一種用于大型海洋平臺的氣囊梁式桁架的制作方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種海洋浮式結(jié)構(gòu)體系，具體地說是一種用于大型海洋平臺的氣囊梁式桁架，應(yīng)用范圍包括海洋采油平臺、海上加工平臺、海上風力機基礎(chǔ)平臺、海上酒店以及海上施工平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋工程領(lǐng)域，浮式結(jié)構(gòu)作為海上施工作業(yè)、生產(chǎn)加工與存儲的基礎(chǔ)平臺現(xiàn)已受到廣泛關(guān)注。早在1937年世界上出現(xiàn)了最早的活動式平臺:駁船式鉆井平臺，隨后又出現(xiàn)了半潛式鉆井平臺。隨著工作水深的不斷增加，張力腿式平臺(TLP)、獨柱式平臺(Spar)、浮(船)式生產(chǎn)儲運裝置(FPSO)等相繼被推出，現(xiàn)在超大型浮式結(jié)構(gòu)物(VLFS)也開始出現(xiàn)。盡管上述這些平臺結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以滿足多數(shù)的海上生產(chǎn)作業(yè)要求，但是均存在結(jié)構(gòu)施工建造繁瑣、自重大、成本高抗風浪能力差等缺點?，F(xiàn)在人們借鑒傳統(tǒng)桁架的優(yōu)點，開發(fā)出了較多的輕型浮體結(jié)構(gòu)。如專利號為200720059012.7的一種構(gòu)建水上浮屋的基礎(chǔ)，直接在桁架結(jié)構(gòu)中塞入了氣囊，雖然起到了承載與提供浮力的作用，但是卻忽略了桁架中桿件不能受彎的這一基本力學(xué)概念，從而大大降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。專利號為200310103471.7與200410004398.2的發(fā)明，雖然將桁架引入了浮體結(jié)構(gòu)中，但是提供浮力的浮體仍為傳統(tǒng)的剛性殼體結(jié)構(gòu)，該發(fā)明與傳統(tǒng)的多體船類似，當整個結(jié)構(gòu)的平面面積較大時，大直徑的剛性殼體將會增加施工建造的難度，且殼體的穩(wěn)定性能也不能很好地滿足，此外各個浮體之間由于波浪輸入相位差的存在會對上部結(jié)構(gòu)造成較大的應(yīng)力，上部桁架的剛度也很難得到保證。專利號為200920003571.5的發(fā)明，將框架與填充發(fā)泡材料的浮體通過鉸鏈結(jié)合在一起，鉸鏈連接的難度較大且鉸鏈與浮體的連接性能得不到保證；此外，這種浮體由于只能用于水面之上所以其組成的結(jié)構(gòu)耐波性能較差，甚至會發(fā)生隨波晃動的現(xiàn)象。此外還有海洋工程浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)雖然可降低施工難度，結(jié)構(gòu)規(guī)模也可滿足不同工程的要求，但其僅依賴連接空心節(jié)點提供浮力，隨著浮力要求的增加，球節(jié)點的直徑、壁厚也要增大，極易出現(xiàn)節(jié)點直徑超過構(gòu)件有效長度的不現(xiàn)實情況?？傮w來說，現(xiàn)有發(fā)明基本存在如下幾點不足:1)、改變了桁架結(jié)構(gòu)中構(gòu)件主要承受軸向荷載的現(xiàn)狀，從而喪失了桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)點。2)、提供浮力的浮體承壓能力嚴重不足，需要較大的壁厚以及復(fù)雜的構(gòu)造來提高其承壓能力，在大型平臺結(jié)構(gòu)中浮體質(zhì)輕強高的優(yōu)點也將消失。
