一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种海洋浮式结构体系，具体地说是一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，应用范围包括海洋采油平台、海上加工平台、海上风力机基础平台、海上酒店以及海上施工平台。
【背景技术】
[0002]在海洋工程领域，浮式结构作为海上施工作业、生产加工与存储的基础平台现已受到广泛关注。早在1937年世界上出现了最早的活动式平台:驳船式钻井平台，随后又出现了半潜式钻井平台。随着工作水深的不断增加，张力腿式平台(TLP)、独柱式平台(Spar)、浮(船)式生产储运装置(FPSO)等相继被推出，现在超大型浮式结构物(VLFS)也开始出现。尽管上述这些平台结构的出现可以满足多数的海上生产作业要求，但是均存在结构施工建造繁琐、自重大、成本高抗风浪能力差等缺点。现在人们借鉴传统桁架的优点，开发出了较多的轻型浮体结构。如专利号为200720059012.7的一种构建水上浮屋的基础，直接在桁架结构中塞入了气囊，虽然起到了承载与提供浮力的作用，但是却忽略了桁架中杆件不能受弯的这一基本力学概念，从而大大降低了结构的承载能力。专利号为200310103471.7与200410004398.2的发明，虽然将桁架引入了浮体结构中，但是提供浮力的浮体仍为传统的刚性壳体结构，该发明与传统的多体船类似，当整个结构的平面面积较大时，大直径的刚性壳体将会增加施工建造的难度，且壳体的稳定性能也不能很好地满足，此外各个浮体之间由于波浪输入相位差的存在会对上部结构造成较大的应力，上部桁架的刚度也很难得到保证。专利号为200920003571.5的发明，将框架与填充发泡材料的浮体通过铰链结合在一起，铰链连接的难度较大且铰链与浮体的连接性能得不到保证；此外，这种浮体由于只能用于水面之上所以其组成的结构耐波性能较差，甚至会发生随波晃动的现象。此外还有海洋工程浮式网架结构，该类结构的出现虽然可降低施工难度，结构规模也可满足不同工程的要求，但其仅依赖连接空心节点提供浮力，随着浮力要求的增加，球节点的直径、壁厚也要增大，极易出现节点直径超过构件有效长度的不现实情况。总体来说，现有发明基本存在如下几点不足:1)、改变了桁架结构中构件主要承受轴向荷载的现状，从而丧失了桁架结构质量轻、强度高的优点。2)、提供浮力的浮体承压能力严重不足，需要较大的壁厚以及复杂的构造来提高其承压能力，在大型平台结构中浮体质轻强高的优点也将消失。
[0003]针对上述不足，本发明提出了一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，通过气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)的加入保留了空间桁架质轻、高强、建造方便、规模扩展便捷的优点，也保证了气囊与桁架之间受力的顺利传递。通过椭球状气囊￠)内部气压与外部水压进行部分平衡，可以降低气囊本身的应力，进而克服了传统浮体结构承压能力提高困难的现状。此外，气囊梁式桁架与传统空间立体桁架相互连接可以形成任意面积大小、任意空间刚度、任意浮力大小的海洋平台结构。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种用于海洋工程中的浮式结构，即一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架。实现以较少的材料形成可以满足浮力要求、结构强度要求、工程项目操作空间要求的结构体系。同时借助空间桁架施工建造方便的特点，形成规模超大的海洋结构物。此外通过对椭球状气囊出)的布置数量来调整整个结构的浮力。
[0005]为了达到上述目的，本发明提供的一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，由气囊梁代替空间立体桁架中η榀纵向平面桁架中的腹杆层所形成。整个气囊梁式桁架中可包含I?3个气囊梁。
[0006]上述的气囊梁式桁架中，由纵向弦杆⑴、纵向斜腹杆(3)、竖腹杆(5)形成的纵向平面桁架和由横向弦杆(2)、横向斜腹杆(4)与竖腹杆(5)形成的横向平面桁架通过正交正放的形式构成气囊梁式桁架的骨架。
[0007]上述的气囊梁式桁架，其中，纵向弦杆(I)从浮体结构的一端延伸到另一端并不间断，横向弦杆(2)在纵向弦杆(I)的位置处间断，并以相贯节点的形式焊接于纵向弦杆
(I)的侧壁。纵向弦杆⑴与横向弦杆⑵相互连接构成浮体结构的弦杆层。
[0008]上述的气囊梁式桁架，其中，竖腹杆(5)在纵向弦杆⑴的位置处间断，间断的竖腹杆(5)分别与上下两端的纵向弦杆(I)通过相贯节点连接，竖腹杆(5)可将多个弦杆层连成整体共同受力。
