一種用于大型海洋平臺的氣囊填充式桁架的制作方法
【專利說明】
所屬技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種海洋浮式結構體系，具體地說是一種用于大型海洋平臺的氣囊填充式桁架，應用范圍包括海洋采油平臺、海上加工平臺、海上風力機基礎平臺、海上酒店以及海上施工平臺。
【背景技術】
[0002]在海洋工程領域，浮式結構作為海上施工作業(yè)、生產加工存儲的基礎平臺現(xiàn)已受到廣泛關注。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)式生產儲運裝置(FPSO)等相繼被推出，現(xiàn)在超大型浮式結構物(VLFS)也開始出現(xiàn)。盡管上述這些平臺結構的出現(xiàn)可以滿多數的海上生產作業(yè)要求，但是均存在結構施工建造繁瑣、自重大、成本高與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)出了較多的輕式浮體結構。如專利號為200720059012.7的一種構建水上浮屋的基礎，直接在桁架結構中塞入了氣囊，雖然起到了承載與提供浮力的作用，但卻使桁架結構的全部桿件成為受彎構件，從而大大降低了結構的承載能力。專利號為200310103471.7與200410004398.2的發(fā)明，雖然將桁架引入了浮體結構中，但是提供浮力的浮體仍為傳統(tǒng)的剛性殼體結構，該發(fā)明與傳統(tǒng)的多體船類似，當整個結構的平面面積較大時，需要剛性殼體有較大的直徑，這會導致施工建造難度的加大，且由于柱殼自身穩(wěn)定性能的要求限制了整個結構的規(guī)模，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構造成較大的應力，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合在一起形成一種浮體單元，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構耐波性能將較差，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架結構，該類結構的出現(xiàn)雖然可降低施工難度，結構規(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)點的直徑與壁厚也要增大，極有可能出現(xiàn)節(jié)點直徑超過構件有效長度的情況?？傮w來說，現(xiàn)有發(fā)明基本存在如下幾點不足:1)改變了桁架結構中構件主要承受軸向荷載的現(xiàn)狀，從而喪失了桁架結構質量輕與強度高的優(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雜的構造來提高其承壓能力，在大型平臺結構中浮體質輕強高的優(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填充式桁架，通過氣囊支撐框架(5)的加入保留了空間桁架質輕、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。通過氣囊(7)內部氣壓與外部水壓進行部分平衡，可以降低氣囊本身的應力，進而克服了傳統(tǒng)浮體結構承壓能力提高困難的現(xiàn)狀。此外，氣囊填充式桁架或傳統(tǒng)空間立體桁架通過橫向構件固定端(9)接入相應的氣囊支撐框架(5)或橫向斜腹桿(10)即可形成，兩種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構。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種用于海洋工程中的浮式結構，即一種用于大型海洋平臺的氣囊填充式桁架。實現(xiàn)以較少的材料形成可以滿足浮力要求、結構強度要求、工程項目操作空間要求的結構體系。同時借助空間桁架施工建造方便的特點，形成規(guī)模超大的海洋結構物。此外通過對氣囊填充式桁架的布置數量與布置位置來調整整個結構的浮力大小與浮力儲備。
[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填充式桁架，由氣囊支撐框架(5)代替空間立體桁架中橫向斜腹桿后填充氣囊(7)形成。
[0006]上述的氣囊填充式桁架，其中，由縱向弦桿⑴、縱向斜腹桿(3)、豎腹桿⑷形成的縱向平面桁架和由橫向弦桿(2)、氣囊支撐框架(5)與豎腹桿(4)形成的橫向平面桁架通過正交正放的形式構成氣囊填充式桁架的骨架。
