超大型海洋浮式结构物概念设计的关键技术问题

　　文章编号: 100529865 (2001) 0120001206 超大型海洋浮式结构物概念设计的关键技术问题Ξ 王志军, 舒　志, 李润培, 杨建民 (上海交通大学 船舶与海洋工程学院, 上海　200030) 摘　要: 应用超大型海洋浮式结构物进行海洋空间利用和海洋资源开发, 是目前海洋工程界的研究热点。概念设计是超大型 海洋浮式结构物研究的基础。本文从设计准则、结构型式、建造材料、模块连接器、系泊系统等几个方面对概念设计的关键技 术问题作了归纳, 对超大型海洋浮式结构物的概念设计有一定的参考价值。 关键词: 超大型海洋浮式结构物; 概念设计 中图分类号: U 66111; U 66114　　　文献标识码: A T echn ica l p rob lem s in the concep tua l design of very la rge floa t ing st ructu res W AN G Zh i2jun, SHU Zh i, L I R un2pei, YAN G J ian2m in (Schoo l of N aval A rch itectu re and O cean Engineering, Shanghai J iao tong U niversity, Shanghai 200030, Ch ina) Abstract: T he utilizat ion of very large floating structu res in the use of ocean space and developm ent of ocean resources is regarded as a focus of atten tion in ocean engineering circles. T he research of very large floating structu res is based on the concep tual design. In th is paper, several key techn ical p rob lem s are summ arized concern ing design criteria, structu ral shapes, structu ral m ateria ls, connecto r betw een modules and moo ring system s. T he paper w ill be helpfu l to the concep tual design of very large floating structu res. Key words: very large floating structu res; concep tual design 应用超大型海洋浮式结构物VL FS (very large float ing structu res)进行海洋空间利用和海洋资源开发, 已成为海洋工程界的研究热点。尽管超大型海洋浮式结构物还没有明确定义, 但普遍认为是指那些尺度以公 里计的浮式海洋结构物, 区别于目前尺度以百米计的船舶和海洋工程结构物。选择超大型海洋浮式结构物进 行海洋开发是由于它与其他工程项目 (如填海) 相比, 具有可移动性、受地震冲击小、对环境影响小和经济性 好等优点[1, 2 ]。 早在 1924 年, 美国的 Edw ard R A rm strong 就曾设想在大西洋中建造一个大型浮式平台 (arm strong seadrom e) [3 ] , 以便给来往于欧洲和美国之间的飞机补充燃料。其设想的结构包括小水线面的浮箱 (pon toon) 和支撑上部平台的立柱 (co lum n) , 以减小其在波浪上的运动, 这些准则直到今天仍用于可移动式海洋钻井 平台的设计。这以后人们对VL FS 的构想越来越活跃, 包括建设海上机场[2 ]、海上发电厂[4 ]、海上废物处理 厂[5 ]和海上军事基地[6, 3 ]等。 目前, 对VL FS 研究得最广泛和深入的是日本和美国。日本国土狭窄, 平原面积小, 人口众多, 具有很长 的海岸线和许多远离本土位于太平洋中的小岛。根据联合国海洋法, 日本拥有 451km 2 的海洋专属经济区 第 19 卷第 1 期 2001 年 2 月 海 洋 工 程 OCEAN EN G IN EER IN G V o l119 N o11 Feb. , 2001 Ξ 收稿日期: 2000205208 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 (50039010) 作者简介: 王志军 (1966- ) , 男, 江苏东台人, 讲师, 主要从事船舶与海洋结构物设计制造研究。 (EEZ) , 是日本本土面积的 12 倍。因此, 日本政府历来十分重视海洋资源的开发和利用。日本于 1973 年为建 造关西 (kan sai) 国际机场, 提出 K IA 计划 (kan sai in ternat ional a irpo rt) , 进行超大型海洋浮式结构物 (在日 本叫做m ega2f loa t)作为浮动机场的可行性研究。K IA 前期计划的浮动机场由主跑道和辅助跑道组成, 主跑 道长 5 000m、宽 840m , 辅助跑道长 4 000m、宽 410m , 采用的是半潜式结构。K IA 后期计划与前期计划相比 最大的差别就是采用了箱型结构型式, 以降低建造成本, 为了改善其在波浪中的运动特性, 在超大型海洋浮 式结构物外围设置了一道防波堤 (b reakw aters) [7 ]。1999 年 8 月 4 日日本在神奈川县横须贺港海面上建成了 一个海上漂浮机场, 如图 1。这个海上漂浮机场是 1995 年开始研制的, 它由 6 块长 380m、宽 60m、厚 3m 的模 块焊接而成, 有一条 1 000 多米长、最宽处达 120m 的起降跑道。该机场于 2000 年进行飞机起降试验, 成功后 将其拆除。该机场具有很大的军事价值, 战时可以作为支援作战飞机的移动基地使用。 美国自第二次世界大战后, 为了维护其世界霸主地位, 建立了一个遍布世界各地的海外军事基地网, 沙 漠盾牌ö风暴行动表明, 作战部队和军事装备的快速移动性对打赢一场局部战争起到决定性的作用。但近 20 年来, 由于社会、政治和经济等方面的原因, 美国的海外基地数量不断减少, 功能不断削弱, 并且这种趋势还 将继续下去。因此美国工业界、学术界和政府有关部门的专家认为必须利用高技术, 发展一种可快速布置到 预定海域的海上后勤基地, 以减少对海外基地的依赖。1992 年美国国防部从其预算中拨出专款进行可移动 式离岸基地M OB (the mob ile offsho re base) 的研究,M OB 是一种多功能、可安置在近海或国际水域的浮动 的后勤基地, 它是由可自航的若干模块在海上拼装而成, 可以为固定翼战斗机和直升机提供跑道。除此之外, 由美国国家科学基金会资助夏威夷大学实施超大型海洋浮式结构的研究计划。最早的M OB 概念设计是由 B row n 和Roo t Inc 于 1993 年 7 月～ 1994 年 11 月完成的, 根据其设计, 整个M OB 是由六个半潜模块用刚性 连接器连成一个长 914m、宽 91m、型深 65m 的结构, 可以满足C- 130 飞机的起降要求。整个M OB 在风暴 吃水和转移吃水时, 可以分别以 31190m ös 和 41373m ös 的速度航行, 其设计寿命为 40 年。M cD ermo tt Inc 从 1995 年 9 月开始进行M cM OB 的概念设计, 它是由五个半潜模块用刚性连接器连成一个长 1 500m、宽 153m、型深 67m 的结构, 可以满足C- 17 飞机的起降要求。其使用吃水为 35m , 风暴吃水为 30m , 转移吃水 为 1018m。为了使M cM OB 的航速超过 51144m ös, 采用船型浮箱下体 (Sh ip s Shaped L ow er Pon toon H u lls) [6, 3 ] , 如图 2。 图 1　浮动机场艺术构想图 F ig. 1　A rtist concep tion of the floating airpo rt 图 2　可移动式离岸基地构想图 F ig. 2　T he concep tion of M OB 1　概念设计 超大型海洋浮式结构物由于尺度巨大和它所处的环境, 使它与普通海洋结构物不仅存在量上的不同, 而 且产生了质的差异。一个真正的超大型海洋浮式结构, 其主尺度长达数公里、宽达几百米, 其设计方法尚处于 研究阶段, 图 3 是 Ko ich iro Yo sh ida 建议的超大型海洋浮式结构物设计流程图, 它由三部分组成, 中间部分 代表连续的执行过程, 左边部分代表信息, 右边部分代表基础技术。 2 海　　洋　　工　　程 第 19 卷 图 3　超大型海洋浮式结构物设计流程图 F ig13　F low diagram fo r design ing very large floating structu res 3第 1 期 王志军, 等: 超大型海洋浮式结构物概念设计的关键技术问题 111　设计准则 目前还没有现成的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 、准则可以遵循, 一般是根据业主或海军工程师、国防部有关专家提出的设计要 求或设计参数进行设计, 然后采用直接计算法和模型试验对结构的安全性进行评估。