CN1657360A - 一种超大型桁架式海上浮动平台 - Google Patents

Abstract

一种超大跨度的桁架式浮动平台，具有圆筒状浮体、水上作业面及联接杆。浮体总体积小于平台满载排水量的2倍。浮体直径小于最大波高的1/4，分散布置于水面，在水面上占空比小，吃水浅。本平台的波浪载荷及运动响应对浪高变化不敏感，在可作业波浪环境中稳性好，在风暴环境中可确保安全，可使平台结构简化及轻量化，降低建造及使用成本。

Description

一种超大型桁架式海上浮动平台

技术领域

本发明涉及一种海上浮动平台，尤其是一种超大型桁架式浮动平台。

所谓超大型平台，指比常规的大型平台的跨度更大，以提供大跨度作业空间为主要功能的平台。如浮动机场，海上综合基地等。

技术背景

在现有技术中，能够在波浪中稳定、在风暴中生存的大型浮动设施之一是大型船舶。它采用普通的大水线面结构，适用于载重航行。其问题是，其体积及自重随着尺度的增大而急剧增大，在工程上受到严重限制。它的体积大、吃水深、导致风浪载荷大、漂流阻力大。作为浮动平台使用，特别是超大型化时，建造成本很高，其系泊或动力定位代价巨大。

在现有技术中，还有半潜式平台，如美国人关于海上浮动基地在中国的专利申请，公开号CN 1269759A。它将常用的海上石油半潜平台结构形式超大型化。由于半潜式结构的下浮***于距水平面一定深度以下的水中，有一部分小水线面浮体(立柱及斜撑，提供一定的浮力，使平台具有一定的姿态稳定性)向上伸出与作业面联接，其作业面位于最大波高以上的空间，因而使平台从浮体到作业面的整个结构高度很大，庞大而笨重，建造和使用成本很高。其小水线面的结构，使平台离开锚泊或动力定位***不容易做到自主姿态稳定，对载荷变动敏感，因而增加了压载设备的制造成本及运行复杂性。这种结构用于中小型平台，在高产出的石油行业中有经济上的可行性；而用于超大型浮动结构，则在经济上很难作到效费比的合理性，因此至今没有付诸实施。此外，半潜平台在下浮体浮出水面的状态重心更高，仅适用于移航。

现有技术中的座底式平台与半潜平台相比，其立柱的水线面积更小，基本上不贡献浮力；从其浮体至作业面的结构高度更大，大于所在海域的水深与最大波浪的波高之和；为了防止浮体坐底后陷入泥沙，其浮体垂直投影面积很大；在浮出水面移航时，平台重心很高，这种状态不能用于作业，不应视为浮动平台。

我的已经公开的专利申请PCT/CN03/00304，即“水面定点作业平台降低风浪载荷的方法及水面定点作业平台”，提出了适宜于超大型化的两种可下潜平台，其中一种是自由下潜平台。它具有大容量变浮力装置，在大风浪中将储备浮力降低到不超过满载时最大储备浮力的10％。这时平台浮体的干舷很小，平台基本上沉入水中，只有体积不大的部分露出于水面以上，因而大风浪中风力载荷很小，浮力分布的变动也很小，该变动所引起的附加弯矩及附加剪力载荷就很小。这种结构确能降低波浪静压载荷，减小平台结构的自重，使平台轻量化。但是，由于该平台只有通过大幅度压载，减小储备浮力，才能进入减小风浪载荷的自由半潜状态，而大容量变浮力装置及其运作需付出一定的设备成本及使用成本，并且在大风浪中仍然可能存在大的波浪动压载荷，风浪载荷的实际减小量有限。此外，该结构在自由下潜时由于储备浮力很小，因而在平台跨度不足够大的方向上稳性会恶化。至于该申请中的一种可控下潜平台，则除了具备大容量变浮力装置之外还要设置下潜(深度)控制装置，增加了平台结构的复杂性，使它不能适用于要求简化平台结构、降低操作复杂性的场合。两种下潜平台都要下潜，自由下潜是动态下潜，受控下潜是持续下潜，都要对不宜下潜的作业面、作业设施及作业对象采取特殊措施，也增加了平台结构的复杂性。

