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摘要:超大型海洋结构物在海洋空间利用和海洋资源开发中的应用已成为海洋工程领域的研究热点。与常规海洋工程结构相比,VLFS(超大型浮式结构)具有可移动性、地震影响小、环境影响小和经济性好等优点。VLFS可以基于沿海岛屿或岛屿群,具有永久性或半永久性、综合性和多用途功能。
关键词:网格结构;浮式结构;
为解决海洋超大型浮式结构物VLFS的结构问题,提出将建筑领域的网格结构(网架、网壳结构)原理应用到海洋浮式工程中,形成一种耐波性好、结构强度和工业化程度高、制造难度和造价低、制造工期短的空间浮式结构———浮式网格结构。
一、VLFS浮式结构选型
通过对VLFS浮式结构存在的问题和网架结构的特点、优点进行分析,将网架结构设计概念应用于VLFS浮式结构的设计,这种新型的浮式结构具有足够的刚度,制造、拼装、施工简便,最重要的是能很好地消减波浪、海流等作用力的影响。网架的形式多种多样,有正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架和三角锥网架等等。选择由四角锥体组成的正放四角锥网架作为分析对象。结构分两层,即每个单元竖直方向由两个四角锥体组成;然后向平面两个方向拓展,进而组成一个完整的网架结构;四角锥体由杆件和球节点组成。
二、浮式结构的计算分析
1.静力分析。根据所选定的设计环境条件,对实际可能同时作用于结构的各种荷载,包括自重、浮力、上部荷载和海流力,按最不利的情况进行组合,利用ABAQUS软件分析得最大应力、应变和位移图,并进行分析。结果显示结构真实应力最大值为13.95 MPa。结构的弹性应变最大值为6.820×10-5 mm,塑性应变分量、塑性应变量和等效塑性应变都为零。结构各部分的位移量最大值为2.048 mm,需要说明的是,海流力施加前后结构的应力应变值几乎没有变化,可以看出海流力对结构的影响很小;取得应力最大值的点只是杆件端部的很小一部分。
2.动态分析。(1)模型结构振动特性分析。提取模型结构的前10阶自振频率。模型结构的自振频率从1阶的13.934 Hz到10阶的16.013 Hz,各阶频率随阶数的增加而增大,且各增量不大。其中1阶与2阶频率较为接近,4~7阶频率较为接近,9阶与10阶的频率较为接近,3阶与8阶的频率较其周边阶数的频率差量较大。因结构振型图较多,仅列出1阶,3阶,5阶,8阶和10阶5个振型图。(2)模型结构在波浪力作用下的随机响应分析。根据上一步对振型的分析,在对结构进行随机响应分析时采用振型叠加法,选择1阶到10阶10个振型进行计算分析。根据计算结果,最大应力、应变值分别为71.91 kPa和6.585×10-18 mm,结构各部分位移最大值为2.030×10-15 m。
三、浮式网格结构分析
1.产生几种不利因素:(1)制造难度增加;(2)浮体受到的风浪流的作用力大,且较集中结构会随波摇晃。此外,遇到台风,结构的安全还会受影响,制造过程中要增加足够的配重和压载,这样,又增加制造难度和成本;(3)受力巨大,结构强度要求高,泊系定位难度增加;(4)波浪和海流过后产生的湍流很大,由湍流产生的结构振动和疲劳就会加强。结构庞大产生的每一种不利因素都要靠增加设计强度和制造成本为代价。为此,务应寻求一种解决办法。国家自然科学基金课题中曾涉及要解决海洋超大型浮式结构物VLFS的结构问题。在建筑领域,有一种网格钢结构,包括网架结构、网壳结构,它们被广泛用作体育馆、工厂、仓库、加油站等大跨度建筑的顶棚。
