度高得多的钢管材,HDPE一些省技术标准为拉伸屈服强度>=19mpa,HDPE拉伸屈服强度最高约为26mpa,采用最好的HDPE也不到钢材的1/10!
b.目前HDPE网箱主浮管多为直径250mm,壁厚15mm,管材的刚度为材料的弹性模量乘截面惯性矩,钢的弹性模量通常是高密度聚乙烯弹性模量的200倍左右,因此,采用直径250mm,壁厚8mm的钢质管材,其刚度也比同直径壁厚厚的HDPE大得多。
c.特别是结合本人近年来在抗风浪深水网箱上研究的成果,这些成果共同特点是基于海洋石油浮式平台如半潜式,张力腿式,筒柱式(英文SPAR),活节式(英文ARTICULATED COLUMNS)的成熟、可靠的経验:
(1)如本人系列的张力腿式平台网箱:如参考文献[2]“可随水位涨落升沉的张力腿式深水网箱”专利号201320095246.2,参考文献[3]“气囊调节浮力可随水位涨落升沉的柔性结构张力腿式深水网箱”专利号ZL201320623481.2为代表的张力腿式深水网箱,该类型结构特点是:通过张力把网箱绷紧,使海流不会造成网箱的漂移,造成网箱养殖容体损失,因而适用于海流较急及无遮档的开阔海区。
(2)如本人系列的海洋石油平台柱式柔性网箱:如参考文献[4]“深水系泊柱”专利号:ZL2013 2 0616701.9,最早引入独柱式平台技术用于深水养殖,如参考文献[5]“带刚性走道板柔性结构的浮力柱式深水网箱”专利号:ZL201420086550.5,提出了基于首创的浮力柱慨念,用四角浮力柱上下张拉缆索围成网箱骨架,以浮绳代替刚性连接件的柔性结构方案,不但彻底解决了结构曲瘪即失稳问题,也很方便地构造大型或超大型张力腿式深水网箱,同时由于柱底吊环下悬挂一组混凝土压载块,构造成压载平衡舱,足够大浮力的浮力舱与位于立柱底部足够大压重的压载舱连接起来,二者处于平衡状态后,二者之间就产生了张力,假定风,浪,流共同作用下产生的水平力,它使浮体产生偏离,设水平力产生顺时針的倾复力矩,浮力则产生逆时針恢复力矩,二者正好反向,即浮力会反向作用使它回到平衡点,从而实现动态平衡。由于结构重心位于浮心下方,因而具有恒稳性,结构有直立自浮能力,坐底后能自稳定,保持箱形不变,在恶劣海洋环境条件下安全性具有无可比拟的优势,是一款抗风浪,抗海流性能无比优越的新型网箱。
(3)在大型及超大型抗风浪深水网箱上,本人系列的海洋石油半潛式平台型柱式网箱就是理想的结构形式,如参考文献[6]带阻尼防荡板半潜式平台型游钓养殖二用柔性环保网箱专利号:ZL 201420319567.0,它具有如下特点:
●利用半潜原理减小波浪力,避开了海面波浪作用区,因此,所受的波浪力小很多。
●利用稳性大的立柱和立柱间的大间距原理,增加网箱结构整体稳性,因为立柱间距较大,因而结构的惯性矩较大。
●利用外力互相抑制原理,减小网箱结构运动,合理地选择立柱横向和纵向间距,可以使外力互相抵消一部分,甚至合力为零。
(4)采用参考文献[2]”可随水位涨落升沉的张力腿式深水网箱”专利,用阻尼板减少网箱网箱巅波,降低网箱破损风险。同时,养殖鱼的糞便及残饵落在阻尼板上,不会落入泥面积累成污染源,而是转化为其他鱼类及物种养份,使网箱成为生态环保型网箱。
(5)采用参考文献[3]“气囊调节浮力可随水位涨落升沉的柔性结构张力腿式深水网箱”专利,提出了气囊充气排气使柱体充水或排水,气囊万一失效,仍可按常规通过该箱体装设的注/排水管阀及注/排气管阀来实现可变浮力功能,实际上是确保浮力安全的双保险措施,解决了浮沉式网箱注/排水一直以来的困惑。
(6)采用参考文献[7]树状单点系泊系统专利号:ZL201420521171.4,网箱系泊采用系泊大型海上生产贮油轮的浮筒式系泊系统,使网箱处于弹性支承中,实现卸力减力。
在本专利中将合理组合上述技术,突破现流行的HDPE网箱的局限,寻求一种安全,可靠,抗台风,适用于海流较急及无遮档开阔海区的新型网箱,特别是不依赖于注水下沉这一技术措施,靠网箱系统能力抗得住台风,真正意义上的抗风浪深水网箱,这对于深水网箱发展是至关紧迫的。
