一种减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构及其建造方法

摘要

本发明涉及一种减摇型UHPC管‑箱体组合漂浮结构，包括从上至下依次设置的上层结构、中层结构和底层结构，以及用于连接三层结构的空心管；上层结构包括由环形浮箱形成的外环和由下沉式上层圈梁形成的内环；中层结构包括中层圈梁；底层结构包括底层圈梁和设置于底层圈梁外圈的减摇鳍；空心管、环形浮箱、上层圈梁、中层圈梁、底层圈梁和减摇鳍均由UHPC材料制成；三层圈梁上间隔开设多个大小与方向相互对应的预留孔，供空心管穿插以连接三层圈梁；空心管与各层圈梁交接处的空心管内部填充高强混凝土混合料，采用连接件穿过空心管、混凝土填充段和圈梁，并利用高强低收缩灌浆料密封。本发明可用于发展海洋作业平台、海洋渔场网箱和水下观光平台等。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程设施技术领域，具体涉及一种减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构及其建造方法。

背景技术

当前世界范围内相对成熟的漂浮结构，大多以钢结构为主，其中特种钢用量相当大，导致制造成本高，资源消耗大。由于钢材在海水中易腐蚀，因此表面防护成本大，结构维护费用高。目前的金属网箱等漂浮结构多是一体成型，在使用一段时间后需要整体拖回船坞进行维修，维护周期长，维护费用高，给渔业生产带来较大影响。

UHPC(超高性能混凝土)是一种具有超高强度，超高韧性和高耐久的先进水泥基材料，其物理力学性能优异，耐海洋腐蚀能力强。随着对超高性能混凝土(UHPC)材料研究和应用的不断深入，其作为海洋漂浮结构的优越性也逐渐凸显出来，目前已经有采用UHPC设计漂浮结构的专利。

中国专利CN210681081U公开了一种混凝土结构的水上漂浮装置，其壳体混凝土为UHPC混凝土，该漂浮装置虽然可以在局部破坏时，仍能保证漂浮，但是由于浮力的变化，容易导致平台的倾斜甚至倾覆。另外，海洋中的大风大浪，也常常导致海上漂浮结构的倾翻。

中国专利CN111846131A公开了一种装配式空心管-箱体组合漂浮结构，包括空心管、UHPC箱体和UHPC套筒三种预制构件，通过插接、焊接、胶结而成，该组装过程可沿三维空间方向无限扩展，形成巨大的网架-箱体组合漂浮结构体系，该结构在风平浪静的环境下具有良好的服役性能。但由于该专利未充分考虑和优化相关漂浮结构各部分的浮力分布和重量配置，所以该结构在海洋波浪环境下的稳定性尚存在不确定性。

漂浮结构稳定性设计中一般借助船舶静力学原理，主要考虑稳心和回复力矩。而本漂浮结构拟面向风浪流叠加的海洋环境，故要求其在动态环境条件下具有减摇能力的机制和相应的结构设置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构及其建造方法，该结构由三层构件组成并通过高强高韧空心管连接，通过对结构浮力和重量的优化配置，使主要的托举应力集中于水面附近，且环绕结构的边沿，同时使其重心降至最低，由此即构成漂浮结构减摇体系，从而使结构具备漂浮、承载、减摇等功能。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构，包括从上至下依次设置的上层结构、中层结构和底层结构，以及用于连接三层结构的空心管；所述上层结构包括一个由环形浮箱形成的外环和一个由下沉式上层圈梁形成的内环，所述环形浮箱与上层圈梁在预制过程中连接成一体；所述中层结构包括一个中层圈梁；所述底层结构包括一个底层圈梁和设置于所述底层圈梁外圈的减摇鳍；所述空心管、环形浮箱、上层圈梁、中层圈梁、底层圈梁和减摇鳍均由UHPC材料制成；所述上层圈梁、中层圈梁和底层圈梁上间隔开设多个大小与方向相互对应的预留孔，供所述空心管穿插以连接三层圈梁；所述空心管与各层圈梁交接处的空心管内部填充高强混凝土混合料形成混凝土填充段，且在相邻两混凝土填充段之间填充轻质泡沫塑料隔开；为加强圈梁与空心管之间的连接，采用连接件穿过空心管、混凝土填充段和圈梁，并利用高强低收缩灌浆料密封。

上述方案中，所述环形浮箱的平面尺寸大于其下部各圈梁的平面尺寸，所述环形浮箱与空心管所提供的浮力大于整个漂浮结构的自重。

上述方案中，所述环形浮箱内部中空，且内部空腔通过隔板分隔成若干舱室；所述上层圈梁、中层圈梁和底层圈梁均为开孔实体结构，且中层圈梁和底层圈梁的长宽尺寸小于等于上层圈梁。

上述方案中，所述减摇鳍环绕所述底层圈梁下部设置且与底层圈梁一体成型，减摇鳍的厚度为10--50mm，高度为50mm--1000mm，且高度小于底层圈梁的高度，减摇鳍的外形轮廓与底层圈梁相同。

