一種用于大型海洋平臺(tái)的氣囊梁式桁架的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)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(shuō)是一種用于大型海洋平臺(tái)的氣囊梁式桁架，應(yīng)用范圍包括海洋采油平臺(tái)、海上加工平臺(tái)、海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)、海上酒店以及海上施工平臺(tái)。
【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(chǔ)的基礎(chǔ)平臺(tái)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(dòng)式平臺(tái):駁船式鉆井平臺(tái)，隨后又出現(xiàn)了半潛式鉆井平臺(tái)。隨著工作水深的不斷增加，張力腿式平臺(tái)(TLP)、獨(dú)柱式平臺(tái)(Spar)、浮(船)式生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)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(kāi)始出現(xiàn)。盡管上述這些平臺(tái)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以滿(mǎn)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(fēng)浪能力差等缺點(diǎn)?，F(xiàn)在人們借鑒傳統(tǒng)桁架的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了較多的輕型浮體結(jié)構(gòu)。如專(zhuān)利號(hào)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(zhuān)利號(hào)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(lèi)似，當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的平面面積較大時(shí)，大直徑的剛性殼體將會(huì)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(mǎn)足，此外各個(gè)浮體之間由于波浪輸入相位差的存在會(huì)對(duì)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(zhuān)利號(hào)為200920003571.5的發(fā)明，將框架與填充發(fā)泡材料的浮體通過(guò)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?xí)l(fā)生隨波晃動(dòng)的現(xiàn)象。此外還有海洋工程浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該類(lèi)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(mǎn)足不同工程的要求，但其僅依賴(lài)連接空心節(jié)點(diǎn)提供浮力，隨著浮力要求的增加，球節(jié)點(diǎn)的直徑、壁厚也要增大，極易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)直徑超過(guò)構(gòu)件有效長(zhǎng)度的不現(xiàn)實(shí)情況?？傮w來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有發(fā)明基本存在如下幾點(diǎn)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(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。2)、提供浮力的浮體承壓能力嚴(yán)重不足，需要較大的壁厚以及復(fù)雜的構(gòu)造來(lái)提高其承壓能力，在大型平臺(tái)結(jié)構(gòu)中浮體質(zhì)輕強(qiáng)高的優(yōu)點(diǎn)也將消失。
[0003]針對(duì)上述不足，本發(fā)明提出了一種用于大型海洋平臺(tái)的氣囊梁式桁架，通過(guò)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(qiáng)、建造方便、規(guī)模擴(kuò)展便捷的優(yōu)點(diǎn)，也保證了氣囊與桁架之間受力的順利傳遞。通過(guò)橢球狀氣囊￠)內(nèi)部氣壓與外部水壓進(jìn)行部分平衡，可以降低氣囊本身的應(yīng)力，進(jìn)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(tái)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(tái)的氣囊梁式桁架。實(shí)現(xiàn)以較少的材料形成可以滿(mǎn)足浮力要求、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求、工程項(xiàng)目操作空間要求的結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)借助空間桁架施工建造方便的特點(diǎn)，形成規(guī)模超大的海洋結(jié)構(gòu)物。此外通過(guò)對(duì)橢球狀氣囊出)的布置數(shù)量來(lái)調(diào)整整個(gè)結(jié)構(gòu)的浮力。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種用于大型海洋平臺(tái)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(gè)氣囊梁式桁架中可包含I?3個(gè)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(guò)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(diǎn)的形式焊接于縱向弦桿
(I)的側(cè)壁。縱向弦桿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(guò)相貫節(jié)點(diǎn)連接，豎腹桿(5)可將多個(gè)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(diǎn)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(guò)相貫節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(guò)相貫節(jié)點(diǎn)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(shí)中間大兩頭小的橢球狀氣囊梁也符合船梁?jiǎn)卧缰袕澗卮髢啥藦澗匦〉奶攸c(diǎn)，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(guò)氣囊套箍(11)以相貫節(jié)點(diǎn)連接形成整個(gè)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(diǎn)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(xiàn)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?xún)?yōu)點(diǎn)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(gè)氣囊梁的方向設(shè)置氣室分割裝置，將氣囊分割成多個(gè)獨(dú)立的氣室，各個(gè)氣室單獨(dú)設(shè)置氣體灌注口，以降低氣囊局部破損時(shí)對(duì)整個(gè)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(kuò)展以達(dá)到海洋平臺(tái)在面積方面的要求，也可以沿豎向相互連接擴(kuò)展?jié)M足在浮力和強(qiáng)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(duì)波浪運(yùn)動(dòng)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(xiàn)的位置處，以免形成較大的水線(xiàn)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(lái)克服外部水壓力的缺點(diǎn)，低應(yīng)力水平也有助于延長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的位置處。
[0022]本發(fā)明提供了一種用于大型海洋平臺(tái)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(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在了一起。
[0023]整個(gè)氣囊梁式桁架基本由幾類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，桁架結(jié)構(gòu)加工裝配效率高的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，從而使氣囊在承受荷載與提供浮力方面的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)所在。此外，由氣囊梁式桁架組成的大型海洋平臺(tái)在水線(xiàn)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(yùn)動(dòng)，所以結(jié)構(gòu)