参考文献
[1]“我国深海抗风浪工程技术的研究与发展”中国水产科学研究院黄海水产研究所 关长涛,林德芳,黄滨,黄文強
[2]“可随水位涨落升沉的张力腿式深水网箱”专利号201320095246.2发明人:古国维 专利权人:古国维
[3]“气囊调节浮力可随水位涨落升沉的柔性结构张力腿式深水网箱”专利号ZL201320623481.2发明人:古国维 专利权人:古国维
[4]“深水系泊柱”专利号:ZL201320616701.9发明人:古国维 专利权人:古国维
[5]“带刚性走道板柔性结构的浮力柱式深水网箱”专利号:ZL201420086550.5发明人:古国维 专利权人:古国维
[6]“带阻尼防荡板半潜式平台型游钓养殖二用柔性环保网箱”专利号:ZL201420319567.0发明人:古国维 专利权人:古国维
[7]“树状单点系泊系统”专利号:ZL201420521171.4发明人:古国维 专利权人:古国维
发明内容
为了突破HDPE网箱的局限,寻求一种安全,可靠,抗台风,适用于海流较急及无遮档开阔海区的新型网箱,特别是不依赖于注水下沉这一技术措施,靠网箱系统能力,不下沉也能象石油平台一样抗得住台风,真正意义上的抗风浪深水网箱,应采用前述的方法,从多方面对HDPE网箱的局限加以改造,为此,本实用新型的技术方案是:
1.钢质管材制作的方形框架,靠网池一侧焊有钢栏杆立柱及钢扶手,周圈钢管为填充塑料发泡体的永久浮力舱,中央钢管为装设有进/排水管阀及进/排气管阀,同时装设气囊及其控制管阀,以双保险方式,实现可变浮力舱注水排水功能,四角用水平管端连接铁件与转换柱总成吊耳用高强螺栓连接,水平管端连接铁件与转换柱总成吊耳中间夾层放置有耗能垫片,底面吊环连接上自由悬重杆,自由悬重杆底部套上底靴式重骨料混凝土压载体,构成结构浮心在上,重心在下,具有恒稳性及无条件平衡的结构,永久浮力舱、可变浮力舱、及转换柱总成产生的总浮力应为结构总自重的1.3倍以上,同时净浮力应大于集中上人时产生的可能的最大活荷载,网衣用系结在框架钢扶手上,同时框绳又系结在转换柱总成上,在自由悬重杆上系扎上张拉防荡板总成,转换柱总成吊耳及自由悬重杆吊耳系泊上系泊缆,系泊缆另一头系结在浮筒式系泊系统上。
2.转换柱为二端封闭的钢管,上顶面装设带封盖的注砂管,注砂仅用于调节网箱浮态,同时附加有填充塑料发泡体的塑料浮筒,这样转换柱下部挂接带底靴式重骨料混凝土压载体的自由悬重杆,与上下缆绳,浮筒式系泊系统一起就构成海洋平台型柔性立柱网箱,可想象巨浪把钢框架打烂,留存的海洋平台型柔性立柱网箱,因其柔性网箱还是安全的。
3.钢质框架水平管端连接铁件与转换柱吊耳的高强螺栓连接,中间夾层放置的耗能垫片是一种粘弹性阻尼材料,这是现代钢结构抗震而开发的耗能铰技术在网箱中的应用,作用是风浪荷载偶发峰值时,通过摩擦耗能垫片而消耗输入的能量,即使耗能垫片磨耗,但连接仍是个铰,使结构变成半柔性结构。
4.作为安全备份,钢框架周圈钢管内侧四角,用铁链互相连接起来。
本专利是有多重保护的新型网箱,多重保护体现在1.双重网箱,即巨浪把钢框架打烂,留存的海洋平台型柔性立柱网箱,因其柔性网箱还是安全的,2.钢质框架高强螺栓连接与相互间铁链连接双重保护,3.网衣系结在钢质框架扶手与网衣框绳系结在转换柱上的双重保护,4.网箱系统的自平衡与浮筒式系泊系统提供的弹性支承的双重保护,5.张力的结构与弹性支承对保持网形不变,容积不变的双重保护,6.下沉后的自稳定与浮筒式系泊系统提供的系泊对保持网形不变,容积不变的双重保护,7.耗能铰的耗能垫片磨耗后转换为铰,形成半柔性结构的双重保护,这些措施所体现的突出的抗风浪优点,加上生态环保的特点将使其成为进军深海,造福渔民,保护环境的可靠装备。
附图说明
图1是本实用新型结构立面示意图;
图2是本实用新型结构平面示意图,特别表示了舱室功能划分,可变浮力舱进/排气阀管阀、注/排水管阀,及栏杆与走道板总成布置示意图;