2.网架、网壳结构有许多优点:(1)由预制的杆件和球节点组装成大跨度空间结构,具有轻型化的特点;(2)空间交汇的杆件主要受轴向力作用并相互支撑,组成三向受力、几何不变形的结构体系,整体强度和刚度很大且过剩;(3)节点连接简便可靠;(4)预制构件,工业化程度极高;(5)结构组成灵活多样但又有高度的规律性,便于采用,并可适应各种建筑方面的要求。由于上述优点,直径50~100mm的钢杆件可以组装成跨度100~200m的网格结构,仅在周边支撑在墙体上,在一百多米的悬空跨度中,即使在中心处,也都没有一点下垂变形。网格结构在建筑领域虽被广泛应用,但在海洋工程界至今却无人把这种陆地建筑钢结构应用到水上海洋工程领域。如果将网格结构原理应用海洋工程浮式结构上,制作直径1~2m,长度10~15m,浮力16t左右的钢浮杆,和直径1.5~2m球节点,按照网格结构的连接方式组装成大型网格结构,,将形成一种新型浮式结构———浮式网格结构。这种浮式网格结构完全具备网格结构的大跨度空间结构、强度和刚度大、工业化程度高等特点;可广泛用作海洋石油半潜式平台、Spar和张力腿平台的浮体结构。不对浮式网格结构的流体动力特性、水弹性响应方面进行分析,仅把它作为一种新型浮式结构,对其结构原理与半潜式或独柱式平台、海上浮动机场等海洋工程中庞大的浮体结构进行比较。
3.浮式网格结构的技术特点是:(1)与庞大的浮体结构比较,浮式网格结构的浮力是由均布在波浪中的若干小水线面构件提供,用许多根浮杆和节点构件组装成很大的空间浮式网格结构。空间浮式网格结构具有以下几种好处:1)将巨大的浮力化大为小,分散到空间结构;2)风浪流从网格结构的空间穿过,风浪流的作用被分散,对结构影响被降到最小,结构耐波性能好;3)风浪流的作用力被分散,由上千根浮杆和球节点承担,浮杆和球节点以空间结构形式均布在波浪中,波浪的起伏对各浮杆浮力的增减,会彼此抵消,使结构平稳;4)在同样耗材的情况下,可大面积覆盖水面、或使吃水深度增加,最大限度地提高了结构在波浪中的平稳性能。经初步实验测试,130×130m的平台在6m的大浪中摇摆为0.8°。(2)网格结构是三向受力体系,空间交汇的杆件互为支撑,形成几何不变形结构,整体强度和刚度过剩。如加油站、工厂或实验室的网架顶棚,仅4个节点或四边受支撑力,结构中央都没有一点下垂变形。而浮式网格结构在水中每一节点都受浮力支撑,结构整体强度和刚度就更加过剩,这一特点正好适应海洋工程承受风浪流的作用。(3)浮式网格是由预制的钢浮杆和球节点组装而成,设计计算容易、结构组成灵活多样但又有高度的规律性,便于采用,可以适应各种海况下的工程要求。由于这一点,它的制造难度比其他浮式结构要降低很多、工业化程度高、造价低(比其他浮式结构低30%以上)、工期短。组装10000m2钻井平台的浮体结构仅需半个月;组装1000m长浮动机场的浮体结构仅需一个月。(4)由于浮式网格结构是空间浮式结构,每一个构件都是独立的浮体,所以它不会沉没。(5)由于是空间浮式结构,平稳性好;由于结构强度和刚度高,结构组成灵活多样又有高度的规律性与工业化程度高,它的应用广泛。浮式网格结构的缺点是:浮杆中不便作为压载水仓、钻井水仓、燃油仓等,需要另外考虑。
总之,浮式网格结构具有网格结构特点,是大跨度空间浮式结构,有较高的耐波性能;它的预制构件和组装性,可极大地提高海洋浮式工程的工业化程度,降低制造难度和成本;应用广泛,可作为海洋石油平台和海洋超大型浮式结构物的浮体结构;在海洋工程市场中具有一定的商业价值。
参考文献:
[1]王润培,浅谈海洋工程的新型浮式结构——浮式网格结构.2020.
[2]崔有柴.超大型海洋浮式结构物动力特性研究综述.2019.