概括地说，在现有技术中，能够抵御大风浪的大型浮动设施有三种典型技术。其一采用普通的大水线面结构，如大型船舶，其问题是体积及自重随着跨度的增大而急剧增大，在工程上受到严重限制。其二采用小水线面结构，如半潜平台，其问题是自重更大，结构和操作更复杂，成本更高。其三是采用下潜结构，其问题是平台结构及使用运行比较复杂。由此可见，平台技术的发展希望探索跨度超大型化、体积及自重小、在作业时稳定、在大风浪中安全、结构及运行较简单、波浪作用力小、漂流阻力小的结构形式。

发明内容

本发明的目的，即要解决的技术问题，是提供一种跨度大、自重小、在可作业环境中稳定、在大风浪中安全、结构及运行较简单、波浪作用力小、漂流阻力小的海上浮动平台结构形式。

术语解释。现对本发明采用的部分术语作如下说明。

“浮体”指对平台提供必要浮力的结构。所谓必要浮力，指保持平台承载能力及正常稳性所需要的浮力。需要说明的是，本平台具有的向上延伸的联接杆等结构，虽然具有一定体积，浸入水中时具有一定排水量，但其浮力对保持平台承载能力及正常稳性并非必要，因而不视作浮体。作为对比，半潜平台及前述专利文献759的海上基地的立柱、斜撑等向上延伸的结构必须具有一定的体积及水线面积，提供必要的浮力，才能使平台具有要求的稳性。所以它们实质上具有浮体的功能作用，在本发明的概念中，视作浮体的一部分。

“作业面”指平台作业所需的工作面，如甲板、作业舱、设备安装面等。所称“水上作业面”指远离水面、在正常状态下大风浪中不允许被波浪触及的作业面。

“联接杆”可以是实心或空心的杆。联接杆用于浮体之间及浮体与作业面结构之间的联接，使之成为整体的桁架结构。

平台结构的“整体刚性”指平台主体各部分之间不存在相对运动，但不排除固体材料在受载时产生的微小变形。所谓“桁架结构”指由杆件组成的结构，是大尺寸结构常用的结构形式。本平台的浮体、水上作业面及联接杆的全部或一部分均可以视为桁架的杆件。桁架的杆件主要承受纵向拉力与压力。桁架结构某一杆件的自重对该杆件本身产生的弯曲应力通常不大。但是，本平台由浮体构成的杆件在浮力作用下，由作业面(如甲板结构)构成的杆件在作业载荷作用下，可能产生不可忽略的弯曲应力，这些杆件同时兼有梁的性质。但这些情况不妨碍本发明将本平台在总体上称为“桁架结构”。

“最大波高”即设计波高，指平台设计时选定的若干年一遇的最大波高。幅高为波高之半。

技术方案。为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

1)本平台具有浮体、水上作业面及联接杆，浮***于平台下部，水上作业面位于平台上部，浮体、水上作业面及联接杆互相联接，形成整体刚性的桁架式结构；

2)浮体的总体积不大于平台满载时全重的等量水体积的约2倍；

3)浮体为圆筒形，直径不大于最大波高的约1/4；

4)浮体布置在水平方向的平面上，在至少一个方向上平行排列，相邻浮体间距约不大于最大波高，约不小浮体直径的1.5倍；分布空间的长度不小于最大波高的约8倍，宽度不小于最大波高的约1.5倍；

5)浮体的水线面积之和不大于浮体轮廓在水平面上投影的包络区域面积的约50％。

本发明的上述技术措施的技术意义说明如下。

A.本平台具有跨度相当大的桁架式总体结构。

浮体、水上作业面及联接杆互相联接成整体刚性的桁架。浮体在水平方向的分布范围长度不小于最大波高的约8倍，宽度不小于最大波高的约1.5倍。如果最大波高设定为30米，则分布长度不小于约240米，宽度不小于约45米，因此跨度相当大。

