基于潟湖環(huán)境的超大型浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)

柯 杰 駱 釗

1 中交第二航務(wù)工程局有限公司 2 長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心

1 引言

VLFS(Very Large Floating Structure，超大型浮式結(jié)構(gòu)物)是指尺度以公里計(jì)的海洋浮式結(jié)構(gòu)物。由于其尺寸巨大，材料強(qiáng)度一般難以滿足要求，需由多個(gè)單元模塊采用柔性連接器連接而成。根據(jù)單元模塊形狀的差異，可分為箱式結(jié)構(gòu)和半潛式結(jié)構(gòu)。箱式結(jié)構(gòu)類似于駁船或浮箱，其典型代表便是日本于1999年在神奈川縣橫須賀港建成的海上漂浮機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)由6塊長(zhǎng)380 m、寬60 m、高3 m 的模塊焊接而成[1]。半潛式結(jié)構(gòu)將提供浮力的主體沒(méi)于波浪影響范圍以下，具有波浪荷載弱、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)小、橫搖周期長(zhǎng)、適航性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)在一戰(zhàn)結(jié)束后，便提出這種基于半潛式模塊的VLFS，作為飛機(jī)加油或停留的海上基地。1992年，美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)可移動(dòng)浮式基地MOB研究，研發(fā)了由6個(gè)半潛式模塊連接而成的VLFS，并驗(yàn)證了其可靠性。

日本漂浮機(jī)場(chǎng)建成后，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多學(xué)者對(duì)VLFS進(jìn)行了研究。崔維成指出VLFS研究中的6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，其中前兩個(gè)是VLFS的概念設(shè)計(jì)和水動(dòng)力預(yù)報(bào)[2]。舒志基于三維勢(shì)流理論模擬了箱式VLFS在波浪中自由漂浮時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[3]。李文龍等介紹了VLFS設(shè)計(jì)中系泊布置、系纜樁選擇及其運(yùn)動(dòng)方程式[4]?？苡曦S提出了適應(yīng)于深遠(yuǎn)海的VLFS概念設(shè)計(jì)[5]。李良碧對(duì)VLFS單模塊的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得出了上箱體、立柱和下浮體等連接處應(yīng)力較大的結(jié)論[6]。

在外海島礁中，諸多環(huán)礁內(nèi)的潟湖波浪條件良好、水深較大、水域面積寬廣，可建設(shè)VLFS發(fā)展水上建筑群，補(bǔ)充島礁陸域不足的缺陷。本文提出了四立柱和九立柱半潛式平臺(tái)模塊方案，并與傳統(tǒng)的半潛式模塊進(jìn)行比較，模擬VLFS在潟湖內(nèi)外極限工作海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析得出不同方案的優(yōu)劣和適用性。

2 初步設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的半潛式VLFS主要被設(shè)計(jì)為可移動(dòng)的基地，也稱為移動(dòng)浮式基地，已有較多學(xué)者研究。結(jié)構(gòu)上一般由4～6個(gè)半潛式模塊通過(guò)柔性連接器連接而成，模塊長(zhǎng)約300 m，寬度在75～130 m之間，甲板以下由2個(gè)下體和多個(gè)立柱組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)半潛式VLFS示意圖

本文基于潟湖內(nèi)良好的水文條件，提出了2種半潛式平臺(tái)單元模塊方案，下體浮箱為連續(xù)整體，可提供更大承載能力。根據(jù)結(jié)構(gòu)立柱數(shù)量不同，定義為四立柱平臺(tái)方案和九立柱平臺(tái)方案，對(duì)比分析其與傳統(tǒng)的半潛式方案性能的優(yōu)劣。為了避免多個(gè)VLFS連接時(shí)發(fā)生碰撞，下體長(zhǎng)寬均小于上體的長(zhǎng)寬；不同立柱的長(zhǎng)寬和立柱間距參考浮體穩(wěn)性；立柱高度為使模塊下體結(jié)構(gòu)避開(kāi)波能的集中區(qū)域，距離波面2～3倍波高的范圍。

為方便表達(dá)，傳統(tǒng)的半潛式方案簡(jiǎn)稱為方案1，四立柱平臺(tái)方案簡(jiǎn)稱為方案2，九立柱平臺(tái)方案簡(jiǎn)稱為方案3，各方案的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 VLFS模塊設(shè)計(jì)參數(shù)

3 可靠性驗(yàn)證

VLFS屬于大尺度結(jié)構(gòu)物，主要承受波浪的慣性力和繞射力，可采用勢(shì)流理論計(jì)算VLFS的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及波浪載荷。3種方案的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2，網(wǎng)格間距為1 m。

圖2 設(shè)計(jì)方案的計(jì)算網(wǎng)格

采用頻域計(jì)算來(lái)分析結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。選用角速度ω為0.01～2 rad/s，間隔0.2 rad/s共11個(gè)波頻，浪向角選取0°、30°、60°、90°共4個(gè)浪向，其中0°浪向指的是橫浪，90°浪向指的是縱浪。3個(gè)方案在橫浪作用下(0°浪向)的六自由度運(yùn)動(dòng)RAO示例見(jiàn)圖3。

