一种轻型组合结构导管架式海洋平台

摘要

本发明属于土木工程中的结构工程领域，特别涉及一种轻型组合结构导管架式海洋平台。该平台结构由轻型组合结构的平台架和与其焊接的平台构成，所述的平台架由3～8根平台主杆及若干根连接于各平台主杆之间的平台横撑构成，并在相邻的平台主杆、平台和平台横撑之间分别设置平台斜撑；平台主杆由内外钢管组成，并在两层钢管之间夹层内填充夹层混凝土。该结构考虑了钢和混凝土之间的相互作用，充分利用了组合结构的优势，比传统导管架式海洋平台具有更优良的性能，而且施工简便、经济性良好，适于在各类海洋平台设施中如钻井平台、修井平台和风力发电平台中应用。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程中的结构工程领域，特别涉及一种轻型组合结构 导管架式海洋平台。

背景技术

我国海域有着丰富的油气资源。随着经济建设对能源需求的不断扩大 ，我国海洋油气勘探开发具有良好的发展前景和巨大的发展潜力。海 洋油气钻采平台是用于海底油气勘探和开采的海上建筑物，同时还可 以用于储油、生活设施和码头等。目前对海洋油气的钻采主要集中在 大陆架区域，一般水深不超过300m。在这个水深内比较常采用的平台 类型为导管架式平台。

传统导管架式海洋平台为空钢管支架结构，具有自重轻，安装方便等 特点。在安装时先树立导管架，然后在主导管内打入桩腿。在设计计 算时只考虑外导管的作用。但空钢管构件面临的问题是构件比较容易 由于局部屈曲而丧失承载力，从而导致结构整体的破坏。由空钢管构 件构成平台的振动舒适性、耐久性、耐撞击性能和耐火性能均存在不 同程度的缺陷。另外，海洋平台也在向大型化和多功能化方向发展， 尺寸规模和用钢量不断增大，需要的单根构件承载力越来越高，若采 用大尺寸钢管将面临厚壁钢焊接以及层状撕裂问题，对结构设计也提 出了新的要求。因此，迫切需要一种施工便捷、力学性能良好、经济 性能高的平台形式来适应工程方面的需求。

组合结构由于充分利用了多种构成材料各自的力学性能，使结构具有 力学性能好，施工方便等优点。在土木工程领域，钢-混凝土组合结构 正得到广泛的 应用。传统的钢-混凝土组合构件例如钢管混凝土，由于在空钢管内整 体填充混凝土，导致构件重量较大，因此在处理较大截面（例如直径 1米以上截面）时需要一类轻质高强的新型组合构件。中空夹层钢管混 凝土是由内、外两个截面形心重合的钢管组成，并在钢管夹层中浇筑 素混凝土且共同受力的结构。构件的钢管和混凝土两种材料在受力过 程中相互作用，外管给夹层混凝土提供约束、夹层混凝土给外管提供 支撑。和传统钢-混凝土组合构件如钢管混凝土相比，其截面更为开展 、自重更轻、防火性能好。和空钢管相比，夹层混凝土的存在可以有 效改善局部屈曲情况，并且在设计较大截面时避免了采用厚壁钢板。 在耐久性方面，外部钢构件遭受腐蚀后，可以将承担的荷载一部分转 移到夹层混凝土和内钢管上，钢部件内部的应力不会显著增加，因此 更适于用作海洋平台支架柱等大直径构件。在设计计算时可以充分考 虑外钢管-夹层混凝土-内导管的共同承载力，将大大节省材料和造价 。其施工过程也可以和目前导管架平台的施工过程类似，可以在陆上 将带内、外钢管和夹层混凝土的支架制作好，在海中向内管内部打桩 ；也可以在陆上制作仅带外钢管的支架，然后将桩管当做内管，在海 上朝主管间打入内管后高压注入夹层混凝土。此外，由于夹层混凝土 的存在，该类构件比钢构件的抗火性能更好。因此，利用组合结构技 术是解决海洋平台在强度、刚度、施工性能、抗震抗撞性能以及耐久 性能方面的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能满足强度高、刚度大、自重轻、施工便 捷、抗撞击和抗震性能好、耐久性高的要求的轻型组合结构导管架式 海洋平台结构。