B.限定平台浮体的总体积，储备浮力及吃水线位置。

限定了浮体的总体积不大于平台满载时全重的等量水体积的约2倍，因此，平台满载时，浮体的储备浮力不大于全重的1倍。吃水线在浮体高度范围以内。如果储备浮力为平台全重的约1倍，则显然吃水线在浮体约1/2高度处。

C.浮体的总体积分散在多个体积较小的圆筒形浮体上。

限制浮体的形状为圆筒形，其直径不大于最大波高的约1/4。通常最大波高约30米，因而浮体直径不大于约7.5米。浮体直径小，每个浮体的体积就较小，因而浮体应有一定的总长度和数量，才能具有一定的总体积。

D.直径较小的浮体按较小间距分散布置在水平方向大面积的平面上，平台吃水浅，浮体的水面占空比小。

直径较小的浮体分布在纵横方向跨度很大的水平方向的平面上，浮体直径不大于最大波高的 约1/4。静态吃水线在浮体高度范围内，所以平台吃水很浅。

相邻浮体间距约不大于最大波高(例如30米)，约不小于浮体直径的1.5倍。因此，浮体在总体上呈分散布置。

浮体的水线面积之和不大于浮体轮廓在水平面上投影的包络区域面积的约50％，即水面占空比小。

简单地说，本发明的平台的总体结构是一个大跨度桁架，其下部是在水平面上大跨度、小间距排列的小直径圆筒状浮体，浮体的浮力将平台支持于水面，其水上作业面在最大波浪不可能触及的高度以上。

本发明的基本的有益效果可说明如下。

本发明限定浮体为圆筒形，其直径相对于最大波高很小。圆筒形浮体有利于对各方向的波浪动压都有较小的阻力系数，筒形结构使浮体容易成为桁架的杆件，并且作为桁架的杆件具有较好的压杆稳定性，在它兼有梁的性质时有较好的抗弯性。

本发明限定平台浮体储备浮力的上限仅为满载全重的1倍。浮体总体积小，并分散成较多小直径的浮体，有利于减小波浪对平台的作用载荷。在一般现有技术的浮动设施中，储备浮力小不容易满足稳性要求。但本发明平台的浮体跨度很大，相对水线面积大，尽管储备浮力不大，浮体干舷很小，仍可提供足够的稳性力矩。

在波浪的波高明显小于筒形浮体直径时，筒形浮体分布长度通常可以跨越多个波长，并且在宽度方向上有多个筒形浮体并列。众多波浪对平台的作用力互相抵消，所以平台显然容易保持很好的姿态稳定性。参见图11A及图12A。

对于较窄长的平台，在使用时通常令平台的长度方向指向波浪前进方向。参见平面图11A。这时，平台在宽度方向的摇摆本来就不大。当波长方向与平台长度方向大体上正交的严酷情形，容易发生的并非图11B波峰线平直而是是图11C所示波峰线弯曲的情形。因此，波浪静压引起的浮力变动及波浪的动压作用主要使平台承受扭矩，而平台纵向长度大的特征有利于多处扭矩的互相抵消，从而有利于减少横向摇摆。

在图11B所示最不利的情况下，则本发明平台浮体分布宽度不小于最大波高1.5倍，因而在横向也容易具有必要的稳定性。

当波高超过筒形浮体直径时，见图12B及12C示意。只要平台整体仍能跨两个以上波长，将发生波峰向上越过浮体或波谷向下脱离浮体的情形，即使浮体的某些部分被波浪淹没，某些部分脱离水面，平台仍保持较好的姿态稳定性。图12C中阴影部分a为波峰向上越过浮体的部分，阴影部分b为波谷向下脱离浮体的部分。图12C中双点划线c表示波高更大、波峰向上更多越过浮体、波谷向下更多脱离浮体的情形。以上特点使本发明具有能在波浪中保持稳定的运动持性。