圖3 不同方案在橫浪作用下的六自由度運(yùn)動(dòng)RAO

由圖3可得：①當(dāng)遭遇頻率ω趨向于0時(shí)，單位波幅下的VLFS垂蕩幅值趨近1 m，ω趨向于+∞時(shí)，單位波幅下浮式結(jié)構(gòu)物的垂蕩幅值趨向于0，即當(dāng)波浪波長(zhǎng)無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，VLFS隨水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波浪波長(zhǎng)趨向于0時(shí)，VLFS基本無(wú)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；②橫浪作用下，各方案的橫搖值和橫蕩值較大，縱搖值和縱蕩值幾乎為零。從以上分析可見(jiàn)，VLFS運(yùn)動(dòng)響應(yīng)符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果可信。

4 短期預(yù)報(bào)

4.1 潟湖外極限工作海況下的短期預(yù)報(bào)

外海中的海況相對(duì)惡劣，通常限定極限工作海況為6級(jí)海況，對(duì)應(yīng)波高為6 m，周期9.8 s，波浪譜為Pierson Moskowitz譜。對(duì)不同浪向下浮式結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)為3 h。該工作海況下，VLFS沿X、Y、Z方向的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與位移運(yùn)動(dòng)可能出現(xiàn)的最大值見(jiàn)表2，最大波浪荷載見(jiàn)表3。

表2 6級(jí)海況下的偏轉(zhuǎn)和位移運(yùn)動(dòng)

表3 6級(jí)海況下的波浪荷載

由表2可知：①隨浪向增大，橫搖橫蕩的幅度不斷減小，縱搖縱蕩不斷增大，計(jì)算結(jié)果符合基本規(guī)律；②對(duì)于外海風(fēng)浪較惡劣的海域，船型方案的VLFS的最大橫搖值相對(duì)較小，為1.86°，而四立柱和九立柱平臺(tái)方案的最大橫搖值分別為3.44°和2.4°；③6級(jí)海況下，各方案的位移運(yùn)動(dòng)均相對(duì)較小，x、y、z向的位移均在3.8 m以內(nèi)。

由表3可知：①隨浪向增大，F(xiàn)x不斷減小，F(xiàn)y不斷增大，計(jì)算結(jié)果符合基本規(guī)律；②VLFS模塊受到的波浪荷載較大，受波浪浮拖力和較大排水量的影響，在6級(jí)海況下的最大波浪荷載均是在浪向角為0°時(shí)的z向荷載，3個(gè)方案的最大值依次為364 MN、287 MN和547 MN；③VLFS模塊在6級(jí)海況下的最大波浪荷載均是浪向角為0°時(shí)z向荷載。

4.2 潟湖內(nèi)極限海況下的短期預(yù)報(bào)

考慮環(huán)礁的掩護(hù)作用，模擬分析可得潟湖內(nèi)可能出現(xiàn)的極限海況的有義波高為3 m、譜峰周期為7 s，波浪譜為Pierson Moskowitz譜。對(duì)VLFS在潟湖內(nèi)極限海況下運(yùn)動(dòng)和荷載進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)間為3 h。該海況下VLFS的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)表4，波浪荷載見(jiàn)表5。

表4 極限工作海況下的偏轉(zhuǎn)和位移運(yùn)動(dòng)

表5 極限工作海況下的的波浪荷載

由表4可知：①九立柱平臺(tái)方案的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較小，縱橫搖值均在0.22°以內(nèi)，四立柱平臺(tái)方案，由于排水量較小，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更大，最大偏轉(zhuǎn)是橫搖(縱搖)1.26°；②船型結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，受浪向角影響較大，當(dāng)浪向角在60°～90°時(shí)，該方案的響應(yīng)較??；③在潟湖內(nèi)九立柱平臺(tái)方案偏轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)均較船型方案小。

由表5可知：①VLFS模塊在潟湖內(nèi)極限海況下的最大波浪荷載均是浪向角為0°時(shí)的z向荷載，最大值是船型方案1的167 MN，此時(shí)船型方案的x向荷載也較其他方案大；②方案2由于結(jié)構(gòu)尺寸較小，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，但受到的波浪荷載其實(shí)是最小的，其波浪荷載最大為45 MN；③由于波浪周期較小，z向的浮拖力減小明顯，方案3在潟湖內(nèi)z向受力的大小約為外海中的27%。

綜上所述，在潟湖內(nèi)海域，九立柱平臺(tái)結(jié)構(gòu)VLFS的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和受力較船型方案更小，性能更優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)船型結(jié)構(gòu)和平臺(tái)結(jié)構(gòu)兩類半潛式浮式結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了傳統(tǒng)半潛式、四立柱和九立柱半潛式平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)方案，校核了各方案的初穩(wěn)性，模擬了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO，對(duì)各方案在潟湖外極限生存海況(波高6 m，周期9.8 s)和潟湖內(nèi)極限工作海況(波高3 m，周期7 s)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及波浪荷載進(jìn)行了短期預(yù)報(bào)。結(jié)果表明：潟湖外惡劣海況下，傳統(tǒng)的船型VLFS的縱橫搖值和荷載相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于平臺(tái)方案；但在潟湖內(nèi)海況下，九立柱平臺(tái)方案的運(yùn)動(dòng)和受力均最小，性能更優(yōu)。