图3是A放大轴测立体图,表示交汇点处转换柱总成和各部件连接示意图;
图4是1--1剖视图,表示转换柱吊耳用于不同部件连接时的位置示意图;
图5是B放大轴测立体图,表示转换柱吊耳与周圈钢管高强螺栓连接;
图6转换柱总成吊耳详图,特别表示了吊耳板的直长槽;
图7杆件编号201端部连接铁件构造轴测立体图,特别表示了编号202铁件开有可滑动的直长槽;
图8是C放大轴测立体图,表示转换柱总成下端吊环及吊耳构造详图;
图9是3--3剖视图,是耗能铰连接示意图,特别表示了二吊耳间有耗能垫片;
图10是自由悬重杆构造竖向剖视示意图;
图11是D放大图,表示自由悬重杆上端吊环构造详图;
图12是E放大图,表示自由悬重杆侧挂环构造详图;
图13是F放大图,表示自由悬重杆底托环构造详图;
图14是底靴式重骨料混凝土压载体轴测立体图;
图15是2--2剖视图,表示中央钢管內置气囊、进/排气管阀、注/排水管阀、和栏杆立柱布置示意图;
图16是板式浮力件构造轴测立体图;
图17是阻尼防荡板平面布置示意图;
图18是阻尼防荡板连接轴测立体图,特别表述了防荡板拉结缆与自由悬重杆及阻尼防荡板柔性连接方法;
图19是阻尼防荡板中央浮块轴测立体图;
图20是网衣框绳及网衣拉结绳与转换柱总成及框架栏杆系结轴测立体图;清晰表达了对网囊安全的双重保护;
图21是本实用新型网箱采用浮筒式系泊系统錨固示意图。
其中:1.转换柱总成,101.二端封闭填充塑料发泡体的钢管,102.附加填充塑料发泡体的塑料浮筒,103带封盖的注砂管,104.转换柱吊环,2.钢管框架总成,201.二端封闭填充塑料发泡体的外周钢管,202.水平管连接铁件,203连接铁件的直长槽,204.二端封闭无塑料发泡体的可变浮力钢管,205.气囊,206.与气囊联接的进/排气管阀,207.备用进/排气阀管阀,208.注/排水管阀,3.栏杆与走道板总成,301.栏杆立柱,302.栏杆立柱加强件,304.栏杆扶手钢管,304板式浮力件支承杆,305.板式浮力件支承杆纵向连系杆,306.板式浮力件硬质塑料发泡体芯,307,板式浮力件上下底钢丝网,308.包裹玻璃纤维布,309.环氧树酯胶泥,310.安装孔,4.自由悬重总成,401.自由悬重杆体,402.自由悬重杆吊环,403.自由悬重杆挂环,404.自由悬重杆挂环加劲钢筋,405.托环,406.自由悬重杆开孔,407.支承杆,408.固定用插销,409.防沉底靴式重骨料混凝土压载体,5.卸扣,6.吊耳总成,601.吊耳板,602.吊耳底座,603.吊耳加强板,604.吊耳板的直长槽,7.下主缆绳,8.网衣,9.网衣框绳,10.网衣拉结绳,11.系泊缆,12.防荡板拉结缆,13.防荡板总成,1301.复合材料蒙皮或幕布做成的防荡板,1302.防荡板连接锁眼,1303.拉结绳,1304.开孔的防荡板浮块,1305防荡板拉结缆短接,14.高强螺栓,15.耗能垫片,16.筒式系泊系统,17.防脱铁链。
具体实施方式
由于本实用新型沿袭了传统钢质框架的基本构造,易于制作,加上图纸又作了清晰交代,只要认真按图施工即可,但应十分注意下列几点:
1.管段连接:管段长通常为6m,要通过接长来达到设计长度,接长方法是管端开剖口,用剖口焊来焊,现场应制作简易夾具,让管能旋转,焊枪始终处于最易操作部位,若不能保证剖口焊质量,则焊后加二至三根短角铁作挷扎焊加固。
2.吊耳类的制作:吊耳总成6,转换柱吊环104,自由悬重杆吊环402,自由悬重杆挂环403,这类构件受力大,损坏影响大,在海洋工程构件分类中属特类及一类,焊后要作超声波探伤检查,网箱制作受成本所限,不可能套用海洋工程要求,但下述要求是合理,可行的,制作中应严格遵守:
a.应严格遵守建造程序,材料选择上应选择可焊性好的钢材,在焊接环节上应有完善的焊接程序,焊缝检测程序,焊接人员应持合格的焊工证书,严禁无证或等级不够人员施焊。
