水上浮动平台及其降低风浪载荷的方法

专利名称：水上浮动平台及其降低风浪载荷的方法
技术领域：
本发明涉及水上浮动平台及其降低风浪载荷及锚系拉力的方法。该平台具有各种水上作业、后勤等用途；特别需要降低平台结构风浪载荷及锚系拉力，以便使平台的系统结构轻量化。
背景技术：
海洋的开发和利用在经济、科学及军事上具有多方面的迫切需求。但是，在现有技术中，水上特别是海上作业基地的设置存在很大困难，受到技术上和经济上的各种限制，因而很难付之实现。现有技术中比较成熟的，只有石油钻采水上平台、海上科学或军事考察舰船等。水上机场只存在极个别的特殊事例。
布署水上作业基地的许多困难都与海洋环境特别是风浪作用相关。一、风浪环境的对策技术效果有限，导致水上浮动平台结构笨重、造价高------现有技术中，长期定点坚持于离岸水域的水上浮动设施所采用的风浪环境对策主要是以下几类1.强力抵御------按照50年或百年一遇的最大风浪载荷提高设施的强度，其中至少包括提高设施本身的强度及锚系装置的强度。
2.减小设施对风浪的响应------改善设施表面的轮廓形状(如船艏形状)、设置特殊的轮廓形状(如减少水面砰击的形状)等。专利CN86108094属于这一类设计。小水线面设计是众所周知的减小波浪作用的一种结构。专利US4984935曾提出海上平台减小浪击作用的一些特殊设计。
3.缓冲或吸收波浪作用------采用弹性缓冲、阻尼吸收等措施；如专利US6089175、3299896等。
4.隔离------如设置防波浪结构，包括防波堤，工程大、造价高。
总起来说，这些措施效果有限，不能大幅度减小浮动设施所受到的风浪环境载荷。其结果是，作业要求储备浮力很大的水面作业平台，例如用起吊法打捞大型沉船的打捞设施，在具有不回港抗大风浪的功能时，由于大储备浮力与抗大风浪有矛盾，其结构都庞大而笨重。二、风浪载荷大导致锚系装置庞大----由于平台风浪载荷大，对锚系等定位装置的要求就高。又由于平台结构不能轻量化，因而平台在给定跨度、面积及有效载荷情况下排水量很大，风浪载荷及其响应(摇摆、垂荡等)能量就更大，导致对平台的锚系等定位装置的要求就更高。
美国公司申请的中国专利CN1269759A提出的一种海上基地构思，其锚系结构必将庞大到无法实现的程度，因而缺乏实用的可行性。
以上一、二两个方面的情况造成浮动平台的系统结构(包括平台结构及定位装置的结构)非常笨重。三、平台的系统结构不能轻量化，严重抑制海上较大型平台的发展------海洋的开发和利用特别需要规模较大的平台。海上作业要求的平台稳定性也需要发展跨度大而整体刚性好的平台。但是，由于平台的系统结构无法轻量化，使大型平台的开发在技术上和经济上存在无法逾越的障碍。
水上飞机场现有构思的结构质量很大、建造成本高、只见个别特例，未见较多推广应用。半潜式钻采平台的跨度及包容面积并不很大，其造价却已相当高，只能用于具有高经济价值的石油工业。四、现有技术的波浪环境对策思路偏于狭窄------本发明将提出通过采用可变轮廓、减小生存储备浮力、大风浪时适度下潜、采用可变整体刚性等几种方法来降低风浪载荷。改变浮力及上浮下潜本身都是潜水器的现有技术，但却未见将它们用于降低设施结构的风浪载荷，未见利用这些方法使平台的系统结构大幅度轻量化。
术语定义本发明采用下述与水上浮动平台有关的术语概念水上浮动平台，轻型构架------本发明涉及的平台的主体是轻型构架。所称轻型构架由管材或管形结构组成，或由浮体及支撑组成，或在浮体之外有较大面积的作业平面。
本发明涉及的平台不同于普通船舶，主要是跨度或面积较大而排水量较小。跨度、面积和排水量的大小都是相对而言的与同样跨度或甲板面积的船舶相比，平台的排水量较小；与同样排水量的船舶相比，平台的跨度或台面面积较大。可以说，平台的“单位跨度或面积的排水量远远小于普通船舶”，因而其结构相当“松散”，不同于普通船舶的大体积集中布置的形式。
本发明涉及的平台有下潜的能力，但它不同于潜水器。潜水器下潜是作业功能的需要；下潜方式及深度根据作业需要确定，通常较大(相对于潜水器结构高度而言)；现有各种潜水器没有舱外较大面积的作业平台。本发明的平台下潜是避风浪的需要；下潜深度根据避风浪需要确定，通常不大(相对于平台结构高度而言)；本发明涉及的平台有舱外较大跨度或面积的作业平台。水上浮动平台虽然不包括各种潜水器，但可以成为潜水器的基地或服务站。由于本发明提供了大幅度减小风浪作用的技术，因而所涉及的平台具有轻量化的结构；即使是水上机场，也是轻量化的。
平台的系统结构----包括平台本身的结构及其定位装置的结构。
平台的作业吃水线----平台在作业状态下的吃水线。一个平台的作业吃水线可以有多个不同高度位置。在本发明中，为了简化叙述，不强调可以有多个吃水线。本发明的技术方案容易按照多个吃水线的情况作出具体设计。
平台的水线面积------在本发明范围内，平台的水线面积的术语定义与习惯定义有出入，见图13至15。其中图13是设想的平台的一个局部结构的横截面。该局部结构在水平面内大跨度纵向延伸，图13是该纵长结构的横截面。图13与图3的视图关系有相似之处。图3是图2平台的A-A横截面。图13表示平台有可进水的舱室7，该舱室有可开启与关闭的舱门8。当舱门8关闭时，是一个封闭轮廓，可以提供浮力。当舱门8开启时，外界的水可以自由进出，因而有波浪时舱内水面与外界波浪水面相同，该舱室视同不存在。图14为该舱门关闭时结构的水线面积示意，图15为该舱门开启时水线面积示意。两图都画出假想两个不同高度位置的水线L1、L2。图14水线L2附近轮廓发生突变。
