一种新型的Spar平台及其动力特性-2007

一种新型的Spar平台及其动力特性于国友,苗　青,秦怀泉(东莞理工学院建筑工程系,广东省东莞市　523808)摘　要:介绍了一种新型的Spar平台。

由于Spar平台属柔性连接结构,允许其在一定范围内运动,故二阶漂移力为系统稳定性的控制荷载,而线形波浪力则可导致系泊系统产生疲劳破坏。

为此,文中结合分析此新型平台所受水动力特性,比较其相对于现有Spar平台的优势。

由于浮筒位于水下一定深度处,新型平台所受线性波浪力和二阶波浪力均大幅度减小,尤其是后者可减至现有Spar平台受力的2%左右,所以大大地改善了平台的稳定性和系泊系统的抗疲劳破坏能力。

由于在上部平台和浮筒之间增加了导管架,使得各模块间的连接点大大减小,从而又方便了海上施工作业。

关键词:水动力特性;线性波浪力;二阶波浪力;Spar平台中图分类号:P751 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2007)01-0077-04引言随着海洋资源的开发不断地走向深海,一种新型平台Spar已被成功地建在3000m深的墨西哥湾中。

由于Spar 结构中的重力由浮筒浮力来平衡,所以其浮筒的直径一般在30m至50m之间,浮筒吃水200m左右。

虽然Spa r在正常海况下表现理想,但当波浪周期较大时平台可能与波浪发生共振,产生较大振动位移[1]。

为此,需要对其结构形式加以改进。

本文介绍并分析了一种已获国家专利的新型Spar平台[2]。

由于此平台可大大减小水平向波浪力和竖向变动浮力,所以大大提高了平台的稳定性和抗疲劳破坏能力。

水平波浪力的减小是由于在水面以下一定深度处采用导管架来代替浮筒,从而减小了迎水面面积。

同时迎水面面积的减小又减小了由于波面的变化引起的结构浮力变化,进而减小了竖向周期力的幅值,改善了系泊系统抗疲劳破坏能力。

二阶漂移力的减小可直接改善系统的稳定性,对结构起到保护作用[3]。

本文将结合比较新旧两种Spar平台形式,分析其所受线性波浪力和二阶波浪力幅值及其对平台运动的影响。

收稿日期:2006-09-20基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目。

作者简介:于国友(1966-),男,天津市人,教授,博士,从事海洋工程结构研究。

1　Spar平台所受线性波浪力为了简化计算,本文采用切片理论[4]计算并比较两种形式Spar结构所受波浪力。

同时,本文仅考虑引起浮筒沿Y轴平动的横荡及绕X轴转动的横摇运动的波浪力(如图1所示)。

两种运动形式相对应的运动方程可表示为:图1　波浪作用下的浮筒m Gb2=∑FI4G b4=∑式中:m为系统的质量;I4为系统绕过x’轴的惯性矩(x’轴过质心G,平行于x轴);G b2为质心的加速度;G b4为系统绕x’轴的角加速度;∑F和∑M分别为系统所受水平合力和绕G点的合力矩,由恢复力和波浪力产生。

第26卷　第1期2007年1月 海　洋　技　术OCEAN TECHNOLOGYVo l.26,No.1M arch,20071.1　浮力变化引起的恢复力恢复力产生的沿Y轴方向的力和绕x’轴的力矩可表示为:F2=0(3)F4=-c44G4(4)式中:c44=Q gA d BG+Q gA D42,A=P D24为浮筒的横截面积,当G点位于浮心B以下时,BG为正,否则为负。

