新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术_徐贺.pdf
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1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷,2023 年第 1 期 168 新型海底整平清淤平台总强度分析的 关键技术 新型海底整平清淤平台总强度分析的 关键技术 徐 贺,杨 青,杨 玥,迟少艳(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)摘 要:摘 要:深中通道建设采用了中部大月池开孔的回字形浮式平台用于海底整平清淤工作,基于整平清淤平台的设计开发,分析确定回字形浮体结构设计的控制载荷工况,预报各控制设计工况的波浪载荷,并计算各工况下平台的结构总强度,探讨回字形浮式结构设计应关注的重点关键区域。梳理针对该类型浮式结构总强度直接计算
2、的方法。结果表明,对于带有大开口的回形浮式结构,总强度计算中应重点关注结构整体扭转工况,结构设计中可采用在浮体角隅处设置抗扭箱型结构提高整体的抗扭能力。该研究可为回字形浮式结构或相似海洋工程结构物的结构设计提供参考。关键词:关键词:整平清淤平台;回形结构;波浪载荷;结构强度分析;关键技术 中图分类号:中图分类号:U663.2 文献标志码:文献标志码:A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.25 Key Technologies of Global Strength Analysis of a New Type Platform Used for Seabed Desil
3、ting and Leveling XU He,YANG Qing,YANG Yue,CHI Shaoyan(Marine Design and Research institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:For the construction of Shenzhen to Zhongshan undersea tunnel,the homocentric squares shaped floating platform with central moon pool is used for the seabed desilting a
4、nd leveling.Based on the design of the platform,the control load cases are analyzed,and the wave loads forecasting is carried out corresponding to every control load case respectively,the global structure strength of the floating platform is calculated through design wave method,and the critical str
5、ucture areas and issues need to be pay attention are discussed for the floating platform.The direct calculation method for the total strength of this type of floating structure is summarized.The results show that for the homocentric squares shaped floating structure with large central moon pool,the
6、overall torsional condition of the structure should be focused in the calculation of total strength,and the antitorque box structure at the corner of the platform can be used in the structure design to improve the overall torsional capacity.It provides a guide on homocentric squares shaped or simila
7、r type floating structure design.Key words:platform used for seabed desilting and leveling;homocentric squares shaped floating structure;wave load;structure strength analysis;key technology 0 引言引言 深中通道(连接深圳与中山)项目是世界级的集海底隧道、人工岛和悬索桥为一体的超级集群工程,是国家“十三五”重大工程项目。深中通道全长24 km,其中海底沉管隧道部分约有 6.8 km。该项目 2016 年12