[0003]針對上述不足，本發(fā)明提出了一種用于大型海洋平臺的氣囊梁式桁架，通過氣囊上弧梁(7)與氣囊下弧梁(8)的加入保留了空間桁架質(zhì)輕、高強、建造方便、規(guī)模擴展便捷的優(yōu)點，也保證了氣囊與桁架之間受力的順利傳遞。通過橢球狀氣囊￠)內(nèi)部氣壓與外部水壓進行部分平衡，可以降低氣囊本身的應(yīng)力，進而克服了傳統(tǒng)浮體結(jié)構(gòu)承壓能力提高困難的現(xiàn)狀。此外，氣囊梁式桁架與傳統(tǒng)空間立體桁架相互連接可以形成任意面積大小、任意空間剛度、任意浮力大小的海洋平臺結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種用于海洋工程中的浮式結(jié)構(gòu)，即一種用于大型海洋平臺的氣囊梁式桁架。實現(xiàn)以較少的材料形成可以滿足浮力要求、結(jié)構(gòu)強度要求、工程項目操作空間要求的結(jié)構(gòu)體系。同時借助空間桁架施工建造方便的特點，形成規(guī)模超大的海洋結(jié)構(gòu)物。此外通過對橢球狀氣囊出)的布置數(shù)量來調(diào)整整個結(jié)構(gòu)的浮力。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提供的一種用于大型海洋平臺的氣囊梁式桁架，由氣囊梁代替空間立體桁架中η榀縱向平面桁架中的腹桿層所形成。整個氣囊梁式桁架中可包含I?3個氣囊梁。
[0006]上述的氣囊梁式桁架中，由縱向弦桿⑴、縱向斜腹桿(3)、豎腹桿(5)形成的縱向平面桁架和由橫向弦桿(2)、橫向斜腹桿(4)與豎腹桿(5)形成的橫向平面桁架通過正交正放的形式構(gòu)成氣囊梁式桁架的骨架。
[0007]上述的氣囊梁式桁架，其中，縱向弦桿(I)從浮體結(jié)構(gòu)的一端延伸到另一端并不間斷，橫向弦桿(2)在縱向弦桿(I)的位置處間斷，并以相貫節(jié)點的形式焊接于縱向弦桿
(I)的側(cè)壁?？v向弦桿⑴與橫向弦桿⑵相互連接構(gòu)成浮體結(jié)構(gòu)的弦桿層。
[0008]上述的氣囊梁式桁架，其中，豎腹桿(5)在縱向弦桿⑴的位置處間斷，間斷的豎腹桿(5)分別與上下兩端的縱向弦桿(I)通過相貫節(jié)點連接，豎腹桿(5)可將多個弦桿層連成整體共同受力。
[0009]上述的氣囊梁式桁架，其中，橫向斜腹桿(4)在橫向弦桿(2)與豎腹桿(5)形成的相貫節(jié)點處間斷，其兩端分別與上下兩根橫向弦桿(2)以及左右兩根豎腹桿(5)通過相貫節(jié)點相連。橫向斜腹桿(4)與豎腹桿(5)形成橫向平面桁架的腹桿層起到傳遞結(jié)構(gòu)剪力與連接弦桿層的作用。
[0010]上述的氣囊梁式桁架，其中，縱向斜腹桿(3)在縱向弦桿(I)與豎腹桿(5)形成的相貫節(jié)點處間斷，其兩端分別與上下兩根縱向弦桿(I)以及左右兩根豎腹桿(5)通過相貫節(jié)點相連?？v向斜腹桿(3)與豎腹桿(5)形成縱向平面桁架的腹桿層起到傳遞結(jié)構(gòu)剪力與連接弦桿層的作用。在布置氣囊梁的位置處，縱向斜腹桿(3)與豎腹桿(5)形成的腹桿層被氣囊梁代替。
[0011]上述的氣囊梁式桁架，其中，氣囊梁由橢球狀氣囊￠)、氣囊上弧梁(7)、氣囊下弧梁(8)、上弧梁撐桿(9)、下弧梁撐桿(10)與氣囊套箍(11)構(gòu)成。
[0012]上述的氣囊梁式桁架，其中，橢球狀氣囊(6)為中間大兩頭小的橢球狀，氣囊上弧梁(7)、氣囊下弧梁(8)與氣囊套箍(11)的形狀與橢球狀氣囊(6)完全一致。橢球狀有助于氣囊在受到縱向荷載后仍可牢固地卡在氣囊上弧梁(7)、氣囊下弧梁(8)與氣囊套箍(11)形成的囊腔內(nèi)；同時中間大兩頭小的橢球狀氣囊梁也符合船梁單元跨中彎矩大兩端彎矩小的特點，受力更加合理。
