桁架桩腿结构及其非对称主弦管的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出一种桁架桩腿结构及其非对称主弦管，包括：齿条板、小弧面板以及大弧面板；小弧面板截面呈圆弧状，小弧面板的两侧边固定于齿条板的一面；大弧面板截面呈一半径大于或等于小弧面板截面半径的圆弧状，且大弧面板截面的弧长大于小弧面板，大弧面板的两侧边固定于齿条板的第二面。本实用新型可在有效控制主弦管耗材的同时提高桩腿的强度。本实用新型不影响现有围井区设计以及升降装置和锁紧装置的配套，节约设计成本。其中，非对称主弦管避免了桁架桩腿结构同一水平高度节点内撑管搭接焊接，可缓解节点疲劳问题，撑管焊接相贯面加工相对简单、精度容易控制，降低废品率，减少打磨时间，焊接操作空间增大、方便工人操作，提高焊接质量。
【专利说明】桁架桩腿结构及其非对称主弦管
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及海洋工程及大型船舶建造【技术领域】，尤其涉及一种桁架粧腿结构及其非对称主弦管。
【背景技术】
[0002]自升式平台的船体由粧腿支撑，船体可沿位于船体围井区内的粧腿，通过上下导向结构以及升降装置完成升降运动，当船体升降到指定位置后，缩紧装置锁定，船体重量从升降装置转移到锁紧装置，并保持船体与粧腿的相对静止状态。例如通过升降装置完成插粧预压载动作后锁紧装置锁定船体与粧腿相对位置，平台将站位于海洋之中作业；作业结束后，升降装置完成拔粧收粧腿动作将粧腿升到船体上方，船体漂浮于海面，然后锁紧装置锁定粧腿与船体相对位置，将平台拖航到其他海域。
[0003]如图1所示，现有的自升式平台桁架粧腿结构通常由三个主弦管和若干撑管12通过焊接连接而成。其中，主弦管包括一个带有对称齿的齿条板111和对称布置的内半圆板112和外半圆板113，主弦管之间通过撑管12连接，且撑管12焊接在内半圆板112上。
[0004]现有的主弦管通常采用屈服强度为690Mpa的高强调制钢制成，这种钢材的价格约为7000-9000元/吨。撑管通常采用屈服强度为520Mpa的高强钢，这种钢材价格约5000-6000元/吨。由于粧腿尺寸主要由平台尺寸、风浪流环境载荷和水深等因素决定，因此主流船型桁架粧腿结构长度一般在125-250米之间，单根桁架粧腿结构重量约700-2500吨，材料成本昂贵。为有效控制成本，桁架粧腿结构在满足强度的前提下，需尽量节省钢材。
[0005]为了降低成本，本领域内现已形成配套的围井区设计以及升降装置和锁紧装置产品，其中主流船型配套升降锁紧装置售价约7000-10000万元，围井区以及升降装置和锁紧装置的设计成本昂贵。
[0006]随着自升式平台规格和作业水深的不断增大，对粧腿强度提出更高要求，按照目前的桁架粧腿结构形式，通过增大主弦管整体尺寸、增加板厚来提高粧腿强度，钢材用量增加明显，与之配套的围井区以及升降装置和锁紧装置要重新设计。
[0007]此外，如图2所示，按照现有的主弦管的结构形式，齿条板111宽度确定后，内、夕卜半圆板112、113的最大直径即已确定。当焊接在主弦管的内半圆板112上的两根撑管12交于同一节点时，由于焊接面积受限而出现搭接情况。当多根撑管12交于同一节点时，撑管12的搭接情况更加复杂。作为复杂管节点，节点疲劳问题明显，撑管12焊接相贯面加工困难、精度不易控制，打磨耗时长，焊接操作空间小、难度高，焊接质量难于控制。
[0008]为避免上述搭接问题，且能配合现有主流配套升降锁紧装置使用。在不改变现有主流粧腿主弦管结构形式的前提下，本领域技术人员提出将撑管交错焊接到主弦管上，避免多根撑管交于主弦管的同一点。这种结构的主弦管要承受额外的弯矩，对粧腿强度不利，需要进行相应的结构补强，增加额外工作量，且材料成本增加。另有本领域技术人员提出增加一根主弦管，将粧腿设计为四根主弦管及撑管组成的方形结构，这种结构增大了各撑管间的夹角，一定程度上避免了搭接问题。但是这种结构的成本增加明显，四根主弦管组成的方形粧腿稳定性需要进一步补强，并且与其配套的围井区以及升降装置和锁紧装置的设计，完全不同于现有主流配备三个主弦管粧腿的自升平台的设计。
[0009]因此，在不改变现有三根主弦管的桁架粧腿结构的前提下，设计出一种保证结构强度、成本较低、制造简便且有效减缓撑管搭接问题的桁架粧腿结构及其主弦管结构，已成为本领域内亟待解决的一大技术问题。
实用新型内容
[0010]本实用新型要解决现有技术中桁架粧腿结构的主弦管与撑管的搭接问题。
