影響氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性的因素分析

卓勇剛（重慶市北碚區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶　400700）

?

影響氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性的因素分析

卓勇剛
（重慶市北碚區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶400700）

摘要：以箱型氣浮結(jié)構(gòu)為研究對象，通過建立模型、設(shè)計組合，對不同分艙、不同吃水情況下結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性進行了對比分析，指出對氣浮結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行適當?shù)姆峙撌菤飧〗Y(jié)構(gòu)增強浮穩(wěn)性的主要措施。

關(guān)鍵詞：氣浮結(jié)構(gòu)，穩(wěn)性，分艙，吃水

1　氣浮結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)物如浮式平臺、船舶結(jié)構(gòu)等，其底部都是封閉的，隨著海上油氣以及海上能源（風(fēng)能、波浪能、潮汐能等）開采利用的多樣化發(fā)展以及經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的綜合考慮，傳統(tǒng)浮體的實用性越來越受到限制，在這種形勢下，具有陸上預(yù)制、自浮拖航、負壓下沉等優(yōu)點的氣浮結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生［1-3］。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)在邊際油田的開發(fā)（見圖1）、海上風(fēng)力發(fā)電（如圖2所示）以及防波堤（如圖3所示）等領(lǐng)域被采用［4-9］。更廣闊的應(yīng)用將可以用于海上大型浮式結(jié)構(gòu)、跨海大橋基礎(chǔ)、海軍碼頭的興建以及海上補給平臺的興建等工程領(lǐng)域。

圖1　JZ93系纜平臺

圖2　風(fēng)力發(fā)電筒型基礎(chǔ)

圖3　箱筒型防波堤基礎(chǔ)

氣浮拖航技術(shù)是氣浮結(jié)構(gòu)海上施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，在結(jié)構(gòu)漂浮于海面的過程中，結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性是保證其安全施工的關(guān)鍵。增強氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性的工程措施有：1）多個氣浮結(jié)構(gòu)通過合理的位置布置；2）增設(shè)浮箱抗沉；3）小型浮吊扶正。此外，對于單個氣浮結(jié)構(gòu)，通過合理的內(nèi)部分艙可以滿足結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性要求［10］，但是對于大型的氣浮結(jié)構(gòu)，只在一個方向分艙不能滿足沉放過程中精細化調(diào)平的需要。本文通過設(shè)置四分艙、九分艙以及十六分艙的形式對氣浮結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性進行探討分析，得到了一些結(jié)論用于指導(dǎo)工程實踐。

2　箱型氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性分析

對于普通剛性浮體，根據(jù)船舶靜力學(xué)相關(guān)知識，當其重心高于浮心時，浮體可能能夠穩(wěn)定地浮起，但對于單個氣浮結(jié)構(gòu)，當其重心高于浮心時，要穩(wěn)定地浮起就比較困難。因為當水面有擾動時，會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)氣—水交界面的擾動，從而影響浮心的位置，使結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆，在結(jié)構(gòu)傾覆的過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)氣—水交界面基本上保持水平，使得浮心始終位于結(jié)構(gòu)軸線上，不存在浮心移動，浮力不產(chǎn)生抗傾覆力矩，傾覆會繼續(xù)發(fā)展下去。因此單個氣浮結(jié)構(gòu)的重心高于浮心時，在擾動作用下，氣浮體不穩(wěn)定。要使單個氣浮結(jié)構(gòu)通過氣浮方式穩(wěn)定地漂浮，就需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置分艙格，構(gòu)成多個氣浮體共同作用，或采取綁縛浮筒、駁船運輸?shù)却胧?/p>

2.1模型建立

圖4　計算模型

以箱型氣浮結(jié)構(gòu)為例，建立如圖4所示的計算模型，其中方向x為結(jié)構(gòu)長度方向，長度為L，y方向為結(jié)構(gòu)的寬度方向，寬度為B，z方向為結(jié)構(gòu)的高度方向，高度為Hs；圖4b）中，H為結(jié)構(gòu)的吃水深度，H1為結(jié)構(gòu)內(nèi)部水位高度，ha為內(nèi)部氣柱的高度。

根據(jù)參考文獻［10］所述，分艙可以顯著提高氣浮體的浮穩(wěn)性，但隨著分艙的個數(shù)增加，其提高的幅度不甚顯著，建議分艙的個數(shù)控制在2個～4個；要想使得分艙后浮穩(wěn)性效果最好，即初穩(wěn)性高最大，其每個分艙的寬度建議為B/N或L/N；由于氣浮結(jié)構(gòu)在運輸、沉放的過程中，在運輸過程中的行進方向、沉放過程中的調(diào)平都是通過艙室內(nèi)部氣體的量進行調(diào)整的，有鑒于此，本文選取在x，y方向上分別取分艙個數(shù)為2，3，4的箱型氣浮結(jié)構(gòu)進行研究，計算的參數(shù)見表1，具體的分艙形式見圖5～圖7。