在本发明范围内，平台的水线面积包含三种情况1)“水线上面积”当平台在水线附近轮廓发生突变时，水线上面积指水线以上的水平截面积；例如，图14水线L2的水线上面积相当大；2)“水线下面积”当平台在水线附近轮廓发生突变时，水线下面积指水线以下的水平截面积；例如，图14水线L2的水线下面积相当小；3)“水线等面积”当平台在水线附近轮廓没有突变时，水线上、下水平截面积基本上相等，该面积称为水线等面积；例如，图14水线L1的水线上、下水平截面积相等，都相当大；而图15水线L1的水线上、下水平截面积基本上相等，都相当小。
“水线面积”一词用于泛指水线上面积、下面积或等面积。
平台的整体刚性状态------指平台整体的变形仅来自平台结构固体材料的微量弹性变形，而不是来自活动连接如铰接。所谓整体，不包括局部细节如铰接的门、附属装置的运动机构等。
临界风浪------适合于平台正常作业的最大风浪级别，它根据平台的用途功能在设计时确定，应远低于该水域50年或100年一遇的风浪最高级别。
平台的浮力接近于重力----平台在临界以上风浪环境中，可以使其浮力(总浮力)接近于重力(总重力)，即在略小于重力或略大于重力之间。当浮力略小于重力时，可理解为储备浮力为不大的负值。
平台的储备浮力----本领域的常用术语，指平台可能具有的最大的潜在浮力减去平台的排水量。
平台的作业储备浮力----平台作业时所需要的大的储备浮力。
平台的生存储备浮力----平台在临界以上风浪环境中为确保安全所需的很小的储备浮力。
在本发明提出的平台结构中，作业储备浮力远远大于生存储备浮力。
平台的定位装置----使平台的位置保持稳定的装置。定位装置可以包括锚或重物(包括固定构筑的基础)、链条或绳缆，以及必要的卷扬机(锚机)；定位装置也可以是推进器或其他机构。
平台的深度控制装置----深度控制装置控制平台是否下潜及下潜深度。深度控制装置可以根据需要对平台施加向上、向下拉力。
本发明要解决的技术问题是提供平台的几种使用方法，这些方法能够减小大风浪对平台的载荷作用。
本发明要解决的技术问题是提供平台的几种结构方案，这些结构能够采用上述几种使用方法，其中有些结构还有其他改进性能。
本发明的基本构思是设法回避而不是“硬抗”风浪作用，特别是设法更充分地利用平台在非作业状态下回避风浪作用的潜在可能性。本发明提出在出现临界以上风浪、平台停止作业状态下回避风浪作用的三种新的基本的平台使用方法。
1.本发明在临界以上风浪环境下减小风浪作用的基本的使用方法之一是改变平台轮廓，改变其水线面积，就是，在临界以下波浪环境下，使平台的轮廓具有相当大的水线等面积或水线上面积；由于平台各方向的跨度较大，在一般风浪中较比较平稳，这时平台具有大浮力作业能力；在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台的轮廓发生变化，变为具有相当小的水线等面积或水线上面积，以便减小平台承受的波浪载荷作用。
小水线面浮动设施对波浪的响应较小，是众所周知的。本发明上述方法可以减小平台承受的波浪载荷作用，其理由简述如下平台结构在风浪中要承受风载和浪载即风力动压载荷、波浪动压载荷两项动力学载荷，以及波浪的波峰波谷位置变化所导致的浮力分布变动所引起的附加弯矩及附加剪力两项静力学载荷。当平台具有小水线面积时，浮力分布变动引起的附加弯矩及附加剪力两项载荷作用将明显小于平台具有大水线面积的作业状态下的该两项载荷。然而，后者正是按常规设计应保证的载荷。载荷作用明显降低，强度要求将明显降低，结构的安全性将明显改善。
由于本平台可以采用改变轮廓降低风浪载荷的方法，因而其主体结构强度可以低于常规设计。它所保证的风浪载荷包括平台在具有作业需要的大水线面积轮廓的状态下，临界风浪环境下的风力及波浪载荷；平台在具有小水线面积轮廓的状态下，所在水域最大风浪环境下的风力及波浪载荷。
根据前面已经说明的理由，这个载荷要求低于常规设计，因而可使平台结构轻量化。
从锚系装置等定位装置的载荷分析，小水线面结构在波浪中的摇摆及垂荡都比较小，因而定位装置载荷也比较小。另一方面，由于平台本身结构轻量化，使其排水量减小，因而它的结构体积减小，波浪作用转移到定位装置上的作用力也减小。因此，定位装置获得双重的轻量化。
由此可见，采用改变轮廓降低风浪载荷的方法可以使整个平台的系统结构轻量化。
换句话说，平台的系统结构在设计上可以按减小了的载荷作用采用轻量化结构；只要采用上述使用方法，轻量化结构也能在恶劣风浪环境下确保结构安全。
2.本发明在临界以上风浪环境下减小风浪作用的基本的使用方法之二是令平台适当下潜，改变平台相对于水面的位置，就是，在临界以下波浪环境下，使平台位于水面正常作业位置；在可能出现临界以上风浪的环境下，使平台下潜到设计规定的深度，以便减小平台承受的风浪载荷作用。
平台下潜可以降低风浪载荷，对此说明如下当平台完全或大部潜入水中时，不承受风力载荷，此其一；这时浮力分布与水面波动完全无关或基本上无关，波浪导致的浮力分布变动附加弯矩、附加剪力载荷很小，此其二；水下深度越大，波浪动压载荷越小，此其三；水下深度越大，海流速度越低，因而海流载荷越小，此其四。由此可见，下潜有利于明显降低风浪载荷。这些情况，为平台及其定位装置进一步轻量化提供了有利条件。
由于本平台可以采用通过下潜降低风浪载荷的方法，因而本平台的主体结构强度可以低于常规设计，它所保证的风浪载荷包括平台处于上浮作业位置的条件下，临界以下风力及波浪载荷；平台处于设计规定下潜深度位置的条件下，所在水域的最大风力及波浪载荷。
根据前面已经说明的理由这个载荷要求可以低于常规设计，因而可使平台结构轻量化。