1.2　波浪力波浪力产生作用在浮筒上的沿Y轴方向的力和绕x’轴的力矩可分别表示为:F y=∫-d1-d22Q A a y d z(5)M x=-∫-d1-d22Q A a y[z+(d B+BG)]d z(6) 为简化起见,本文计算波浪力时未考虑浮筒运动的影响,故浮筒对称轴上y=0,所以有a y=X2N a e k z co s X t有,方程(5)和(6)可分别写成:F y=∫-d1-d22Q A X2N a e k z co s X t d z=2Q gA N a(e-k d1-e-k d2)cos X t(7) M x=∫-d1-d22Q A X2N a e k z co s X t[z+(d B+BG)]d z=-2Q g A N a(Ce-k d1+D e-kd2)cos X t(8)式中:C=-d1+d B+BG-1k ,D=d2-d B-BG+1k2　Spar平台所受二阶波浪力本文将着重于比较新旧Spar平台所受波浪荷载的区别,而非研究精确计算二阶波浪力的方法,故仅对Berno uli 方程[5]中的二次项进行研究。

由于:pQ+5<5t+v22+gz=C(t)(9)则与二次项有关的漂移分布力可表示为:P dr if t=Q2N2a X2e2kz(10)从中可得出作用在浮筒上的总漂移力和漂移力矩分别为:F drif t=∫-d1-d2p drif t D d z=∫-d1-d2Q2N2a X2e2k z D d z=Q N2a X2D4k(e-2k d1-e-2kd2)(11) M drif t=∫-d1-d2p D[z+(d B+BG)]d z=∫-d1-d2Q2N2a X2e2kz[z+(d B+BG)]D d z=d1+(d2-d B-BG+12ke-2k d2(12)3　数值算例3.1　线性波浪力本文分析的新型Spar平台如图2(b)所示,其浮筒的直径为30m,吃水150m。

同时,本文将此新型结构形式与图2(a)所示现有Spar平台形式进行比较。

计算中取入射波波高为15m,波周期为13s。

为了使系统的重心位于浮心以下20m处,即BG=20m,在系统W点处设集中质量5000t。

本例新型Spa r结构中,浮筒的顶部位于静水面以下75m处,浮筒与上部平台间通过导管架或小柱体连接(图中J或SC)。

图2　两种spar平台两种形式Spar中浮筒所受线性波浪力如表1所示,从中可以看出新型结构形式中线性波浪力仅为原有结构形式的16.5%。

当然,由于本算例中未考虑浮筒的运动,所以所得结果均比实际值大。

不过,当考虑浮筒运动的影响时,两种结构所受波浪力的比值将不会受到太大影响。

虽然线性波浪力并非系统稳定性的控制荷载,却将直接导致系泊系统产生疲劳破环。

由于新型结构形式大大地减小了线性波浪力,从而也就大大降低了系统疲劳破坏的风险。

表1　两种Spar平台所受线性波浪力(F y)max(K N)(M x)max(KN・m)现有结构形式101068.85267308.5新型结构形式16706.6870937.8新/旧16.5%16.5%图3所示为简化后的Spar平台结构数值模型,其中钢质锚链直径为0.13m,水深1000m,系泊点处集中质量为108kg。

线性波浪力作用下,两种结构形式系泊点处的动力78 海　洋　技　术 第26卷响应如图4所示,从中可以看出新型形式使Spar 平台的振动幅度大大减小了。

图3　Spar平台数值模型图4　线性波浪力作用下Spa r 平台系泊点处的振动位移(单位:m )3.2　二阶波浪力由于Spar 平台为柔性连接结构,对系统稳定性起控制作用的是二阶波浪力。

为此,表2给出了新旧两种结构形式Spar 中浮筒所受二阶波浪力大小比较。

从中可以看出,新型Spar 平台所受二阶波浪力仅为现有Spar 平台的2.73%,从而大大改善了系统的稳定性。

表2　两种Spar 平台浮筒所受二阶波浪力F drif t (K N )M dr if t (KN ・m)现有Spar 4047300617.8新型Spar 110.68214.0新/旧2.73%2.73%由于此例所述新型Spar 中浮筒顶部处于静水面以下75m 处,浮筒顶部水压力将随波面的变化而变化。

如果没有足够的浮力储备来抵消此压力变化,系统将产生上下运动。

所以,此新型Spar 平台要求系统具备足够的浮力储备。

不过,由于浮筒顶部位于水面以下75m 处,所以此压力变化将不会很大。

本例中浮筒顶部压力变化的范围为:-8709.5kN 到8709.5kN ;如需将此压力变化的范围减至-4802.3kN 到4802.3kN ,则只需将浮筒顶部压至静水面以下100m 处即可。