[0007]上述的氣囊填充式桁架，其中，縱向弦桿(I)從浮體結構的一端延伸到另一端并不間斷，橫向弦桿⑵在縱向弦桿⑴的位置處間斷，并以相貫節(jié)點的形式焊接于縱向弦桿(I)的側壁?？v向弦桿⑴與橫向弦桿⑵相互連接構成浮體結構的弦桿層。
[0008]上述的氣囊填充式桁架，其中，豎腹桿⑷在縱向弦桿⑴的位置處間斷，間斷的豎腹桿(4)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(4)可將多個弦桿層連成整體共同受力。
[0009]上述的氣囊填充式桁架，其中，橫向弦桿(2)與豎腹桿(4)所形成的4個相貫節(jié)點處預留有橫向構件固定端(9)與橫向構件固定端接頭(10);橫向構件固定端(9)與橫向構件固定端接頭(10)通過接頭蓋板(11)進行焊接連接，橫向構件固定端接頭(10)為鋼板焊接而成的十字型構件，其另一端焊接開有螺孔的接頭蓋板(11)。
[0010]上述的氣囊填充式桁架，其中，縱向斜腹桿(3)在縱向弦桿(I)與豎腹桿(4)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(4)通過相貫節(jié)點相連?？v向斜腹桿(3)與豎腹桿(4)形成縱向平面桁架的腹桿層傳遞結構剪力，連接上下弦桿層。
[0011]上述的氣囊填充式桁架，其中，氣囊支撐框架(5)通過接頭蓋板(11)與氣囊支撐框架接頭(6)進行焊接連接；氣囊支撐框架接頭(6)為鋼板焊接而成的十字型構件，其另一端焊接開有螺孔的接頭蓋板(11)。
[0012]上述的氣囊填充式桁架，其中，氣囊(7)在氣囊支撐框架(5)的位置處留有氣囊凹槽(8);氣囊(7)的內部在氣囊凹槽(8)的位置處設置有氣室橫向分割裝置，將氣囊(7)分割成多個獨立的氣室以降低氣囊局部破損對整個氣囊填充式桁架的影響；此外氣囊(7)內部的橫向氣室分割裝置也可保證氣囊受力后氣囊凹槽(8)向內凹陷的形狀。
[0013]上述的氣囊填充式桁架，其中，環(huán)狀氣囊支撐框架(5)的厚度和內徑與氣囊凹槽
(8)處的寬度和外徑完全一樣，以保證承受內部氣壓的氣囊(7)完全固定在氣囊支撐框架
(5)上，從而保證了氣囊支撐框架(5)可以有效傳遞桁架結構與氣囊(7)之間的受力。
[0014]上述的氣囊填充式桁架，其中，氣囊支撐框架接頭(6)與橫向構件固定端接頭
(12)采用接頭蓋板(11)相并的方式通過高強螺栓進行連接。通過這種連接方式，可以依據實際工程的需求將氣囊(7)安裝固定在整個大型平臺結構中的任意位置處。
[0015]上述的氣囊填充式桁架，其中，氣囊支撐框架(5)的引入避免了桁架中桿件承受軸線外荷載的可能，氣囊支撐框架(5)使氣囊(7)完美地與桁架結合在了一起，讓桁架與氣囊的各自優(yōu)點都得到了完整的繼承。
[0016]上述的氣囊填充式桁架，氣囊(7)內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構體系。
[0017]上述的氣囊填充式桁架，其中，橫向構件固定端接頭(12)與橫向斜腹桿(10)采用接頭蓋板(11)相并的方式通過高強螺栓進行連接后便可形成普通的空間立體桁架。通過這種連接方式，可以依據實際工程的需求將空間立體桁架安裝固定在整個大型平臺結構中的任意位置處。
[0018]上述的氣囊填充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]上述的氣囊填充式桁架宜布置在水面之下一定的深度，不可密集布置在水線附近以免對波浪運動造成阻擋，降低結構的耐波性能。
[0020]上述的氣囊填充式桁架，其中，氣囊(7)內部的氣壓qn可隨氣囊所處水深處外部水壓力qw的大小確定，始終保持內外壓力差最小(即:min|qn-qw|)，使氣囊產生的自應力最小，這樣可以克服傳統(tǒng)浮式結構完全依靠自身結構來克服外部水壓力的缺點，低應力水平也有助于延長氣囊的使用壽命。
[0021]本發(fā)明提供的一種用于大型海洋平臺的氣囊填充式桁架，將氣囊結構自重小、浮力性能好與桁架結構空間剛度大、加工制作簡單的優(yōu)點結合在了一起。
[0022]整個氣囊填充式桁架基本由幾類標準構件組成，桁架結構加工裝配效率高的優(yōu)點得到了繼承。此外，氣囊支撐框架(5)的采用，也有效地避免了桁架結構中構件承受非軸向荷載的可能，使桁架結構空間受力性能好的優(yōu)點也得到了繼承。氣囊凹槽⑶的引入使氣囊(7)可以與整個桁架一起協(xié)同工作，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；調節(jié)氣囊(7)的內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)勢所在。此外，由氣囊填充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，所以結構的耐波性能也好。整個結構除了可以在平面方向進行擴展延伸外