与以上第1项对定位装置的载荷分析相似，通过下潜减小风浪载荷作用的方法可也可使定位装置获得双重的轻量化。
由此可见，采用通过下潜减小风浪载荷作用的方法可以使整个平台的系统结构轻量化。换句话说，平台的系统结构在设计上可以按减小了的载荷作用采用轻量化结构；只要采用上述使用方法，轻量化结构也能在恶劣风浪环境下确保结构安全。
平台下潜操作有一个细节。为了减小平台深度控制装置的操作所需用的功率，在应该减小平台的生存储备浮力，使之接近于零，就是使平台的总浮力接近于总重力。事实上，当平台的总浮力较多地大于总重力时，平台下潜时所需向下拉力较大；当平台的总浮力较多地小于总重力时，平台下潜后上浮时所需向上拉力较大。因此，为了使深度控制装置的功率不超过实际可行的规格，应该使总浮力既不过多地大于总重力，又不过多地小于总重力。后面将在有关部分说明实现这个要求的做法和结构方案。
3.将上述两种使用方法结合起来运用，可以得到双重的有益效果。结合运用的方法是，在可能出现临界以上波浪的环境下，先运用改变平台轮廓的方法，使平台具有相当小的水线等面积或水线上面积，再使平台下潜到设计规定的深度。
这里说明一个细节。在本发明提出的平台结构中，改变平台轮廓、减小水线面积的操作和减小上述生存储备浮力的操作，这两种操作在多数情况下可以合并。就是说，进行其中一种操作可以同时兼有另一种操作的效果。因此，在改变轮廓水线面积时，平台的储备浮力随之自行变小，从而有利于减小深度控制装置及平台的载荷。
4.本发明在临界以上风浪环境下减小风浪作用的基本的使用方法之三是改变平台的整体刚性，就是，在临界以下波浪环境下，使平台具有良好的整体刚性，使平台具有正常作业能力；在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台改变为跨度较小的构件块，相邻构件块之间为活动连接，以便减小平台承受的风浪载荷作用。
减小跨度可以减小风浪作用，其理由是很简单的。事实上，风浪的各种力的作用都导致平台承受的弯矩和剪力，它们都与跨度密切相关，减小跨度可以大大减小弯矩和剪力。
以上说明了本发明提出的三种基本的使用方法及其有益效果。以下说明为上述方法服务的各种平台结构，以及变型结构的使用方法。
以下各种平台的主体都是轻型构架，其概念见术语定义。
5.服务于上述使用方法之一(改变轮廓及水线面积避风浪)的平台结构的特征是，平台的结构轮廓及其水线面积可变，就是，它至少有两种不同的轮廓形状，至少有一种轮廓1具有作业要求的水线等面积或水线上面积；至少还有一种轮廓2具有远远小于作业要求的水线等面积或水线上面积。这样的平台可以采用上述变轮廓变水线面积的使用方法，就可以减小平台承受的波浪载荷作用。
6.上述变轮廓变水线面积平台的具体结构A是，它包括可进水的第一舱室，所述第一舱室有通向外界的水密舱门。该舱室位于作业状态吃水线之上，水密舱门下边缘的高度位置在作业状态吃水线附近。开启水密舱门，外界的水可以自由进入或流出该舱室，该舱室就可以视同不存在，平台具有所述轮廓2，因而减小了平台的水线上面积。关闭水密舱门，使水不能自由进出，该舱室就存在，平台具有所述轮廓1，因而使平台具有较大的水线上面积。
7.上述变轮廓变水线面积平台的具体结构B与上述结构A基本相同，不同之处之一是，该舱室位于作业状态吃水线上下(一部分在水线之上，一部分在水线之下)，水密舱门下边缘的高度位置在作业状态吃水线以下。因此，该舱室存在时，平台具有较大的水线等面积而不是水线上面积，该舱室视同不存在时减小的也是水线等面积而不是水线上面积。不同之处之二是，由于该舱室在作业状态下有一部分位于水线以下，水密舱门关闭时，若要排水必须借助排水装置。因此，该舱室最好配备排水装置。
8.上述变轮廓变水线面积平台的具体结构C是，它包括舱壁为柔性材料的柔性舱室及充气排气装置；所述柔性舱室充气膨胀，平台具有所述轮廓1，可以具有较大的水线面积；排气收缩，平台具有所述轮廓2，可以减小平台的水线面积，所述柔性舱室相对于水面的高度位置决定它的性质；柔性舱室基本上在水线以上时，其膨胀、收缩改变平台的水线上面积；它在水线以下时，改变水线下面积；它在水线上下时，改变水线等面积。
9.上述变轮廓变水线面积平台的具体结构D是，它包括可分离舱室。可分离舱室脱离平台时，平台具有所述轮廓2，可减小平台的水线面积；它固定于平台时，平台具有所述轮廓1，可以具有较大的水线面积。可分离舱室固定于平台时，它相对于水线的位置决定它的性质，与结构C相似，可以类推。
以上四种变轮廓结构在增大或减小水线面积时都同时增大或减小了平台的浮力，因而两种操作可以合并。其中，只有结构B第一舱室在水线以下的部分，为了增加浮力需要借助排水装置。此外，变轮廓变水线面积还有具体结构E，见以下第14至16项的说明。
如果通过变轮廓结构所得浮力改变的幅度不能充分减小深度控制装置的功率，则可以采用其他结构(如常规的压舱水装置、配重等)作为补充。
10.利用以上所述各种技术，特别是变轮廓平台结构，可以构建一种特殊形式的平台。它由框架及浮力舱室组成，框架具有略大于自身重力的浮力，由浮力舱室提供作业时所需的较大水线面积及浮力。浮力舱室采用前述第一舱室、柔性舱室或/及可分离舱室。这种平台在使用时非常灵活。框架飘浮在水面上不沉，作业时根据作业需要的浮力及水线面积安排第一舱室柔性舱室的充气膨胀及可分离舱室的固定。
11.上述这种特殊平台可以设法在现场水上总装。为此，平台框架采用可漂浮的空间网架结构，如球节网架、弓式结构(按照专利CN 2178745)。平台框架可划分为若干组件，以及组件之间的连接件。各个组件比重小于1，由杆件及专用节点件组成，杆件与节点件之间为易装配连接，如螺纹连接、卡接(卡装、克崩、snap)、铆接、插入-转动(类似于卡口灯泡)连接等，不排除现场易于进行的焊接。