[0009]上述的气囊梁式桁架，其中，横向斜腹杆(4)在横向弦杆(2)与竖腹杆(5)形成的相贯节点处间断，其两端分别与上下两根横向弦杆(2)以及左右两根竖腹杆(5)通过相贯节点相连。横向斜腹杆(4)与竖腹杆(5)形成横向平面桁架的腹杆层起到传递结构剪力与连接弦杆层的作用。
[0010]上述的气囊梁式桁架，其中，纵向斜腹杆(3)在纵向弦杆(I)与竖腹杆(5)形成的相贯节点处间断，其两端分别与上下两根纵向弦杆(I)以及左右两根竖腹杆(5)通过相贯节点相连。纵向斜腹杆(3)与竖腹杆(5)形成纵向平面桁架的腹杆层起到传递结构剪力与连接弦杆层的作用。在布置气囊梁的位置处，纵向斜腹杆(3)与竖腹杆(5)形成的腹杆层被气囊梁代替。
[0011]上述的气囊梁式桁架，其中，气囊梁由椭球状气囊￠)、气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)、上弧梁撑杆(9)、下弧梁撑杆(10)与气囊套箍(11)构成。
[0012]上述的气囊梁式桁架，其中，椭球状气囊(6)为中间大两头小的椭球状，气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)与气囊套箍(11)的形状与椭球状气囊(6)完全一致。椭球状有助于气囊在受到纵向荷载后仍可牢固地卡在气囊上弧梁(7)、气囊下弧梁(8)与气囊套箍(11)形成的囊腔内；同时中间大两头小的椭球状气囊梁也符合船梁单元跨中弯矩大两端弯矩小的特点，受力更加合理。
[0013]上述的气囊梁式桁架，其中，气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)通过气囊套箍(11)以相贯节点连接形成整个气囊梁的框架，为椭球状气囊(6)形成形状大小匹配的囊腔。固定于囊腔内的椭球状气囊(6)充气后除了为结构提供浮力外，也起到连接气囊上弧梁(7)与气囊下弧梁(8)的作用，保证其共同受力。
[0014]上述的气囊梁式桁架，其中，气囊套箍(11)与气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)的侧壁相连；气囊套箍(11)在平面上位于相邻两榀横向平面桁架中点的位置上；气囊套箍(11)限制了椭球状气囊￠)的侧向变形与位移，保证了椭球状气囊(6)可以在原位安全工作。
[0015]上述的气囊梁式桁架，其中，气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)的引入避免了桁架中杆件承受轴线外荷载的可能，上弧梁撑杆(9)与下弧梁撑杆(10)将气囊梁与桁架结合在了一起，让桁架与气囊的各自优点都得到了完整的继承。
[0016]上述的气囊梁式桁架，气囊内充入一定气压的空气后才能形成具有足够浮力且可承受外载的结构体系。
[0017]上述的气囊梁式桁架，其中，椭球状气囊(6)沿整个气囊梁的方向设置气室分割装置，将气囊分割成多个独立的气室，各个气室单独设置气体灌注口，以降低气囊局部破损时对整个结构的影响。
[0018]上述的气囊梁式桁架与空间立体桁架可以沿横向相互连接扩展以达到海洋平台在面积方面的要求，也可以沿竖向相互连接扩展满足在浮力和强度方面的要求。
[0019]上述的气囊梁式桁架宜布置在水面之下一定的深度，以降低其对波浪运动的阻挡，提高结构的耐波性能；气囊梁式桁架不能密布于水线的位置处，以免形成较大的水线面降低结构的耐波性能。
[0020]上述的气囊梁式桁架，其中，椭球状气囊￠)的内部气压qn可随气囊水深处的外部水压力qw大小调节确定，始终保持气囊内外压力差最小(即:min|qn-qw|)，使气囊产生的自应力最小，这样即可有效避免传统浮式结构完全依靠自身结构来克服外部水压力的缺点，低应力水平也有助于延长气囊的使用寿命。
[0021]上述的气囊梁式桁架，其中，上弧梁撑杆(9)与下弧梁撑杆(10)的高低由桁架弦杆与气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)之间的距离决定，其位置位于横向平面桁架竖腹杆
(5)对应的位置处。
[0022]本发明提供了一种用于大型海洋平台的气囊梁式桁架，将气囊结构自重小、浮力性能好与桁架结构空间刚度大、加工制作简单的优点结合在了一起。
[0023]整个气囊梁式桁架基本由几类标准构件组成，桁架结构加工装配效率高的优点得到了继承。此外，气囊上弧梁(7)和气囊下弧梁(8)的采用，也有效地避免了桁架结构中构件承受非轴向荷载的可能，使桁架结构受力性能好的优点也得到了继承。椭球状气囊(6)的引入使构造出的气囊梁更加符合船梁的受力特点，从而使气囊在承受荷载与提供浮力方面的优点得到了完美的继承。调节气囊内部气压使其与外部水压之差降低的方法更加体现了气囊作为浮体较刚性浮体的优点所在。此外，由气囊梁式桁架组成的大型海洋平台在水线面附近拥有大量的空隙，波浪仍可在未完全阻挡的情况下运动，所以结构