上述方案中，所述空心管与圈梁交接处的混凝土填充段的上下两端超出交接面一定高度，超出部分的高度为50--150mm。

上述方案中，所述连接件为钢制插销，所述连接孔为对应的插销孔。

上述方案中，所述环形浮箱中部设一水平的空心横梁，所述空心横梁两端分别与环形浮箱内壁相连接。

上述方案中，所述上层圈梁中部设一水平的横梁，所述环形浮箱的空心横梁搁置于上层圈梁的横梁上。

相应的，本发明还提出上述减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构的建造方法，包括以下步骤：

S1、预制环形浮箱、上层UHPC圈梁、中层UHPC圈梁、带减摇鳍的底层UHPC圈梁和空心管，其中，环形浮箱和上层圈梁在预制过程中结合在一起，环形浮箱内部根据受力分析而设置若干舱室，并在三层圈梁的相应位置预留若干竖向或斜向贯穿孔洞；

S2、在空心管与各层圈梁交接处的空心管内填充高强混凝土混合料，该混合料的高度高出交接面50--150mm，相邻两个混凝土填充段之间填充轻质泡沫塑料分隔；然后在各层圈梁与空心管交接处沿空心管与混凝土填充段对应位置钻取若干个连接孔，用于穿插连接件；

S3、结构建造过程中，对应于组合漂浮结构的三层构件，需搭建对应的三层台架，自下而上对每一层构件进行定位，再用空心管自上而下穿过各层圈梁的竖向孔洞；然后在连接孔中插入连接件，使空心管、混凝土填充段和圈梁连接在一起，并用高强低收缩灌浆料灌注密封，使空心管与各层圈梁之间建立稳固的连接。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的组合漂浮结构具有优异的减摇性能：

1)结构托举力“平面化”：设置上层浮箱，并作为整个结构主要的浮力来源，使浮力集中于接近水面附近的平面，且浮力分布均匀和对称。

2)浮力分布“边缘化”：上层浮箱平面轮廓大于下部结构，浮力沿环形分布，因此结构在较大范围得到浮力支撑，其稳定性的到提高。

3)下部结构“公开化”：中层结构和底层结构采用实体多孔口字形圈梁，中心部分的空间完全敞开，避免了浮力对结构重心的“托举”作用。

4)优化配置与底部阻尼：底层为实体多孔圈梁，且在其下部设置了UHPC减摇鳍，既可起到压重作用，也可在结构底部摇动时起到阻尼作用。

通过以上四个方面的共同作用，即构成本漂浮结构减摇系统。

2.本发明利用水泥基材料制备的高强高韧薄壁管、UHPC箱体和UHPC圈梁组合连接在一起构成漂浮结构，其力学性能和耐久性能优异，可显著降低海洋漂浮结构的维护成本。

3.本结构在船舶工程中的稳心设计的基础上，通过配置面层“浮力环”、降低重心、避开浮力对重心的托举作用和阻尼作用等，大大提高了该漂浮结构在波浪条件下的稳定性，这种浮态减摇功能将大大拓展漂浮结构在海洋工程中的应用领域。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构的整体图；

图2是图1所示组合漂浮结构的环形浮箱的立体图；

图3是图2所示环形浮箱的三视图；

图4是图1所示组合漂浮结构的上层圈梁的立体图；

图5是图4所示上层圈梁的三视图；

图6是图1所示组合漂浮结构的中层圈梁的立体图；

图7是图6所示中层圈梁的三视图；

图8是图1所示组合漂浮结构的底层圈梁的立体图；

图9是图8所示底层圈梁的三视图；

图10是图1所示组合漂浮结构的混凝土填充段与连接件的装配示意图；

图11-12是图1所示组合漂浮结构的空心管与各层圈梁之间连接的示意图。

图中：10、环形浮箱；11、空心横梁；20、上层圈梁；21、横梁；30、中层圈梁；40、底层圈梁；41、减摇鳍；50、空心管；60、混凝土填充段；61、连接孔；70、泡沫塑料；80、连接件。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构，其组成部件浮箱、圈梁和空心管均由UHPC材料制成，且从上至下依次形成上层结构、中层结构和底层结构，上层结构用于提供结构所需的主要浮力，中层结构为过渡层，底层结构为压重和阻尼层。其中，上层结构为双环状组合结构，其外环为环形浮箱10，内环为下沉式日字形多孔圈梁，即上层圈梁20，环形浮箱10与上层圈梁20在预制过程中连接成一体；上层圈梁20的四周，根据结构设计要求，均匀间隔开设多个竖向或斜向贯穿孔洞，供空心管50穿插以连接上下层结构。中层结构包括一个口字形多孔圈梁，即中层圈梁30。底层结构包括一个口字形多孔圈梁，即底层圈梁40，还包括设置于底层圈梁40外圈的减摇鳍41。中层圈梁30、底层圈梁40的结构与上层圈梁20相似，均为UHPC多孔圈梁，且开孔大小和方向与上层圈梁20相同，开孔位置与上层圈梁20相对应。上层圈梁20、中层圈梁30和底层圈梁40三层结构通过多根竖向空心管50贯穿圈梁中预留竖向孔洞而连接成一体。