这种结构特别适用于在远离陆岸的水域构建平台。为了在水面上装配平台，可以在运载工具(含辅助船舶)上先装成组件，再在水中合龙。组件装配都是易装配连接的操作；组件装成后放入水中，比重小，在水中不会沉没丢失。
12.服务于上述使用方法之二(适当下潜避风浪)的平台结构的特征是，平台具有深度控制装置，可以改变平台相对于水面的位置。这样的平台可以采用上述适当下潜避风浪的使用方法，就可以减小平台承受的风浪载荷作用。
13.上述深度控制装置的具体结构可以有以下几种A.通过绳索或链条连接锚、桩或重物的卷扬机，这种结构类似于普通的锚系装置，但是将它用于控制下潜深度。锚、桩或重物稳定地位于水底，可以经绳索或链对平台施加向下拉力。B.通过绳索或链条连接浮子的卷扬机，这种结构类似于用绳索下垂控制潜水器下潜深度的装置。浮子稳定地或基本上稳定地浮于水面，可以经绳索或链对平台施加向上拉力。平台改变上浮或下潜位置时浮子位置基本不变。C.通过绳索或链条既连接锚、桩或重物，又连接浮子的卷扬机。这种结构的上端是浮子，下端是锚、桩或重物，平台上的卷扬机位于其间。卷扬机沿绳索或链条上下移动，带动平台上下移动，改变平台相对于水面的高度位置。D.推进器，如螺旋浆等。E.压舱水装置，用于改变平台总浮力与总重力的相对大小关系，从而改变平台的下潜深度，是潜艇的常用方法。以上几种结构可以选择采用，也可全部或部分同时采用。所述深度控制装置可以全部或部分与所述平台的定位装置合并。
对于同时具有上述变轮廓结构及深度控制装置的平台来说，在水线面积变小之后，平台下潜时深度控制装置的载荷变小。
14.前面第12项所述可下潜平台的一种变型结构是，它具有若干可分离的子平台，平台与子平台之间有立柱连接，立柱与平台正交或斜交，子平台可以沿立柱方向相对于平台移动，有升降装置控制子平台与平台的相对移动位置。子平台可以与立柱一起运动；也可以子平台移动而立柱不动(主柱穿过子平台)。
上述升降装置可以采用自升式石油平台的有关现有技术。
这种变型结构的子平台升降部分可以看作变轮廓变水线面结构E，其概念见以下第16项说明。
15.上述水上浮动平台变型结构立柱下端还可以连接一个水下浮子单元，立柱运动时与所述浮子单元作为一个整体一起运动。浮子单元的浮力可以减小升降装置的功率和强度要求，并减小平台的载荷。
16.当以上第14及15项所述平台按照前面第2项所述避风浪使用方法下潜时，可以令所述立柱连同所述子平台相对于所述平台垂直或斜向向上移动，使所述子平台的底面离开水面一个距离，以便减小由所述平台、所述子平台及所述立柱组成的整个平台结构的水线面积(即改变水线面积)，减小波浪对所述平台系统的作用。可分离的子平台可以用于安排不宜下潜的设备及人员，并且在不同应用场合下可以安排其他用途，例如游乐用平台的子平台运动可以成为某些游乐活动的构成成分。
如上第14、15项所述变型平台结合第16项所述使用方法，具有下列优点1)一般风浪环境作业时，具有较好的作业平稳性及相当大的作业活动面积；2)大风浪环境自存时，如同自升式平台及半潜式平台，具有小水线面的抗波浪优势。浮子单元的浮力可以减小升降装置的功率和强度要求，并减小平台的载荷。
3)由于水下存在大跨度结构，而水面上空的子平台相对较小，所以整个结构在大风浪中仍能具有较好的平稳性，并保持部分作业功能，这是很可贵的。
17.前面第12项所述可下潜平台的另一种变型结构是，所述平台具有若干可分离的子平台，平台与子平台之间为可拆解的固定连接，拆解分离后所平台与子平台之间可以有链、绳联系。
平台与子平台的链、绳联系可以有各种设计。例如，可以设置一条主链、绳和不少于一条辅链、绳。在大风浪条件下平台下潜时，辅链、绳脱离连接，只保留主链、绳实现子平台的“单点系留”，使子平台趋于主平台下风方向。在大风浪后平台上浮过程中，恢复辅链、绳连接，配合导引，使平台与子平台间的可拆固定连接结构对齐，以便恢复固定连接。
18.当第17项所述另一变型平台采用前面第2项所述避风浪使用方法下潜时，子平台可以分离、不下潜。可分离的子平台可以用于安排不宜下潜的设备及人员，并且子平台可以具有前面第13项C款所述浮子的作用。此外，在危急情况下可以解除上述链绳联系，子平台成为逃生舱。
19.服务于上述使用方法之三(改变整体刚性状态避风浪)的平台结构的特征是，平台由2个以上较小跨度的构体块组成，相邻构件块用变自由度连接装置连接。
所谓变自由度连接装置至少具有两种连接状态。一种是相邻构件块相对运动自由度为零的固定连接；另一种是相邻构件块可以相对运动的活动连接，至少具有1个转动自由度，至多可具有6个运动自由度。两种连接状态的变换，使平台可以从大跨度整体刚性状态变换为小跨度构件块活动连接状态，或反之。这样的平台可以采用上述改变整体刚性状态避风浪的使用方法，就可以减小平台承受的风浪载荷作用。当变自由度连接为可拆结构时，平台可以分解，便于迁移，或便于重新组合成不同的构形。
20.利用以上所述的各种技术，可以构建跨度相当大的平台，它在作业时整体刚性状态好、平稳性好、有必要的承载能力。这种大跨度平台具有以下特征1)平台在水平面内各方向的跨度大于所在水域临界波浪的波长；积水面，水面面积为包络线范围总面积的80％以上。
跨度大，作业时整体刚性，所以在临界以下风浪中平稳性好。
平台跨度范围内有大面积水面，所以结构“松散”而不集中。
具有这种结构的平台通过采用本申请的降低风浪载荷方法，既能在上浮时具有所需要的最大水线面积或最大储备浮力(有利于进行作业)；又可以下潜躲避风浪，使平台在大风浪中不回港，并使其结构轻量化。如果平台在水平面内各方向的跨度不小于所在水域临界波浪的波长，或者是该波长的2至3倍以上，则平台在作业时将非常稳定。