本发明的平台具有浮体直径较小、数量较多的另一个有益效果是，在出现较大波浪时，浮体中被波浪淹没的部分所受的波浪力将不再随波高的增加而增加，脱离水面的部分浮体将不承受波浪力，因此，在波高超过一定值后，浮体各部分所受的波浪载荷对一定范围以上的波高增量不敏感，从而有利于降低所受作用力的上限。此外，浮体某些部分之间所受的力可以部分地互相抵消。这些情况有利于降低和分散波浪对整个平台的作用力，降低波浪载荷对平台的破坏作用，提高大风浪中平台结构的安全性，因而总起来说有利于平台结构的轻量化。

本平台吃水很浅，因而具有适用海域条件限制少等优点。

本平台在水面上占空比小，因此，虽然具有超大跨度，占用水面的包络区域很大，但在该区域内只有较小部分的波浪能量作用于平台，从而使平台承受的波浪作用较小。

总之，本发明的平台既能具有很大跨度的不被大浪触及的作业面，又能使平台浮体的体积及自重小、波浪对平台的作用载荷小而且分散、吃水浅、漂流阻力小、平台在作业时稳定、在大风浪中安全、结构及运行较简单，从而降低平台的制造成本及运行成本。

应该指出，在本平台的上述有益效果中，存在有益效果的放大效应。例如，由若干技术特征导致了自重减小，它有利于减小浮体体积、减小波浪作用力减小、降低强度要求，因而反过来导致进一步减小自重。与此类似，自重小导致惯性力减小，也有利于降低平台的强度要求，也反过来导致进一步减小自重。放大效应使本平台的有益效果更加明显。

附图说明

图1.实施例1平台概貌。

图2.实施例1平台横截面示意

图3.实施例1平台侧视。

图4.实施例1平台的镂空甲构局部示意。

图5.实施例1平台的镂空甲板结构示意，图4之A-A视图。

图6A及6B.实施例1平台由较小的平台单元组成的示意。

图7A及7B.多个平台组成更大跨度平台的示意。

图8.实施例2平台俯视图，局部示出甲板下方的浮体。

图9.实施例2平台正视图，图8之K-K视图。

图10.实施例1平台浮体在水面上的占空比。

图11A、B及C.本发明平台在波浪中的状态，俯视示意。

图12A及B.本发明平台在波浪中的状态，侧视示意。

图12C.本发明平台在波浪中的状态，侧视示意，图11B之I部放大。

以下结合附图说明本发明的实施方式。

实施方式

                               例1

图1、2及3表示一种大跨度桁架式海上浮动平台1，其设计用途为海上浮动机场。平台设计极限环境最大海浪为波高28米、即幅高14米。可作业环境为6级海况，其上限波高约6米。

本平台1具有4个平行排列位于水面的浮体2、联接杆3、上层飞行甲板4。浮体2同时也是桁架的杆件。平台甲板长度为300米、宽度为60米。

浮体、水上作业面及联接杆互相联接，形成整体刚性的桁架式结构，因此符合本发明技术方案中前述技术措施1)的要求。

以下为平台结构的基本参数。

4个浮体2为圆筒状，直径4米，长300米。图2所示浮筒之间在水面附近的横向联接杆3a具有中央向上弯曲的折线状，有利于适当避开波浪。

平台满载全重约9500吨。单个浮体体积约3800立方米，4个浮体合计总体积约15200立方米，为满载全重约9500立方米的1.6倍。吃水线5在浮体高度60％(高2.4米处)附近，浮体干舷约1.6米。

飞行甲板4的结构下沿距浮体2的上沿约15米，距吃水线约16.6米，大于最大幅高。水上作业面的位置高度保证了在风暴中波浪不触及作业面，同时又不使平台总高度过高。在该间隔空间内的桁架结构只提供平台需要的强度，不必为平台的稳定提供另外的储备浮力，其体积应尽量小，其构形应该力求使平台减小风阻浪阻的总量。