8、 月正式开工,目前正处于东端海底沉管铺设施工中。深中通道的建成能够为珠三角地区的发展提供进一步的保障1。在海底隧道沉管铺设前,首先需要对海底的淤泥进行清除,然后在需要铺设沉管的范围内进行基底碎石的铺设,使海底达到沉管铺设的条件。为实现海底淤泥的清除及碎石的铺设,研究开发了一种中间开有 收稿日期:2021-12-13;修回日期:2022-02-20 作者简介:徐 贺(1987),男,高级工程师。研究方向:船舶与海洋工程结构设计。徐贺等,新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术 169 大尺度月池的“回”字形钢质浮式平台结构。通过月池可将带有碎石铺设小车的整平架下放至海底,横跨回形平台前后横向浮体
9、布置行走行车设备,用于为碎石铺设小车输送石料。碎石铺设小车在下放至海底的整平架上做平面二维方向移动,可实现海底碎石的铺设。整体装备示意见图1 和图2。图 1 整平平台三维示意图 图 2 整平平台侧视图 海上浮式平台型式有半潜式平台、张力退平台和单柱式平台等2。上述海洋平台的水线面大多位于立柱浮体结构范围内,而用于连接立柱浮体的水平浮体结构位于水面以下。目标回形浮式平台作业工况的水线与首尾相连的 4 个水平浮体相交,水线面面积相对更大,受波浪绕辐射的影响也就更大,结构响应特性与典型浮式平台也会不同。基于作业海况条件,对平台进行波浪载荷预报,根据载荷预报结果得到用于平台整体强度计算的等效设计波,作
10、为整体有限元强度计算的输入条件。通过分析各控制工况的强度计算结果,分析回形浮式结构的结构响应特性、需重点关注的控制载荷工况及结构设计问题。1 平台总体结构型式特点平台总体结构型式特点 目标整平清淤船主要尺度见表 1,双层底视图、纵向及横向侧视图见图3 和图4。由图3 和图4 可知,浮体4 个角隅处设置了压载舱,双层底下设置了压载舱及功能性液舱,双层底上为机舱、辅设备舱、泵舱等设备舱室。主甲板上为甲板设备布置区域,首部横向浮体上为生活区域空间。由图 3 可知,整平架结构位于浮体中部月池内,与四周围壁留有一定的间隙,防止在下放、起升过程中与四周围壁发生碰撞。由图 4 可知,前后横向浮体中部各开有
11、4 个贯通浮体的开孔,目的是拖航时可减小拖航阻力。主甲板以上二层结构围壁开有多个开孔,作为设备布置、人员观测等用途。浮体 4 个角隅主甲板以下的所有空间设置为压载舱,远离平台的运动中心,更有利于浮体浮态的调整。表1 平台主要尺度 参数 数值 参数 数值长度/m 62.0 月池长/m 42.0 宽度/m 55.6 月池宽/m 38.0 主甲板高度/m 6.5 作业吃水/m 4.5 二层甲板高度/m 10.5 图3 双层底视图 图4 纵向及横向侧视图 2 计算分析模型的建立计算分析模型的建立 通过设计波法进行直接强度计算评估平台总体强度,需要建立平台的湿表面模型用于波浪载荷预报,建立平台有限元模型
12、作为质量模型和结构模型用于强度分析。图 5 为整平清淤平台波浪载荷计算湿表面模型,图 6 为平台整体结构有限元模型。模型中将前后横向浮体的流水通道结构、各层围壁的开孔准确模拟。设计中考虑结构突变或角隅处可能产生应力集中而设置加厚板的区域也在有限元模型中准确表达,板厚分(a)纵向视图(b)横向视图 海洋工程 170 布见图 7。质量模型中液舱装载重量通过在舱室周界施加对应水压力的方式模拟,甲板设备通过在重心处布置质量点的方法模拟。上述两者与结构重量共同组成整个平台的质量模型。图 5 湿表面模型图 图 6 结构有限元模型 图 7 板厚分布 对于回字形浮式结构物,为了使计算边界条件尽量不影响结构在波
13、浪环境中的变形趋势,尽量减小边界约束对强度计算的影响。对于浮体中部发生垂向或水平变形的载荷工况,约束浮体靠近 3 个角隅处节点的自由度作为边界约束条件。对于整个浮体发生扭转变形的载荷工况,约束 3 个浮体跨中处节点的自由度作为边界约束条件。各点约束条件为:1)节点1,约束 x、y、z 等3 个方向线自由度;2)节点2,约束y、z 等 2 个方向线自由度;3)节点 3,约束 z 方向线自由度。2 种边界约束条件示意见图8 和图9。图 8 边界约束1 图9 边界约束2 3 总强度控制工况及设计波总强度控制工况及设计波 3.1 控制载荷工况的选取控制载荷工况的选取 平台为回字形结构,为全面考察结构在
14、波浪中可能发生的各种响应模式,参考其他海洋平台总强度计算方法,结合本平台的结构特征,控制载荷工况3-4选取如下:1)纵向浮体垂向最大波浪弯矩;2)纵向浮体垂向最大波浪剪力;3)横向浮体垂向最大波浪弯矩;4)横向浮体垂向最大波浪剪力;5)纵向浮体水平最大波浪弯矩;6)纵向浮体水平最大波浪剪力;7)横向浮体水平最大波浪弯矩;8)横向浮体水平最大波浪剪力;9)整个结构对纵向水平轴最大波浪扭矩;10)整个结构对横向水平轴最大波浪扭矩。计算中使平台各控制载荷工况对应的结构区域在各自工况设计波(浪向、波高和周期)下达到最大的结构响应,用于考察结构在各种可能发生的极限响应模式下的应力情况5-6。3.2 控制
15、载荷工况设计波控制载荷工况设计波 为了分析平台波浪载荷分布特征,沿回字形结构纵、横向浮体分别等间距设置了 5 个载荷计算剖面,见图10。纵向第3 号剖面及横向第8 号剖面分别位于纵向中心及横向中心位置处。浪向分布见图10。图10 载荷计算剖面位置及浪向分布 平台的设计目标环境条件为中国沿海区域,基于中国沿海波浪散布表(见表 2)对上述各控制载荷工况的波浪载荷进行预报,其中纵向浮体垂向弯矩分布、徐贺等,新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术 171 横向浮体垂向弯矩分布、纵向浮体垂向剪力分布及横向浮体垂向剪力分布见图11图14。由图11 和图12可知,纵、横向浮体中部垂向弯矩最大;由图13 和
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