具有这种结构的平台可以和普通水上设施一样，使没有作业用途、不允许进水的舱室充满轻质材料，提高破舱安全性。
本发明所述的平台除具有基本的结构和功能外，还可以具有若干作业舱和作业平面，可用于安装设备并提供作业空间。设备及作业的类型由平台的使用功能决定。例如，作业舱可作油料、淡水，安装物料输送设备、淡化水设备等；可作休息住宿及娱乐舱，安装各种生活与娱乐设备；可作抢险急救中心，配备抢险、救火、医疗设备；作业平面可作飞机场或直升机场，设置跑道、停机坪，以及导航指挥设备、各类作业机械、检修设备等。在深度控制装置具有水面浮子的情况下，有些设备如动力机械可以安装在浮子内。部分舱室如危险品舱可兼作重的沉于水底，有的舱室可兼作逃生舱，需要时可与平台主体分离。
21.本说明书前述第1项减小风浪作用的使用方法之一，所述“在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台的轮廓发生变化，变为具有相当小的水线等面积或水线上面积”的做法，也可以改为“在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台具有相当小而大于零的生存储备浮力”，方法依然有效。在大多数情况下，两个条件是等价的。事实上，储备浮力相当小，意味着平台结构在水线以上的部分体积相当小，或者在水线以上、以下的部分体积都相当小，因而水线上面积或者水线等面积也相当小。反之，水线上面积或者水线等面积相当小，意味着水线以上或水线上下体积小，因而储备浮力小。
22.本说明书前述第3项先变轮廓再下潜、双重作用减小风浪作用的方法，按照以上第21项说明，显然可以改为先减小储备浮力到接近于零而大于零，然后对平台施加向下拉力使之下潜，方法依然有效。
23.为了服务于本说明书上述第21项所述的改变储备浮力降低风浪载荷方法，提出一种平台结构，它包括可进水的第一舱室、不能进水的第二舱室；其中，所述第一舱室有通向外界的水密舱门，水密舱门下边缘的高度位置在上浮状态吃水线以上，与第一舱室底面等高，或者所述第一舱室具有注水排水装置，用于适应设施在作业储备浮力状态下，临界风浪环境下的风力及波浪载荷，以及设施在生存储备浮力状态下，所在水域最大风浪环境下的风力及波浪载荷。
24.为了服务于本说明书上述第21项所述的改变储备浮力再下潜的降低风浪载荷作用的方法，在以上第23项所述平台结构的基础上增加拉力装置，所述拉力装置是通过绳索或链条连接锚或重物的卷扬机，或者是具有垂直轴向或可变轴向的螺旋桨；所述拉力装置可以全部或部分与所述平台的定位装置合并，用于适应设施在作业储备浮力状态下，临界以下风力及波浪载荷，以及设施在生存储备浮力状态下，处于设计规定下潜得度位置时，所在水域最大风浪环境下的风力及波浪载荷。
25.利用以上第21至24项所述的各种技术，可以构建跨度相当大的平台，它在作业时整体刚性状态好、平稳性好、有必要的承载能力。这种大跨度平台具有以下特征轻型构架的主体由管材及管形结构组成，部分或全部第一舱室及第二舱室布置在所述中空结构内；浮动设施在水平面内各方向的跨度大于所在水域临界波浪的波长；以及，所述水上浮动设施在具有作业储备浮力的上浮状态下，其吃水线水平面内结构轮廓的包络线范围内存在大面积水面，水面面积为包络线范围总面积的80％以上。
26.作为对以上第23及24项所述平台进一步的改进结构，本设施所述轻型构架可以分为2个以上(例如8至10个)相对独立的小跨度构件块，相邻构件块用可拆的变自由度连接装置连接。
27.变自由度连接装置的具体说明见以上第12项有关说明。
下面结合附图进一步补充说明本发明的技术方案及其优选实施例。


图1.本发明水上浮动平台整体结构侧视示意图；图2.图1之水面结构部分俯视示意图；图3.图2之A-A剖视图；图4.水上浮动平台作为游乐宾馆设施时，正常使用状态下的水上结构示意图；图5.变自由度连接例一，固定连接；图6.变自由度连接例一，固定连接，图5之L向俯视图；图7.变自由度连接例一，三个转动自由度连接；图8.变自由度连接例二，固定连接；图9.变自由度连接例二，六自由度连接；图10.具有浮子及卷扬机的深度控制装置；图11.移位机构实施例原理示意。
图12.平台下潜避风浪状态示意；图13至15.水线面积的概念说明(用于术语定义)。
图17及18.水上浮动平台的变型。
具体实施例方式
及例根据图1所示水面作业平台整体结构侧视示意图，水上浮动平台1处在上浮位置，它的一部分高于水面5，一部分在水面以下。水上浮动平台1有定位装置，包括若干卷扬机2、绳缆或链条3、重物4及锚4’。
图2是水上浮动平台的俯视图，按水上宾馆设施示出。
根据图2及图3所示，除卷扬机2、绳缆或链条3外，所述平台还具有充满轻质材料的第二舱室6、可以进水的第一舱室7及水密舱门8，以及根据进水、泄水需要设置的控制空气进出的气阀9。平台上有作业面10。从图中可见第一舱室7的底面与水密舱门8的下边沿等高。当水密舱门关闭时，该舱室具有大体积轮廓，平台作业吃水线的水线上面积8较大。当水密舱门8开启时，外界水面5的相对高度决定第一舱室7处于进水或泄水状态，即外界的水可以自由进出。这时，平台的作业吃水线的水线上面积减小，整个平台的储备浮力也减小。因此本平台具有变轮廓特性。当第一舱室7排空而水密舱门8关闭时，即使由于某种原因使外界水面5高于第一舱室7的底面，外界的水也不能进入第一舱室7，因而它可以保持排空状态，从而整个平台具有较大的储备浮力。当水密舱门8开启时，卷扬机收紧绳缆或链条3，使后者向平台1施加向下拉力，可以使平台1下潜。这时，外界的水可以自行进入该舱室。反之，上浮操作时，水可以自行流出。因此，平台1可以采用本发明前述的下潜方法下潜或上浮。