本发明采用的技术方案为：

该平台结构由轻型组合结构的平台架和与其焊接的平台构成，所述的 平台 架由3～8根平台主杆及若干根连接于各平台主杆之间的平台横撑构成 ，并在相邻的平台主杆、平台和平台横撑之间分别设置平台斜撑；

所述平台主杆的结构为：内钢管置于外钢管内并与外钢管同轴，外钢 管和内钢管的之间夹层内填充夹层混凝土；外钢管和内钢管上分别设 置若干个限位钢板，通过限位钢板保证外钢管和内钢管同轴。

所述外钢管和内钢管的横截面为矩形、圆形或椭圆形。

所述外钢管的材料是普通钢材、高强钢材或不锈钢。

所述内钢管的材料是普通钢材或高强钢材。

所述夹层混凝土的材料是普通混凝土、轻质混凝土或高强混凝土。

所述平台横撑和平台斜撑的横截面为矩形、圆形、工字型、L型或者槽 型。

本发明的有益效果为：

（1）和目前常用的导管架式海洋平台相比，该平台采用的主杆截面开 展、刚度大、从而使平台整体承载力和刚度大、稳定性好。施工时可 以在陆上将带内、外钢管以及夹层混凝土的导管架部分或整体制作好 后在海上树立，然后在内层钢管内中打入桩腿；也可以制作仅带外钢 管的导管架，用内钢管当桩基，在海上浇筑夹层混凝土。由于主杆内 部空心，自重较轻，在带来优良力学性能的同时保证施工便利，经济 性好。

（2）由于夹层混凝土给外钢管提供了支撑作用，钢管的局部屈曲性能 得到改善，主杆的抗撞击性能更好，较少发生因为局部屈曲而导致整 体结构倒塌的情况，使平台的安全性更高。

（3）轻型组合结构主杆在外钢管遭受腐蚀之后可以将内力部分转移到 内管或者夹层混凝土，从而提高构件耐久性。内部空间可布置管线等 设备并对其起 到保护作用。

（4）施工简便、经济性良好，适于在各类海洋平台设施中如钻井平台 、修井平台和风力发电平台中应用。

附图说明

图1为本发明的实施例的平台示意图；

图2 为图1的A-A截面示意图；

图3（a）为平台主杆的结构示意图；

图3（b）为平台主杆与平台横撑的连接示意图；

图3（c）为图3（a）的主杆C-C截面示意图；

图4（a）和图4（b）分别为3肢和4肢情况下的图1中B-B截面示意图。

图中标号：

1-平台架，2-平台主杆，3-平台斜撑，4-平台横撑，5-平台，201-外 钢管，202-内钢管，203-夹层混凝土，204-限位钢板。

具体实施方式

本发明提供了一种轻型组合结构导管架式海洋平台结构，下面结合实 施例和附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明。

图1为本发明的实施例的平台结构示意图，该平台结构由轻型组合结构 的平台架1和与其焊接的平台5构成，其中，平台架1由4肢平台主杆2、 平台斜撑3和平台横撑4构成。平台主杆2由轻型钢-混凝土组合构件沿 长度方向通过焊接连接构成，具体结构为：内钢管202置于外钢管201 内并与外钢管201同轴，外钢管201和内钢管202的之间夹层内填充夹层 混凝土203，如图2所示。内外钢管的位置通过和管壁垂直的限位钢板 204以保证同心。相邻的平台主杆2、 平台5和平台横撑4之间分别设置平台斜撑3，通过焊接方式相连，平台 架1和平台5之间焊接形成导管架式平台。

外钢管201和内钢管202的横截面为圆形。

外钢管201的材料是普通钢材、高强钢材或不锈钢。

内钢管202的材料是普通钢材或高强钢材。

夹层混凝土203的材料是普通混凝土、轻质混凝土或高强混凝土。

平台斜撑3和平台横撑4的横截面为矩形、圆形、工字型、L型或者槽型 。

本发明的结构体系截面开展、抗弯刚度大、稳定性和振动特性好、自 重较轻，抗震、抗撞击性能好，耐久性高，经济性良好，适用于海洋 平台中的钻井平台、修井平台、风力发电组基础平台。