b.严格按图施工并领会设计意图,如在图6中清楚表述了吊耳抗剪切,防撕裂的加强措施,图7中清楚表述了吊耳板的锚固措施,这是发明人在海洋工程长期实践的经验总结,制作中一点都不能大意,如普遍所犯的吊耳总成6,不通过吊耳底座602,直接与柱体焊接的错误。
3耗能铰的安装:本实用新型引进了现代钢结构抗震而开发的耗能铰技术,作用是荷载偶发峰值时,通过摩擦耗能垫片而消耗输入的能量,效果大小取决于耗能垫片质量,目前已有粘弹性特殊橡胶可供选用,效果大小另一个因素是摩擦力大小,由于摩擦力是垂直压力乘摩擦系数,因此,要有足够大的垂直压力,在这里就是螺栓的紧固力,因此要求:
a.选用合格的高强螺栓,按连接板的承压能力,选择适配螺栓直径。
b.高强度螺栓要用特制的扳手上紧螺帽,使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力。
在这里我们采用的是高强度螺栓承压型,意图是在峰值波浪力作用下,通过摩擦完全耗损了耗能垫片后,耗能铰变成了单纯的铰,允许连接件沿槽滑动,这就是吊耳板及连接铁件要做成直长槽的原因,用这个办法也使网箱结构有准柔性,防止其失稳。
在陆上完成各构件制作后,即可转入海上安装阶段,本实用新型充分考虑了海上安装的可操作性,方法与本人已授权的系列专利,如参考文献[3]”气囊调节浮力可随水位涨落升沉的柔性结构张力腿式深水网箱”专利号ZL201320623481.2相似,即局部投放,水面合成。
1.在指定位置先安装好浮筒式系泊系统16,系好系泊缆11,缆端系上标志浮球;
2.在装船码头,转换杆总成1先连接好自由悬重总成4,将四组连接好自由悬重总成4的转换杆总成1作临时缚扎,
3.从驳船上放下四组连接好的转换杆总成1,下水后将其展开,在潜水员协助下系上系泊缆11;
4.钢质管材制作的方形框架未与转换杆总成1连接前是三大块:长向外周钢管二件,中央钢管与二短向外周钢管焊接体一件,因此安装有二个方案,一是按HDPE网箱陆上整体组装,浮拖出海,一是分三大块装驳船或浮拖出海,拖至转换杆总成1,与直立海中的转换杆总成1连接,最后在潜水员协助下系上各缆绳,系好网衣,至此完成海上安装工作。
从上看出海上安装利用了各大部件的自浮性、转换杆总成的自立性,因此,可避免动用浮吊,网衣安装方法与HDPE一致,为广大用户所熟悉,本实用新型可沉浮、自稳定、易安装,多重保护、更强、更刚、生态环保、经济实用,是至今国内外使用的各种网箱,包括著名的伞型网箱,美国SeaStation网箱都无法比拟的。

Claims (3)

1.可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱,其特征是钢质管材制作的方形框架,靠网池一侧焊有钢栏杆立柱及钢扶手,周圈钢管为填充塑料发泡体的永久浮力舱,中央钢管为装设有进/排水管阀及进/排气管阀,同时装设气囊及其控制管阀,四角用水平管端连接铁件与转换柱总成吊耳用高强螺栓连接,水平管端连接铁件与转换柱总成吊耳中间夾层放置有耗能垫片,转换柱总成底面吊环连接上自由悬重杆,自由悬重杆底部套上底靴式重骨料混凝土压载体,永久浮力舱、可变浮力舱、及转换柱总成产生的总浮力应为结构总自重的1.3倍以上,同时净浮力应大于集中上人时产生的可能的最大活荷载,网衣用拉结绳系结在方形框架钢扶手上,同时网衣框绳又系结在转换柱总成上,在自由悬重杆上系扎上张拉防荡板总成,转换柱总成吊耳及自由悬重杆挂环系泊上系泊缆,系泊缆另一头系结在浮筒式系泊系统上。
2.根据权利要求1所述的可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱,其特征是转换柱为二端封闭的钢管,上顶面装设带封盖的注砂管。
3.权利要求1所述的可沉浮与浮力柱耗能铰连接的混合式抗风浪钢框架网箱,其特征是钢框架周圈钢管内侧四角,用铁链互相连接。
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