重物4可以是大型水泥构件。重物4及锚4’的数量，其位置布置，以及重物4与水底有固定连接或无固定连接，均根据平台1及水体环境的具体情况决定。
有功能需要时可设置密封的、可分离下沉舱室4”及其升降装置，用于例如危险品贮存，便于放置在水底，需要时提升。它可与重物4及其升降装置合并，使之具有双重功能，以便降低造价。图12示出有一个可下沉舱室处在升起位置，另一个处在下沉位置。
图4是利用本发明的平台作为水上浮动宾馆设施，其水面以上结构的示意图。结合图2，水上浮动设施主体1作为一个大跨度、高刚度轻型浮动平台，其上建有观光塔11，还有众多水上、水下(包括潜水)游乐设备以及各种照明装饰(未示出)。两艘宾馆船12系泊在设施主体1上。
本实施例所示平台的一种具体结构，所设置的主体1呈三角形轮廓，跨度即三角形边长220米。主体1的水上及水下部分总高10至15米，观光塔高约40米。
关于平台主体1的结构、该平台采用本发明的降低风浪载荷方法，以及它们的有益效果等，均已如前述，此处不重复。
所述宾馆船12长100米，宽25米，排水量4000吨，两艘共8000吨，每艘有标准客房200间，两艘共400间，并有若干娱乐厅室及设备。宾馆船12与平台主体1之间的系留装置使船体与平台基本上连成整体(系留装置的细节结构不在本专利范围之内)，因而船体只能与主体一起在水中摆动，不能独立摆动。由于设施跨度220米大于船体长度100米，更远远大于船体宽度25米，因而连成整体后大大提为了船体三个摆动自由度的稳定性。作为居住设施，高度平稳是非常必要的。
该游乐设施可以布置在近海水域。临界波浪最大浪高4米，或6级海况。在临界以上波浪环境下下潜30米。在下潜前令宾馆船系离，回港避风浪。在下潜状态下，观光塔上部露出在水面以上，该上部设有值勤室及应急控制中心。
上述游乐游乐宾馆平台可以采用变型平台结构，见图16及17。平台1上方有子平台41，用立柱42与平台1连接，立柱42下端有浮子单元44。整个结构可以利用斜拉绳缆43提高总体形状刚度。图16表示临界风浪环境中正常作业活动状态(水线5在正常作业位置)，图17表示平台1下潜避风浪，子平台41上升离开波浪表面5(避浪)的状态。
图5、6个7示出变自由度连接结构之一例。构件块1A及1B之间有球铰13，图7表示构件块1A与1B具有三个相对转动自由度的连接状态。这时，构件块1B上铰接的摆动件14与构件块1A之间无刚性连接关系。图5表示构件块1A与1B之间有固定连接关系(不能相对运动，运动自由度为零)。这时摆动件14的连接头14a进入构件块1A上的连接件15的槽内，并用图中未示出的刚性连接件(如螺栓、销、止动块等)限位，不能从槽中脱出。
摆动件14有曲柄14b。当连接头14a未被限位时，构件块1B上的绞盘17经绳缆16拉曲柄14b从图5所示位置顺时针转动，可使连接头14a离开连接件15的槽，即图7所示状态。这是该变自由度连接从零自由度向三自由度转变的过程。
从图7所示状态出发，构件块1A上的绞盘19经绳缆18拉连接头14a进入连接块15的槽中，然后加以限位，就是从三自由度向零自由度的转变。
上述变自由度连接可称为3-0变自由度连接。
上述结构中的球铰用一对同轴线的圆柱销铰代替，就是1-0变自由度连接。
图8及9为6-0变自由度连接之一例。构件块1A及1B上分别有锥窝件22及锥头件21各三件，图中只示出各一件；它们之间还有不少于三个螺栓连接25，图中也只示出一件。图8中当螺栓连接25有效时，构件块1A与1B不能相对运动。图9表示当螺栓连接25被拆解时，构件块1A与1B间经三条绳缆23(图中只示出一条)互相联系。这时相对运动自由度为6。当绞盘24卷绕绳缆23时，两构件块互相靠拢，锥窝件22与锥头件21吻合定位，使螺栓25连接可以方便地恢复。绳缆23可以考虑穿过锥头、锥窝的中央孔，绞盘可以选用有自锁功能的蜗轮蜗杆传动，这些都是实用性细节。
以上举出了1-0、3-0、6-0变自由度连接的结构例。利用机械技术中的惯用手段，不难设计从1-0至6-0等各种变自由度连接。
各种变自由度连接结构都不难采用机械技术中的可拆结构，即它们与构件1A及1B不全是永久连接(如焊接)，至少有一侧(1A侧或1B侧)是可拆解的。当变自由度连接结构至少与一侧构件块分离时，相邻构件块完全分离，互无联系。此外，有功能需要时，球铰13可以考虑采用快速离合结构，类似于铁路车辆连接器(但接合后应允许三自由度运动)，也属于实用性细节。
图10示出具有浮子及卷扬机的深度控制装置。平台1上安装卷扬机2’，浮子25浮于水面，绳缆或链条3从重物4’向上经过卷扬机与浮子25连接。
图11示出卷扬机结构的一个例子。绳缆或链条3在卷扬机2’的驱动轮(绳轮或链轮)26及惰轮27上绕过。当图中未表示的驱动机构使驱动轮转动时，可以改变卷扬机2’相对于绳缆或链条3的位置，从而改变平台1相对于绳缆或链条3(以及重物4’)的位置，即改变平台相对于水面的位置。但卷扬机不改变浮子25相对于重物4’的位置；只有在绳缆或链条3倾斜而非垂直布置时，平台上下移动将引起浮子高度位置的少量变动。图11的惰轮27的作用是增大缆绳或链条3在驱动轮27上的包角。