[0011]为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案:
[0012]本实用新型提出的一种非对称主弦管，其中，所述非对称主弦管包括:齿条板、小弧面板以及大弧面板；所述齿条板具有相对的第一面及第二面；所述小弧面板截面呈圆弧状，所述小弧面板的两侧边固定于所述齿条板的第一面；所述大弧面板截面呈一半径大于或等于所述小弧面板截面半径的圆弧状，且大弧面板截面的弧长大于所述小弧面板，所述大弧面板的两侧边固定于所述齿条板的第二面。
[0013]根据本实用新型的一实施方式，所述小弧面板截面的弧度为O?，所述大弧面板截面的弧度为π?2 π。
[0014]根据另一实施方式，所述小弧面板截面的弧度为，且所述大弧面板截面的弧度为 Ji ?5 JT /3。
[0015]根据另一实施方式，所述小弧面板的截面由所述齿条板截得的弦长，等于所述大弧面板的截面由所述齿条板截得的弦长。
[0016]根据另一实施方式，所述大弧面板的厚度大于所述小弧面板。
[0017]为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案还包括:提出一种桁架粧腿结构，其中，所述桁架粧腿结构包括:多根主弦管以及多根水平撑管；所述多根主弦管竖直设置且环绕排列，所述主弦管为所述的非对称主弦管，所述非对称主弦管的大弧面板相对向内；所述多根水平撑管分别连接于相邻所述非对称主弦管的大弧面板之间。
[0018]根据另一实施方式，所述非对称主弦管的数目为三根，且均匀环绕排列。
[0019]根据另一实施方式，所述多根水平撑管分布呈间隔均匀的多层，且每层所述水平撑管的数量相同。
[0020]根据另一实施方式，所述非对称主弦管的数目为三根，且均匀环绕排列，每层所述水平撑管的数目为三根，且位于同一层的所述三根水平撑管分别连接于三根所述非对称主弦管的大弧面板之间。
[0021]根据另一实施方式，所述桁架粧腿结构还包括多根斜撑管，所述斜撑管倾斜地连接于相邻所述非对称主弦管的大弧面板之间。
[0022]由上述技术方案可知，本实用新型提出的有益效果在于:本实用新型提出的桁架粧腿结构及其非对称主弦管，可在有效控制主弦管耗材的同时提高粧腿的强度。本实用新型不影响现有围井区设计以及升降装置和锁紧装置的配套，节约设计成本。其中，非对称主弦管避免了桁架粧腿结构同一水平高度节点内撑管搭接焊接，可缓解节点疲劳问题，撑管焊接相贯面加工相对简单、精度容易控制，降低废品率，减少打磨时间，焊接操作空间增大、方便工人操作，提高焊接质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是现有桁架粧腿结构的主弦管的截面示意图；
[0024]图2是本实用新型提出的桁架粧腿结构的非对称主弦管的截面示意图；
[0025]图3是本实用新型提出的桁架粧腿结构的结构示意图；
[0026]图4是图3的俯视图。
[0027]其中，附图标记说明如下:
[0028]111.齿条板；112.内半圆板；113.外半圆板；12.撑管；2.桁架粧腿结构；21.主弦管；211.齿条板；212.大弧面板；213.小弧面板；22.水平撑管；23.斜撑管。
【具体实施方式】
[0029]体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及图示在本质上是作说明之用，而非用以限制本实用新型。
[0030]非对称主弦管实施方式
[0031]如图2所示，本实用新型提出的非对称主弦管21 —实施方式。在本实施方式中，该非对称主弦管21包括:齿条板211、小弧面板213以及大弧面板212。
[0032]如图2所示，在本实施方式中，小弧面板213的两侧边固定于齿条板211的一面。其中，小弧面板213截面的弧度为rad:，且rad:= π。SP，小弧面板213的截面呈半圆弧状，且该半圆弧的两端固定于齿条板211。
[0033]如图2所示，在本实施方式中，大弧面板212的两侧边固定于齿条板211的另一面。其中，大弧面板212截面的弧度为rad2，且π <rad2<5Ji/3。并且，在本实施方式中，小弧面板213的截面由齿条板211截得的弦长，等于大弧面板212的截面由齿条板211截得的弦长。即，小弧面板213与齿条板211相交的两边位置对应于大弧面板212与齿条板211相交的两边位置。大弧面板212截面呈圆弧状且其弧度大于小弧面板213。