由于本平台浮体分布空间的宽度大于最大波高的1.5倍，因此作业面高度小于最大波高使高度小于宽度的2/3，为平台在风暴中不倾复提供了良好条件。

4个圆筒形浮体在水平方向平面上平行布置，相邻浮体中心距钓15米；浮体分布空间长度为300米；宽度为49米。由于4个浮体平行排列，吃水很浅，纵向阻力小，有利于系泊防漂及移航。

图10所示本平台的4个浮体2。其投影包络区域为矩形，矩形约.A、B、C、D四点为顶点，包络区域面积为300×49约15000平方米。各浮体水线面积之和为4×4×300＝4800平方米，占空比小于15000的50％。

本平台具有6个能使平台防漂移并使平台能自主航行的水平全向推进器7，见图2及10示意。

为了防止破舱进水，本平台浮体内在吃水线高度以下的空间中填充轻质材料6，见图2示意。

由于本平台甲板面积很大，在风暴中将产生巨大的空气升力载荷。针对此类情形，本发明提出可采用镂空甲板。该甲板采用建筑钢结构领域的现有技术如图4及5所示，其结构10由5毫米厚，30毫米宽的钢板条11纵向平行排列，板条的宽度方向为直立方向，上下有钢条12联接成网格，形成多孔结构，方孔边长30毫米，孔中心距35毫米，镂空率达到73％。通常，镂空率不小于50％就能有明显的减小升力载荷的作用。

为了平台建造方便，并为了便于拚接成其他形状，或为了迁移方便等需要，本平台可以由较小的平台单元拚接而成。例如，可以由2个甲板长度为150米、宽60米的较小的平台单元1a及1b联接而成，见图6A。又如，如果本平台甲板宽90米，见图6B平台1’，其筒形浮体2’有6个，间距15米，则可由较小的平台单元1’a、1’b、1’c、1’d、1’e及1’f联接而成。每个平台单元的甲板宽长100米，宽45米，具有3个平行排列的圆筒形浮体。

由于本实施例平台长度仅300米，只能适合垂直起降飞机和极少数短距离起降飞机起飞，着陆还需拦阻设备。为此可将多个长300米的平台互相连接，可组成更长并具有不同形状的跑道及停机坪，以适应各种常规飞机正常起降，见图7A及7B。

如上所述平台与平台的联接，在不准备改装的场合，可以是焊接；在准备改装的场合，可以是螺栓等一般的可拆联接，或可以是特殊的快速拆装联接。美国专利US 5988932公开了一种快速拆装联接的结构，可供参考。采用可拆联接或快速拆装联接时，平台的每个联接面上至少应有三个联接点，使联接关系具有整体刚性。同时，为了在联接过程中便于使两平台缓慢靠拢并使联接点容易对准，每个联接面上至少应有两个绳链牵引装置。在实际联接操作中，当牵引装置使两平台靠拢时，还应有外力作用限制对接时的惯性碰撞。例如，当平台具有全向推进器时，可以用推进器反推，牵引拉近，防止碰撞。

本机场的一部分技术设备如导航设备、通讯设备及后勤舱室可设置在其他船舶上，或直接利用其它船舶的原有设备配套使用，这将更具经济性。因此，平台上可无需配置过多复杂的技术设备和大量的人员，本机场的建造成本和技术难度将大大降低。

对上述基本参数的模型进行了有限元分析：该模型的浮体壁厚为15毫米；一部分联接杆直径0.8米，壁厚10毫米；一部分直径2米，壁厚20毫米，重心高8.701米，浮心高-0.9426米，惯性矩Ixx＝3.5215E+6(吨米²，下同)，惯性矩Iyy＝6.0068E+7，惯性矩Izz＝6.1197E+7。