带浮子25及卷扬机2’的深度控制装置的一个优点可说明如下。浮子25的浮力有利于平台在避风浪下潜时的稳定。当平台的生存储备浮力接近于零(特别是如果它略小于零)时，防倾复是值得注意的问题，适当布置浮子25，即使在很大风浪环境里，即使浮子有一定的上下运动幅度，仍然可以使平台的摆动限制在一定范围内。这个浮子如果直接与平台1连接，则平台下潜时浮子也同样下潜，深度控制装置的功率就要加大。将浮子连接于绳缆或链条3，平台下沉时浮子基本上不下沉，浮子的浮力不做功，就降低了深度控制装置的功率要求，有利于该装置的轻量化。
所述卷扬机还可以由两个普通卷扬机组成。其中，一个卷扬机用绳或链连接平台与锚或重物，控制平台的深度；另一个连接平台与浮子，在平台改变深度时保持浮子不动或基本不动。
此外，所述卷扬机还可以采用两个普通卷扬机，公用一个原动机同步工作。它利用平台上方、下方两段绳或链的张力抵消，可以大大减小所需功率(与图11机构效果相当)。
现场装配的方法及结构已如前述，不再赘述。
显而易见，在不脱离本发明实质的前提下，可以有各种不同的浮动设施结构，并不局限于上述实施例所公开的结构。
权利要求
1.水上浮动平台的一种使用方法，其特征在于，通过改变平台结构轮廓的水线面积，减小平台的系统结构在恶劣环境下承受的波浪载荷作用，即，在临界以下波浪环境下，使平台具有相当大的水线等面积或水线上面积，使平台具有正常作业能力；在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台具有相当小的水线等面积或水线上面积，以便减小平台的系统结构承受的波浪载荷作用。
2.水上浮动平台的一种使用方法，其特征在于，通过平台的适当下潜即改变平台相对于水面的位置，减小平台的系统结构在恶劣环境下承受的风载及浪载的作用，即，在临界以下波浪环境下，使平台位于正常作业位置；在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台下潜到设计规定的深度，以便减小平台的系统结构承受的风浪载荷作用。
3.权利要求1所述的水上浮动平台的一种使用方法，其特征在于，在可能出现临界以上波浪的环境下，在使平台具有相当小的水线等面积或水线上面积的情况下，使平台下潜到设计规定的深度，以便进一步减小平台的系统结构承受的波浪载荷作用。
4.水上浮动平台的一种使用方法，其特征在于，通过改变平台的整体刚性，减小平台结构在恶劣环境下承受的风浪载荷作用，即，在临界以下波浪环境下，使平台具有良好的整体刚性，使平台具有正常作业能力；在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台改变为跨度较小的构件块，相邻构件块之间为活动连接，以便减小平台结构承受的风浪载荷作用。
5.一种水上浮动平台，其主体为轻型构架，采用权利要求1所述使用方法，其特征在于所述平台具有变轮廓结构，即，所述平台结构至少有两种不同的轮廓形状，各具有不同的水线面积；至少有一种轮廓1具有作业需要的水线等面积或水线上面积；至少还有一种轮廓2具有远远小于作业需要的水线等面积或水线上面积，可以大幅度减小平台的系统结构承受的波浪载荷作用。
6.权利要求5所述的水上浮动平台，其特征在于具有变轮廓结构A，即，所述平台包括可进水的第一舱室，所述第一舱室位于作业状态吃水线之上；所述第一舱室有通向外界的水密舱门，第一舱室底面及水密舱门下边缘的高度位置在作业状态吃水线附近；关闭水密舱门时，平台具有所述轮廓1，可以使该舱室具有最大的水线上面积。开启水密舱门时，平台具有所述轮廓2，可以减小该舱室的水线上面积。
7.权利要求5所述的水上浮动平台，其特征在于具有变轮廓结构B，即，所述平台包括可进水的第一舱室，所述第一舱室一部分位于作业状态吃水线之上，一部分位于作业状态吃水线之下；所述第一舱室有通向外界的水密舱门及排水装置，第一舱室底面及水密舱门下边缘的高度位置在作业状态吃水线以下；关闭水密舱门时，平台具有所述轮廓1，可以使该舱室具有最大的水线上面积；开启水密舱门时，平台具有所述轮廓2，可以减小该舱室的水线上面积。
8.权利要求5所述的水上浮动平台，其特征在于具有变轮廓结构C，即，所述平台包括舱壁为柔性材料的柔性舱室及充气排气装置，所述柔性舱室位于水面附近；所述柔性舱室充气膨胀时，平台具有所述轮廓1，可以使该舱室具有最大的水线面积；所述柔性舱室排气收缩时，平台具有所述轮廓2，可以减小该舱室的水线上面积。
9.权利要求5所述的水上浮动平台，其特征在于具有变轮廓结构D，即，所述平台包括可分离舱室，所述可分离舱室位于水面附近；所述可分离舱室固定于平台时，平台具有所述轮廓1，可以使该舱室具有最大的水线面积；所述可分离舱室脱离平台时，平台具有所述轮廓2，可以减小该舱室的水线面积。
10.根据权利要求5所述水面作业平台，其特征在于，所述平台由框架及浮力舱室组成；所述框架具有略大于自身重力的浮力，所述浮力舱室提供平台作业所需浮力；所述框架是空间网架结构，可划分为若干组件，以及组件之间的连接件；各个所述组件比重小于1，由杆件及专用节点件组成，杆件与节点件之间为易装配连接。
11.根据权利要求10所述水面作业平台，其特征在于，所述浮力舱室为权利要求6至9所述的第一舱室、柔性舱室或/及可分离舱室。
12.一种水上浮动平台，其主体为轻型构架，采用权利要求2所述使用方法，其特征在于所述平台具有深度控制装置，可以改变平台相对于水面的位置。
13.权利要求12所述的水上浮动平台，其特征在于，所述深度控制装置包括，通过绳索或链条连接锚、桩或重物的卷扬机、通过绳索或链条连接浮子的卷扬机、通过绳索或链条既连接锚、桩或重物又连接浮子的卷扬机、推进器、或者/以及压舱水装置；所述锚、桩或重物稳定地位于水底，可以经绳索或链对平台施加向下拉力；所述深度控制装置可以全部或部分与所述平台的定位装置合并；所述浮子稳定地或基本上稳定地浮于水面，可以经绳索或链对平台施加向上拉力；平台改变上浮或下潜位置时浮子位置基本不变。