[0034]具体来说，小弧面板213及大弧面板212截面弧度的范围可进一步扩展为，OCrad1S JT彡rad2<2Ji。另外，为了便于描述，如图4所示，R i为小弧面板213截面所在圆弧的半径，R2为大弧面板212截面所在圆弧的半径。
[0035]当Tad1= π且rad2= π时，由于小弧面板213的截面由齿条板211截得的弦长，等于大弧面板212的截面由齿条板211截得的弦长，则R1=Ry此时该非对称主弦管21的结构与现有主弦管的结构相同，大弧面板212即为现有主弦管的内半圆板112，小弧面板213即为现有主弦管的外半圆板113。
[0036]当O < rad^ π < rad2< 2 π时，由于小弧面板213的截面由齿条板211截得的弦长，等于大弧面板212的截面由齿条板211截得的弦长，则凡< R2O此时该非对称主弦管21的大弧面板212具有较小弧面板213更大的弧度供水平撑管22连接，有效克服了现有主弦管的内半圆板112与多根撑管12连接时的搭接问题，在控制成本的基础上，保证了结构强度。
[0037]另外，在其他实施方式中，小弧面板213的截面由齿条板211截得的弦长，亦可大于或者小于大弧面板212的截面由齿条板211截得的弦长。此时，札与1?2并无直接关系，仅需满足O < radiC 31 < rad 2< 2 JT，以保证非对称主弦管21的大弧面板212具有较大的弧度供撑管12连接，并不出现搭接的情况。即，在几何关系上，仅需满足大弧面板212的截面呈优弧状即可(当大弧面板212的截面呈半圆弧状时，即与现有主弦管的内半圆板112相同，故不予赘述)，并不以此为限。
[0038]需要说明的是，无论大弧面板212以及小弧面板213的尺寸如何变换，均需满足以下条件，即，大弧面板212截面呈一半径大于或等于小弧面板213截面半径的圆弧状，且大弧面板212截面的弧长大于小弧面板213。
[0039]在本实施方式中，小弧面板213的截面由齿条板211截得的弦长，等于大弧面板212的截面由齿条板211截得的弦长。对于该设计，其符合非对称主弦管21的均衡受力的要求，能够最大程度上保证非对称主弦管21的结构强度，因此作为本实用新型非对称主弦管21的一较佳实施方式予以说明，但并不对本实用新型构成限制。
[0040]在其他实施方式中，可将图1所示的现有主弦管的结构进行计算变换，将内半圆板112取下换为大弧面板212，即外半圆板113为小弧面板213。具体来说，当R’ = R1 =222mm(R’为现有主弦管的外半圆板113截面半径)时，贝Ij需R2= 260mm。由于半径的不同，当现有主弦管的内半圆板112及外半圆板113厚度均为t’ = 83mm，则改进后的大弧面板212的厚度选择为97mm。通过实际验证得出，上述非对称主弦管21的抗剪、抗弯、节点抗冲剪能力均大于现有主弦管的能力，既有效保证粧腿结构强度且能够配套粧腿外围设备，又可避免在同一水平高度节点内的撑管出现搭接情况，降低撑管与主弦管的施工难度，提高工作效率和质量。另外，在本实施方式中，非对称主弦管21优选地适用于R1(IT) =150?400mm, t’ = 30?100mm，R2= 180?500mm, t = 35?120mm的所有情况，但并不以此为限，可根据粧腿强度要求进行最优设计。
[0041]桁架粧腿结构实施方式
[0042]如图2和图4所示，表示本实用新型提出的桁架粧腿结构2的一实施方式。在本实施方式中，桁架粧腿结构2包括:三根非对称主弦管21、多根水平撑管22以及多根斜撑管23。
[0043]另外，为了便于理解，现有桁架粧腿结构中通常包含的内水平撑管未在图中体现，非对称主弦管21在桁架粧腿结构2中的应用对其内水平撑的结构并无影响。并且，需要说明的是，如图3和图4所示，其实际表示桁架粧腿的部分结构，由于桁架粧腿长度较大，为了便于理解，故将桁架粧腿截取一段作为该桁架粧腿结构的结构示意图，并不对本实用新型造成限制。
[0044]如图3和图4所示，在本实施方式中，三根非对称主弦管21竖直设置且均匀环绕排列，各非对称主弦管21的大弧面板212相对向内。在其他实施方式中，非对称主弦管21的数量及排列方式并不唯一，应根据桁架粧腿结构2的周边结构及受力条件灵活变换，并不以此为限。