首先, 预定工作海域的 环境条件数据, 包括气象、海洋、海床数据的收集, 这对超大型海洋浮式结构物的设计至关重要。其次为了创 造一个新的概念, 设计者需要具备尽可能多的现有实际结构的知识, 这是创造一个真正有效新概念的必要条 件。因此必须在对现有结构充分调查研究的基础上, 形成超大型海洋浮式结构物的概念。再其次, 超大型海 洋浮式结构物在海洋环境中服役, 有潜在的腐蚀、疲劳和砰击破坏的可能性。设计时必须考虑VL FS 在海上 服役的实际情况, 包括数值极大的循环波浪弯矩、剪力, 装卸作业或飞机起降作业出现意外情况时发生的撞 击, 驳船、船坞的碰撞, 内部爆炸、热应变、低温脆性、火灾、冰载荷的作用和海啸等。最后, 除了考虑VL FS 自 身的安全性和耐久性外, 还需要考虑VL FSö船和VL FSö飞机的操作界面。如船与VL FS 间的相对运动, 集 装箱的起吊作业, 滚装船与VL FS 间的通道, 飞机跑道的长度、宽度以及坡度等要求[7, 3, 8 ]。 112　结构选型 VL FS 通常有两种结构型式, 箱型 (pon toon type 或 box type 或m at2like) 和半潜式 ( sem i2subm ersib le type)。箱型浮体构造简单, 建造成本和维护费用较低, 一般可用于靠近海岸的平静水域, 日本的浮式机场就 是采用这种结构型式。而它在波浪中的运动特性, 可以通过在其外围建造防波堤减小波浪来解决。至于防波 堤的形式, 一般来讲, 浅水水域用传统的防波堤来保护, 较深水域用半潜式防波堤来保护。美国的M OB 由于 工作地点和工作环境变化较大, 且要求具备一定的自航能力, 因此对结构的航行性能和运动性能要求较高, 宜采用半潜式浮体结构型式, 虽然半潜式结构运动性能较好, 但它结构复杂, 且有大面积结构暴露在外, 它的 建造成本、防腐费用较高。因此结构的造型应从以下几个因素加以考虑: (1)用途; (2)对性能的要求; (3)全生 命期内的经济成本; (4)国家的工业基础, (5)对环境和生态的影响[1, 2, 4, 9 ]。 113　建造材料 人们利用钢材来建造船舶和海洋工程结构物的工程实践已持续了许多年, 从钢材材质、加工成型、焊接 连接的强度和可靠性等方面都积累了丰富的经验, 钢材的强度ö重量比较高, 因此这是VL FS 建造的首选材 料。但钢材在海水中存在防腐问题。日本K IA 先期计划中的浮动机场就是由钢浮箱和钢立柱支撑, 具有双甲 板结构, 其浸水部分用涂层和阴极保护来防腐, 飞溅区可以用钛合金衬层来保护, 关键连接部位的疲劳可靠 性可以通过加大该处的板厚来保证, 局部强度和局部冲击载荷可通过设置纵、横加强筋来保证。 除了用钢材建造VL FS 外, 还可以用混凝土来建造, 大量安装在北海的重力式混凝土平台就是最好的 例证。混凝土的防腐性能较好, 预应力处理对其抗疲劳是十分有效的, 特别是浸没在水中的结构, 在预制件的 接头处加涂环氧树脂可以保证其水密性, 但混凝土的强度ö重量比较低, 因此导致其结构自重较大, 随着高强 度混凝土的研制 (强度从 40～ 55M Pa 增加到 80～ 100M Pa) , 可以采用更轻、更经济的结构[10, 8 ]。 114　连接方式和连接器设计 11411　连接方式 超大型海洋浮式结构物由于尺寸巨大, 用途各异, 而且从维护和使用角度出发, 必然是模块化的。因此可 以研究出几种基本的模块形式, 然后在海上加以拼装。迄今为止, 由于焊接的强度、可靠性和已积累的丰富经 验, 它是连接模块结构的主要方式。但对于在恶劣环境中工作的浮体结构来说 (如M OB ) , 由于结构运动和现 场很难控制的工作条件, 将使焊接操作很费时, 并且可能产生过大的内部约束力、变形和制造精度的下降。对 连接操作来说, 与超大型海洋浮式结构物具有相同长度的浮桥的建造, 使人们积累了许多这方面的经验。完 工以后的长浮桥的失效主要是由于地震、风、碰撞等引起的, 但 30% 的失效是由于建筑连接不当引起的, 因 此, 机械连接器的易操作性使它成为焊接连接较好的替代方法之一。如果超大型海洋浮式结构物是由各自独 立的模块用机械连接器连接起来的, 当一个模块产生失效时, 它会只限于这一个浮体结构, 连接器能起到止 裂器的作用。为了保证结构长期服役, 维修是必不可少的, 使用这种很容易连接和再连接的机械连接器, 可使 预期的停工期缩短, 如果预先建造好替代结构, 连接到整个结构上, 更可以缩短停工期。 