14.权利要求12所述的水上浮动平台，其特征在于，所述平台具有若干可分离的子平台，所述平台与所述子平台之间有立柱连接，所述立柱与所述平台正交或斜交，所述立柱相对于所述平台可以沿立柱方向移动，有升降装置控制所述子平台与所述平台的相对移动位置。
15.权利要求14所述的水上浮动平台，其特征在于，所述立柱下端与一个浮子单元连接，所述立柱运动时与所述浮子单元作为一个整体一起运动。
16.权利要求14所述的水上浮动平台的一种使用方法，其特征在于，在所述平台按照权利要求2所述使用方法下潜减小风浪载荷时，令所述子平台沿立柱方向相对于所述平台垂直或斜向向上移动，使所述子平台的底面离开水面一个距离，以便减小由所述平台、所述子平台及所述立柱组成的整个平台系统的水线面积，减小波浪对所述平台系统的作用。
17.权利要求12所述的水上浮动平台，其特征在于，所述平台具有若干可分离的子平台，所述平台与所述子平台之间为可拆解的固定连接，拆解分离后所述平台与所述子平台之间可以有链、绳联系。
18.权利要求17所述的水上浮动平台的一种使用方法，其特征在于，在所述平台按照权利要求2所述使用方法下潜减小风浪载荷时，所述子平台可以分离、不下潜。
19.一种水上浮动平台，其主体为轻型构架，采用权利要求4所述使用方法，其特征在于，所述平台由2个以上较小跨度的构体块组成，相邻构件块用变自由度连接装置连接；所述变自由度连接装置至少具有两种连接状态，包括相邻构件块相对运动自由度为零的固定连接，以及相邻构件块可以相对运动的活动连接；所述活动连接至少具有1个转动自由度，至多可具有6个运动自由度，或解体完全分离。
20.根据权利要求5至15、17及19中任一项所述水面作业平台，其特征在于，平台在水平面内各方向的跨度大于所在水域临界波浪的波长；平台在作业状态下，其吃水线水平面内结构轮廓的包络线范围内存在大面积水面，水面面积为包络线范围总面积的80％以上。
21.水上浮动平台的一种降低风浪载荷方法，其特征在于，通过改变平台的储备浮力，提高平台在波浪中的安全性，即，在可能出现临界以上波浪的环境下，使平台具有相当小而大于零的生存储备浮力，以便降低波浪载荷；在临界以下波浪环境下，使平台具有相当大的作业储备浮力，使设施具有正常作业能力。
22.根据权利要求21所述的降低风浪载荷方法，其特征在于，在可能出现临界以上风和浪的环境下，在使平台具有相当小而大于零的生存储备浮力的同时，设置外来的向下拉力，使之作用于浮动平台，使平台下潜到设计规定的下潜深度，以便进一步降低风载荷和波浪载荷。
23.一种水上浮动平台，适用于根据权利要求21所述的降低风浪载荷方法，由轻型构架结构组成，其特征在于，它包括可进水的第一舱室、不能进水的第二舱室；其中，所述第一舱室有通向外界的水密舱门，水密舱门下边缘的高度位置在上浮状态吃水线以上，与第一舱室底面等高，或者所述第一舱室具有注水排水装置，用于适应平台在作业储备浮力状态下，临界风浪环境下的风力及波浪载荷，以及平台在生存储备浮力状态下，所在水域最大风浪环境下的风力及波浪载荷。
24.一种水上浮动平台，适用于根据权利要求22所述的降低风浪载荷方法，由轻型构架结构组成，其特征在于，它包括可进水的第一舱室、不能进水的第二舱室、拉力装置；所述第一舱室有通向外界的水密舱门，水密舱门下边缘的高度位置在上浮状态吃水线以上，与第一舱室底面等高；或者所述第一舱室具有注水排水装置；所述拉力装置是通过绳索或链条连接锚或重物的卷扬机，或者是具有垂直轴向或可变轴向的螺旋桨；所述拉力装置可以全部或部分与所述平台的定位装置合并，用于适应平台处于作业储备浮力条件下，临界以下风力及波浪载荷，以及平台处于生存储备浮力条件下，处于设计规定下潜深度位置时，所在水域的最大风力及波浪载荷。
25.根据权利要求23或24所述水上浮动平台，其特征在于，所述轻型构架的主体由管材及管形结构组成，部分或全部第一舱室及第二舱室布置在所述中空结构内；浮动平台在水平面内各方向的跨度大于所在水域临界波浪的波长；以及，所述水上浮动平台在具有作业储备浮力的上浮状态下，其吃水线水平面内结构轮廓的包络线范围内存在大面积水面，水面面积为包络线范围总面积的80％以上。
26.根据权利要求23或24所述水上浮动平台，其特征在于，所述轻型构架分为2个以上相对独立的较小跨度构件块，相邻构件块用变自由度连接装置连接。
27.根据权利要求25所述水上浮动平台，其特征在于，所述变自由度连接装置在连接时有两种连接状态，包括相邻构件块相对运动自由度为零的固定连接以及相邻构件块可以相对运动的多自由度连接，所述多自由度连接至少具有3个转动自由度，或者拆解后各构件块完全分离互无联系。
全文摘要
水上浮动平台降低风浪载荷作用的使用方法是，在临界以上风浪中，令平台具有较小的水线面积或储备浮力，或使之下潜，或使之分为小跨度构件块，以便降低风浪载荷作用；在临界以下风浪中，令平台具有较大的水线面积或储备浮力，并保持良好整体刚性结构，以便具有保持正常上浮状态下的作业能力。本平台具有轮廓或浮力可变的结构，具有下潜深度控制装置，具有分块变自由度连接的结构，以便采用所述降低风浪载荷的使用方法。本平台的系统结构的强度只需抗御降低了的风浪载荷作用，因而结构大幅度轻量化。本发明特别可以提供大跨度、大面积、作业时具有高整体刚度的平台。
文档编号B63B43/00GK1453184SQ02125379
公开日2003年11月5日 申请日期2002年7月30日 优先权日2002年4月25日
发明者袁晓纪 申请人:袁晓纪