[0013]上述的氣囊梁式桁架，其中，氣囊上弧梁(7)與氣囊下弧梁(8)通過氣囊套箍(11)以相貫節(jié)點連接形成整個氣囊梁的框架，為橢球狀氣囊(6)形成形狀大小匹配的囊腔。固定于囊腔內(nèi)的橢球狀氣囊(6)充氣后除了為結(jié)構(gòu)提供浮力外，也起到連接氣囊上弧梁(7)與氣囊下弧梁(8)的作用，保證其共同受力。
[0014]上述的氣囊梁式桁架，其中，氣囊套箍(11)與氣囊上弧梁(7)和氣囊下弧梁(8)的側(cè)壁相連；氣囊套箍(11)在平面上位于相鄰兩榀橫向平面桁架中點的位置上；氣囊套箍(11)限制了橢球狀氣囊￠)的側(cè)向變形與位移，保證了橢球狀氣囊(6)可以在原位安全工作。
[0015]上述的氣囊梁式桁架，其中，氣囊上弧梁(7)和氣囊下弧梁(8)的引入避免了桁架中桿件承受軸線外荷載的可能，上弧梁撐桿(9)與下弧梁撐桿(10)將氣囊梁與桁架結(jié)合在了一起，讓桁架與氣囊的各自優(yōu)點都得到了完整的繼承。
[0016]上述的氣囊梁式桁架，氣囊內(nèi)充入一定氣壓的空氣后才能形成具有足夠浮力且可承受外載的結(jié)構(gòu)體系。
[0017]上述的氣囊梁式桁架，其中，橢球狀氣囊(6)沿整個氣囊梁的方向設(shè)置氣室分割裝置，將氣囊分割成多個獨立的氣室，各個氣室單獨設(shè)置氣體灌注口，以降低氣囊局部破損時對整個結(jié)構(gòu)的影響。
[0018]上述的氣囊梁式桁架與空間立體桁架可以沿橫向相互連接擴展以達到海洋平臺在面積方面的要求，也可以沿豎向相互連接擴展?jié)M足在浮力和強度方面的要求。
[0019]上述的氣囊梁式桁架宜布置在水面之下一定的深度，以降低其對波浪運動的阻擋，提高結(jié)構(gòu)的耐波性能；氣囊梁式桁架不能密布于水線的位置處，以免形成較大的水線面降低結(jié)構(gòu)的耐波性能。
[0020]上述的氣囊梁式桁架，其中，橢球狀氣囊￠)的內(nèi)部氣壓qn可隨氣囊水深處的外部水壓力qw大小調(diào)節(jié)確定，始終保持氣囊內(nèi)外壓力差最小(即:min|qn-qw|)，使氣囊產(chǎn)生的自應(yīng)力最小，這樣即可有效避免傳統(tǒng)浮式結(jié)構(gòu)完全依靠自身結(jié)構(gòu)來克服外部水壓力的缺點，低應(yīng)力水平也有助于延長氣囊的使用壽命。
[0021]上述的氣囊梁式桁架，其中，上弧梁撐桿(9)與下弧梁撐桿(10)的高低由桁架弦桿與氣囊上弧梁(7)和氣囊下弧梁(8)之間的距離決定，其位置位于橫向平面桁架豎腹桿
(5)對應(yīng)的位置處。
[0022]本發(fā)明提供了一種用于大型海洋平臺的氣囊梁式桁架，將氣囊結(jié)構(gòu)自重小、浮力性能好與桁架結(jié)構(gòu)空間剛度大、加工制作簡單的優(yōu)點結(jié)合在了一起。
[0023]整個氣囊梁式桁架基本由幾類標準構(gòu)件組成，桁架結(jié)構(gòu)加工裝配效率高的優(yōu)點得到了繼承。此外，氣囊上弧梁(7)和氣囊下弧梁(8)的采用，也有效地避免了桁架結(jié)構(gòu)中構(gòu)件承受非軸向荷載的可能，使桁架結(jié)構(gòu)受力性能好的優(yōu)點也得到了繼承。橢球狀氣囊(6)的引入使構(gòu)造出的氣囊梁更加符合船梁的受力特點，從而使氣囊在承受荷載與提供浮力方面的優(yōu)點得到了完美的繼承。調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部氣壓使其與外部水壓之差降低的方法更加體現(xiàn)了氣囊作為浮體較剛性浮體的優(yōu)點所在。此外，由氣囊梁式桁架組成的大型海洋平臺在水線面附近擁有大量的空隙，波浪仍可在未完全阻擋的情況下運動，所以結(jié)構(gòu)