此压力差相对于Spar 平台10万t 量级的浮力是微不足道的。

所以新型结构方案并不会带来大的问题。

特殊情况下,如需进一步减小浮筒顶部压力变化的范围,可通过进一步将浮筒向下压来实现。

4　结论由本文结果可以看出,系统所受线性波浪力和二阶波浪力均有较大减小,尤其是作为稳定性控制荷载的后者可减小到2.73%。

所以,新型的Spar 平台在成本变化不大的条件下,即可改善系统的稳定性,又能降低系统产生疲劳破坏的风险。

由于浮筒顶部处于水面以下,波面的变化必然引起一个变化的压力差,从而使系统产生上下运动的趋势。

但只要系统有足够的浮力储备即可消除此影响,而此浮力储备对Spar 而言不难做到。

最后,由于在浮筒和上部平台间增加了导管架,从而使系统各模块间的连接部分变得很小,从而缩短了海上作业时间,进而减小了施工成本和施工难度。

(下转第88页)79　第1期 于国友等:一种新型的Spa r 平台及其动力特性 6　结论通过本次爆破工程实践,我们认为采用爆破方法清除海湾港口工程中废弃的混凝土构筑物是一种快速、有效的方法,在具体施工过程中需要对爆区范围内的目标进行可靠的安全校核,以确保爆破效果和爆破安全。

参考文献:[1]　GB6722-2003,爆破安全规程[S].[2]　刘殿中.工程爆破实用手册[M].北京:冶金工业出版社,1999.[3]　于亚伦.工程爆破理论与实践[M].北京:冶金工业出版社,2004.[4]　张可玉.水下爆破技术[M].青岛:海军潜艇学院出版,2000Blasting Demolition of an Isolated Concrete Structure on the SeaZHAN F a-min,X U M ing-qing,W AN G Xing-y an,Z HO U F ang-y i(N avy Submar ine A cademy,Qingdao266071,China)Abstract:Blast ing demolition is an efficient m et hod used in o cean engineer ing t o clear isolated ro ck o r concret e str uct ur es.In this paper,the detailed blasting demolit ion plan t o clear an isolated co ncr ete st ructure on the sea is intro duced,which has r ef-erence to similar pr oject.Key words:Blasting demo litio n;insolated co ncr ete str uct ur e;O cean eng ineering(上接第79页)参考文献:[1]　Rh o,JB,Choi HS,Shin HS and Park IK.A Stud y on M ath ieu-type Ins tability of C on ventional Spar Platform in Regu lar W aves[J].Int J Offs hore and Polar Eng,ISOPE,2005,15,(2):104-108.[2]　于国友.抗外力强稳定性高的海上平台[P].中国:200520027268.0,2005.[3]　M a,QW an d Patel,M H.On the non-linear forces acting on a floating s par platform in ocean w aves[J].Applied Ocean Research,2001,23:29-40.[4]　李远林.近海结构水动力学[M].广州:华南理工大学出版社,1999,153-154.[5]　夏国泽.船舶流体力学[M].武昌:华中科技大学出版社,2003,44-46.A N ew Spar Plat fo rm and Its Hydrodynamic A nalysisYU Guo-yo u,M IA O Qing(D ep ar tment of Civ il Engineer ing,D onguan U nivers ity of T echnology,D ong uan523808,China)Abstract:A new spar platfo rm and its adv ant ages are intr oduced in this paper.T he hy dr odynamic for ces on a new fo rm of spar ar e ana ly zed in co mpariso n w ith the exist ing for m in t his paper.Both linear and seco nd or der wav e fo rces are considered.T he results sho w t ha t as the cylinder is pushed do wn to the wat er,the hydro dy namic fo r ces are r educed gr eatly,especially fo r the 2nd or der for ces which ar e the co ntr ol lo ads fo r the stabilit y of t he sy stem.Key words:hydro dy na mic;linear wav e for ce;2nd or der w ave fo rce;spar platfo rm88 海　洋　技　术 第26卷。