1.对波浪的运动响应及漂移力。

取可作业环境为6级海况上限，波高6.0，周期5-10秒。

运动响应有义值(1/3值)最大为纵荡0.78(米，下同)，横荡2.29，垂荡2.38；纵摇1.13°，横摇1.5°，艏摇0.84°。

平均漂移力最大有义值(1/3值)最大为纵向18.1吨，横向214.3吨，艏摇力矩3039吨米。

这些数据表明，本例结构对波浪的运动响应及漂移力数值相当小。

2.波浪载荷的应力。

取坦谷波，波长300米，波高4-10米。计算表明，垂向弯矩及剪力对波高响应不敏感。这说明了本例结构的一个重要特性，即波高增大到一定数值后载荷不随波高之继续增大而增大。根据计算结果，取垂向弯矩Mvmax＝1300兆牛米，剪力Nvmax＝15.7兆牛，扭矩Mt＝440兆牛米。

有限元分析结果，施加载荷垂向弯矩Mvmax＝1300兆牛米时，各部位应力水平不高，在常现允许范围之内，只有一部分上部联接杆应力最大达245兆帕，不难通过结构优化予以解决；施加扭矩Mt＝440兆牛米时，结构最大剪应力62兆帕，在常现允许范围之内。

                                例2

图8表示本例2平台具有方形甲板4’，边长240米，具有大面积平坦的甲板，设计用途为海上综合基地，具有收放大型系留气球的能力。平台设计极限环境最大海浪为波高28米。可作业环境为波高8米。

筒形浮体2’直径3.2米，纵横各16个，正交布置，在网格交点p₁、p₂处相贯，纵横格距均为15米。浮体总体积约59000立方米，平台满载全重约35000吨，吃水线高度约为浮体直径60％(1.85米)。本平台甲板结构下沿至浮体上沿的间距灼15米。

整个平台由4个正方形单元组成。各单元的甲板4’a、4’b、4’c、4’d的边长为120米。单元之间为可拆联接。

本平台与例1相比较，由于宽度增大，整行平台在横截面内可能发生的弯矩增大，因而与例1横向联接杆3a相对应的横向杆件的强度要求增大，杆的材料自重增大。现在用横向浮筒2a代替例1的横向联接杆3a，使横向浮筒与纵向浮筒相同，均兼有产生浮力与作为联接杆的双重功能，材料效用增加，有利于结构轻量化。同时，浮体直径更小，浮力分布更加分散，依据对技术方案说明中阐述的理由，包括分散力的互相抵消及减小力的传递距离，也有利于结构轻量化。

本发明各实施例描述的具体细节对发明的技术措施不具有限制作用。

Claims (6)

1.一种超大型桁架式浮动平台，具有浮体、水上作业面及联接杆，浮***于平台下部，水上作业面位于平台上部，浮体、水上作业面及联接杆互相联接，形成整体刚性结构，其特征在于，

所述浮体的总体积不大于平台满载时全重的等量水体积的约2倍；

所述浮体为圆筒形，直径不大于最大波高的约1/4；

所述浮体布置在水平方向的平面上，在至少一个方向上平行排列，相邻浮体的间距约不大于最大波高，约不小于浮体直径的1.5倍；分布空间的长度不小于最大波高的约8倍，宽度不小于最大波高的约1.5倍；

所述浮体的水线面积之和不大于浮体轮廓在水平面上投影的包络区域面积的约50％；

2.如权利要求1所述的桁架式浮动平台，其特征在于，所述水上作业面的下沿与浮体的上沿之间的间隔不小于最大幅高，约不大于最大波高。

3.如权利要求1或2所述的桁架式浮动平台，其特征在于，所述作业面包括镂空率不小于约50％的镂空甲板。

4.如权利要求1或2所述的桁架式浮动平台，其特征在于，所述平台具有能使平台防漂移或自主航行的全向推进器。

5.如权利要求1或2所述的桁架式浮动平台，其特征在于，所述浮体的部分或全部内部空间填充轻质材料。

6.如权利要求5所述的桁架式浮动平台，其特征在于，所述浮体内填充的轻质材料位于吃水线以下的空间中。

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