为防止空心管50与各层圈梁交接处的剪切破坏，在空心管50与各层圈梁交接处的空心管50内部填充高强混凝土混合料形成混凝土填充段60，且在相邻两混凝土填充段60之间填充轻质泡沫塑料70隔开。为加强圈梁与空心管50之间的连接，在混凝土填充段60上沿其高度方向开设3-4个连接孔61，并在各层圈梁沿其内外方向开设对应的连接孔，然后插入连接件80，最后采用高强低收缩灌浆料密封，使空心管50与各层圈梁之间建立稳固的连接。

本发明组合漂浮结构的环形浮箱10是整个结构浮力的主要来源，环形浮箱10与空心管50所提供的浮力大于整个漂浮结构的自重，故整个结构在水中可处于漂浮状态。底层圈梁40无空腔空间或浮力材料，不提供浮力，主要起到结构压重和浮态稳定的作用，与底层圈梁40连成一体的减摇鳍41主要起到动态条件下限制结构摇摆的作用。该结构在水中具有自我保持稳定取向的功能。

进一步优化，环形浮箱10的截面不限于长方形，也可制成曲面形状，如圆柱形或波纹形，以减少波浪对浮体的冲击作用。

进一步优化，环形浮箱10内部中空，且内部空腔通过设置隔板分隔成若干个舱室。上层圈梁20、中层圈梁30和底层圈梁40均为多孔实体结构，且中层圈梁30和底层圈梁40的长宽尺寸小于等于上层圈梁20。

进一步优化，环形浮箱10中部设置有水平的空心横梁11，以增强上层结构的浮力及刚度，空心横梁11两端分别与环形浮箱10内壁相连接。上层圈梁20中部设一水平的横梁21，环形浮箱10的空心横梁11搁置于上层圈梁20的横梁21上。

进一步优化，减摇鳍41环绕底层圈梁40下部设置且与底层圈梁40一体成型，减摇鳍41的厚度为10--50mm，高度为50mm--1000mm，且小于底层圈梁40的高度，减摇鳍41的外形轮廓与底层圈梁40相同。减摇鳍41增大了迎水面积，限制了底部的摇晃。

进一步优化，空心管50与圈梁交接处的混凝土填充段60的上下两端超出交接面一定高度，超出部分的高度为50--150mm。

进一步优化，连接件80为钢制插销，连接孔61为对应的插销孔。

进一步优化，本发明组合漂浮结构采用悬链式系泊系统。

本实施例中减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构的具体参数表详见表1。

表1

该空心管-箱体组合漂浮结构稳性及结构力学计算结果如下：

空载吃水深度h＝23.57m，此时剩余浮力825.9t。

因此本实施例的空心管-箱体组合漂浮结构满足回复条件，因此当小角度倾斜时，有足够的复原力矩使平台恢复平衡。

采用有限元分析软件对整个结构在一定载荷和工况下进行有限元模拟分析，以校核本结构的力学强度：

边界条件：模拟锚固实际，对底层圈梁40四角进行固定。

载荷设置：结构安全校核方面仅考虑静水压力，即水下所有结构取海水压力函数(1.07*9.8h)。

网格划分：由于结构中无非规则结构及复杂曲面，故采用标准网格(正四面体)，单元边长约为1032mm，公差为51.60mm，一共划分为167813个计算单元。

对漂浮平台在完全浸没情况下海水压力的仿真结果为：最大等效主向应力为12.4MPa，小于UHPC材料的抗压与抗折强度，因此能够满足结构要求。

相应的，本发明还提出上述减摇型UHPC管-箱体组合漂浮结构的建造方法，包括以下步骤：

S1、预制环形浮箱、上层UHPC圈梁、中层UHPC圈梁、带减摇鳍的底层UHPC圈梁和空心管，其中，环形浮箱和上层圈梁在预制过程中结合在一起，环形浮箱内部根据受力分析而设置若干舱室，并在三层圈梁的相应位置预留若干竖向或斜向贯穿孔洞；

S2、在空心管与各层圈梁交接处的空心管内填充高强混凝土混合料，该混合料的高度高出交接面50--150mm，相邻两个混凝土填充段之间填充轻质泡沫塑料分隔；然后在各层圈梁与空心管交接处沿空心管与混凝土填充段对应位置钻取若干个连接孔，用于穿插连接件；

S3、结构建造过程中，对应于组合漂浮结构的三层构件，需搭建对应的三层台架，自下而上对每一层构件进行定位，再用空心管自上而下穿过各层圈梁的竖向孔洞；然后在连接孔中插入连接件，使空心管、混凝土填充段和圈梁连接在一起，并用高强低收缩灌浆料灌注密封，使空心管与各层圈梁之间建立稳固的连接。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。