表1　氣浮結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖5　四分艙圖　

圖6　九分艙圖

圖7　十六分艙圖

2.2分析組合

對于形狀、質(zhì)量等固定的箱型氣浮結(jié)構(gòu)，影響箱型氣浮結(jié)構(gòu)浮穩(wěn)性的主要因素為吃水、分艙的形式。根據(jù)正交組合設(shè)置的原則，文中選取分艙數(shù)分別為四、九、十六三種組合以及吃水分別為2.0 m，2.5 m，3.0 m三種組合，對于不同吃水其分艙個數(shù)為16個，對于不同分艙其吃水取為3.0 m。

3　數(shù)據(jù)分析

3.1不同分艙初穩(wěn)性高分析

表2為吃水為3.0 m情況下不同分艙箱型氣浮結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)性高。從表2中可以看出，隨著分艙的增加其初穩(wěn)性高呈增加的趨勢；隨著分艙從4個增加到9個、從9個增加到16個，其初穩(wěn)性高ρx增加的幅度分別為20.7%和5.9%，增幅降低。原因是由于分艙的增加，在結(jié)構(gòu)由于外界擾動運動過程中，用以產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)中心軸的截面抵抗矩的分艙個數(shù)以及作用距離都呈增大的趨勢；而隨著分艙的增加，結(jié)構(gòu)將越來越接近普通剛底浮體，其截面抵抗矩存在一個上限，即普通剛底浮體的截面抵抗矩。

表2　不同分艙初穩(wěn)性高

3.2不同吃水初穩(wěn)性高分析

表3為分艙為16個情況下不同吃水箱型氣浮結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)性高。從表3中可以看出，隨著吃水的增加，其氣浮力折減系數(shù)和初穩(wěn)性高都呈增加的趨勢。吃水的增加，重心和浮心作用點之間的距離由于氣體的可壓縮性縮短，氣浮力折減系數(shù)增加，截面抵抗矩增加，穩(wěn)心半徑相應(yīng)增大，在吃水從2.0 m增加到2.5 m、從2.5 m增加到3.0 m過程中其初穩(wěn)性高分別增加0.76 m和0.79 m，初穩(wěn)性高增加明顯。

表3　不同吃水初穩(wěn)性高

4　結(jié)語

本文結(jié)合氣浮結(jié)構(gòu)這一特殊的海洋結(jié)構(gòu)形式，對結(jié)構(gòu)在不同分艙、不同吃水情況下的浮穩(wěn)性進行了研究，得到如下結(jié)論：在沒有其他輔助工程措施的情況下，通過對結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行分艙是氣浮結(jié)構(gòu)保持其浮穩(wěn)性的主要措施，分艙對浮穩(wěn)性的增強存在一個上限；為了施工過程中節(jié)省材料、沉放過程中調(diào)平精細，建議對艙格進行等分布置，艙格數(shù)建議4個～9個為宜。

參考文獻：

［1］別社安，時忠民，王翎羽.氣浮結(jié)構(gòu)的靜浮態(tài)分析［J］.中國港灣建設(shè)，2000（6）：18-23.

［2］別社安，時忠民，王翎羽.氣浮結(jié)構(gòu)的小傾角浮穩(wěn)性分析［J］.中國港灣建設(shè)，2001（2）：31-35.

［3］別社安，時忠民，王翎羽.氣浮結(jié)構(gòu)的運動特性研究［J］.中國港灣建設(shè)，2001（2）：18-21.

［4］季春群.浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計考慮［J］.中國海洋平臺，1989 （5）：42-44.

［5］王勝永.桶型基礎(chǔ)平臺在渤海邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008.

［6］欒文輝.筒型基礎(chǔ)平臺氣浮拖航研究［D］.天津：天津大學(xué)，2005.

［7］倪云林，辛華龍，劉勇.我國海上風(fēng)電的發(fā)展與技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.能源工程，2009（4）：21-25.

［8］Ding Hongyan，Zhang Puyang，Le Conghuan.Behavior of Bucket Foundations for Offshore Wind Turbines under Cyclic Horizontal Loading［A］.Proceedings of 2010 IEEE The International Conference on E-product，E-service and E-Entertainment ［C］.2010：1-4.

［9］Ding Hongyan，Zhang Puyang，Le Conghuan，et al.Construction and Installation Technique of Large-Scale Top-Bearing Bucket Foundation For Offshore Wind Turbine［A］.In：Proceedings of The 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering［C］.2011：7234-7237.

［10］別社安，徐元錫，祝業(yè)浩.增強結(jié)構(gòu)氣浮穩(wěn)性的分艙法及優(yōu)化分析［J］.中國港灣建設(shè)，2000（1）：1-4.

Analysis on the factors influence of air floating structure stability

Zhuo Yonggang
（Chongqing Beibei District Construction Quality Surveillance，Chongqing 400700，China）

Abstract：Taking the box air floating structure as the research object，through the model establishment，design combination，this paper compared and analyzed the floating stability of different subdivision，different draft conditions of the structure，pointed out that the proper subdivision of internal air floating was the main measures of air floating structure to enhance the floating stability.

Key words：air floating structure，floating stability，subdivision，draft

中圖分類號：P752

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0219-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡介：卓勇剛（1964-），男，高級工程師