11412　连接器设计 M cM OB 是由 5 个长 300m 的模块在甲板平面铰接而成, 由于其船型浮箱下体深埋在水中, 因此它比一 般的水线面船受波浪的影响小, 波浪力也小, 然而, 即使单位长度的载荷很小, 但长达 1 500m 的结构将产生 4 海　　洋　　工　　程 第 19 卷 非常大的连接器载荷。另外, 尽管M cM OB 的每个模块可以看作为刚体, 但其总体柔性必须考虑, 由于动力 放大, 会产生附加的结构荷载和连接器荷载, 所有这些都对连接器设计提出了挑战。 M cM OB 在纵向由 8 个铰链连接器连接而成。它考虑了两种型式的连接器, 一种是刚性铰链连接器, 只 允许产生纵摇运动, 其他 5 个运动自由度被约束了。假定每个模块是作刚体运动并且不考虑模块之间的水动 力相互作用, 利用三维势流理论计算得到水动力系数后, 可以建立每个模块的运动方程, 经过计算, 可以得到 多种海况 SS (sea sta te)各种浪向下的连接器载荷曲线。可以发现, 在M cM OB 与波浪成 75°时连接器荷载最 大, 在 SS- 8 (H s= 15124m , T p = 2010s)时, 最大连接器荷载分别为 170 000t (纵向)、71 000t (垂向)和20 000t (横向)。另一种是具有纵向柔性的铰链连接器, 除了与刚性铰链连接器一样可以发生纵摇运动外, 还由于纵 向柔性 (因连接器本身柔性或结构的柔性引起) , 允许M cM OB 发生水平弯曲, 经过与刚性连接器同样的处 理计算后, 可以得到不同连接器柔性条件下四个浪向的连接器轴向载荷曲线, 同样在M cM OB 与波浪成 75° 时连接器荷载最大, 当连接器刚度在 1127×106kN öm～ 1114×107kN öm 范围内变化时, 出现了严重的动力 放大, 连接器柔性约为 312×106kN öm 时, 最大轴向荷载达到 450 000t (SS- 8 时)。为了减小连接器的设计 荷载, 建议: (1) 在 SS- 7 (H s= 715m , T p = 15124s) 时, 使M OB 各模块脱开; (2) 在M OB 结构ö连接器设计 时, 注意其刚度的选择, 避免出现过大的动力放大; (3)利用M OB 各模块的动力定位系统, 使M OB 与波浪的 夹角保持在±45°的范围内[11, 3, 12 ]。 115　系泊系统 当超大型海洋浮式结构物作为海上机场使用时, 必须系泊防止其漂移和运动, 以适应飞机的起降要求, 这是超大型海洋浮式结构物设计中一个十分重要但又十分困难的问题。目前有多种用于浮体结构定位的系 泊系统, 如悬链线系泊 (ca tenary moo ring)、悬链线锚腿系泊CALM (catenary anocho r leg moo ring)、单锚腿 系泊 SALM ( single ancho r leg moo ring)、张力腿系泊 ( ten sion leg moo ring )、系缆桩ö缓冲系泊 (do lp inö fender moo ring)等, 但很难说哪种系泊方式最好。总的来讲, 系泊方式的选择是根据系泊力的大小、水深、系 索长度、是否配置中间浮体或沉箱、地形和海床条件确定的。对于近海区域, 系缆桩ö缓冲系泊系统被认为是 一种十分可靠的系泊方式, 系缆桩对外载荷的抵御能力和缓冲装置巨大的变形能可以提供足够的系泊能力。 进行系泊系统分析时必须注意以下几个问题: (1)VL FS 由于几何尺寸的特殊性, 其水动力与一般传统 浮体结构的差异; (2)VL FS 结构引起的外力的不均匀性; (3)由温度梯度引起的变形; (4) 地震引起的结构响 应; (5)系泊结构的弹性和海床条件的离散性等。因此在系泊系统设计时要达到以下目标: (1)长期的耐久性; (2)系泊系统必须具有足够的可变形性和延展性, 以吸收由于潮位变化、温度梯度、系缆桩安装误差和外力作 用下产生的变形; (3)冗余性, 以保证结构的可靠系泊; (4)设计过程中, 要避免出现共振现象; (5)系泊设备应 位于水平面以上, 便于维护和修理[7, 13, 14 ]。 2　结　语 本文对超大型海洋浮式结构物概念设计中的几个关键问题作了简单的 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf , 希望会对这一新型结构形 式的概念设计有一定的参考价值。虽然目前超大型海洋浮式结构物仍处于理论研究阶段, 但在不久的将来, 人类的这一梦想必将成为现实。 参考文献: [1 ]　崔维成, 吴有生, 李润培. 超大型海洋浮式结构物开发过程中需要解决的关键技术问题[ J ]. 海洋工程, 2000, 18 (3) : 128. 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