[0045]如图3和图4所示，在本实施方式中，每两根相邻的非对称主弦管21之间，水平且间隔均匀地连接有三根水平撑管22。为了便于叙述，这三根水平撑管22按照高度依次为上水平撑管、中水平撑管以及下水平撑管。另外，斜撑管23倾斜地连接于相邻非对称主弦管21的大弧面板212之间，且每两根非对称主弦管21之间的斜撑管23数目为四根，其中两根分别连接于中水平撑管两端部与上水平撑管中部，另两根分别连接于中水平撑管两端部与下水平撑管中部，即四根斜撑管23组成一近似的菱形框架。需要说明的是，以上仅为本实用新型提出的桁架粧腿结构2的一实施方式，其中提出的水平撑管22以及斜撑管23的数量及布置方式，均可根据实际需要灵活变换，在此不予赘述。因此，基于现有技术对水平撑管22及斜撑管23的数量及布置方式进行的简单变换，均不能对本实用新型造成限制。
[0046]另外，上述关于水平撑管22、斜撑管23以及非对称主弦管21连接关系的描述，仅为基于桁架粧腿的其中部分结构。当考虑桁架粧腿的整体结构时，其实际应为多根水平撑管22分布呈间隔均匀的多层，且每层水平撑管22的数量相同。并且，在其他实施方式中，各层水平撑管22的间隔可以不同，或者没有水平撑管22，只通过斜撑管23连接主弦管21，以使桁架粧腿整体满足不同部位的受力等条件，并不以此为限。
[0047]虽已参照几个典型实施例描述了本实用新型的桁架粧腿结构及其非对称主弦管，但应理解，所用的术语是说明和示例性的，而非限制性的。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离其构思或实质，因此，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的构思和范围内广泛地解释，故落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种非对称主弦管(21)，其特征在于，所述非对称主弦管(21)包括: 齿条板(211)，具有相对的第一面及第二面； 小弧面板(213)，截面呈圆弧状，所述小弧面板(213)的两侧边固定于所述齿条板(211)的第一面；以及 大弧面板(212)，截面呈一半径大于或等于所述小弧面板(213)截面半径的圆弧状，且大弧面板(212)截面的弧长大于所述小弧面板(213)，所述大弧面板(212)的两侧边固定于所述齿条板(211)的第二面。
2.根据权利要求1所述的非对称主弦管(21)，其特征在于，所述小弧面板(213)截面的弧度Oad1)为O?π，所述大弧面板(212)截面的弧度(rad2)为π?2 π。
3.根据权利要求2所述的非对称主弦管(21)，其特征在于，所述小弧面板(213)截面的弧度Oad1)为π，且所述大弧面板(212)截面的弧度(rad2)为π?5π/3。
4.根据权利要求2所述的非对称主弦管(21)，其特征在于，所述小弧面板(213)的截面由所述齿条板(211)截得的弦长，等于所述大弧面板(212)的截面由所述齿条板(211)截得的弦长。
5.根据权利要求1所述的非对称主弦管(21)，其特征在于，所述大弧面板(212)的厚度大于所述小弧面板(213)。
6.一种桁架粧腿结构(2)，其特征在于，所述桁架粧腿结构(2)包括: 多根主弦管，竖直设置且环绕排列，所述主弦管为如权利要求1?5中任一项所述的非对称主弦管(21)，所述非对称主弦管(21)的大弧面板(212)相对向内；以及 多根水平撑管(22)，分别连接于相邻所述非对称主弦管(21)的大弧面板(212)之间。
7.根据权利要求6所述的桁架粧腿结构(2)，其特征在于，所述非对称主弦管(21)的数目为三根，且均匀环绕排列。
8.根据权利要求6所述的桁架粧腿结构(2)，其特征在于，所述多根水平撑管(22)分布呈间隔均匀的多层，且每层所述水平撑管(22)的数量相同。
9.根据权利要求8所述的桁架粧腿结构(2)，其特征在于，所述非对称主弦管(21)的数目为三根，且均匀环绕排列，每层所述水平撑管(22)的数目为三根，且位于同一层的所述三根水平撑管(22)分别连接于三根所述非对称主弦管(21)的大弧面板(212)之间。
10.根据权利要求6所述的桁架粧腿结构(2)，其特征在于，所述桁架粧腿结构(2)还包括多根斜撑管(23)，所述斜撑管(23)倾斜地连接于相邻所述非对称主弦管(21)的大弧面板(212)之间。
【文档编号】E02B17/02GK204212137SQ201420658633
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】刘静, 尹秀凤, 傅强, 高学静, 杜之富, 张健效 申请人:中集海洋工程研究院有限公司, 烟台中集来福士海洋工程有限公司, 中国国际海运集装箱(集团)股份有限公司