CH113吸力贯入式板锚

吸力贯入式板锚的设计与性能
摘要
这篇论文展示了西澳大利亚大学过去五年所做的关于优化埋入式板锚的设计和性能的研究。

从物理模拟，塑性分析和数值建模的角度展示了的锚的性能的基本特征，几何结构，切向偏心和锚眼偏心相关，以及翼板转动的设计。

切向偏心导致的埋深损失的降低（有益）和承载力的减小（有害）的组合效应，以及现在低效的翼板的转动上拔将会是这篇论文主要的着眼点。

优化后锚的设计应满足以下条件（i）在转动上拔过程中限制埋置损失，（ii）使转动上拔结束后承载力达到最大值，（iii）在系缆上加载荷的情况下使锚能够切入更坚硬的粘土中。

这些结论可以外推至其他锚的设计，例如动力贯入锚，其特点是性能受眼板的位置影响。

1 简介
吸力贯入式板锚是用于将大型漂浮设备系泊于海底软土而发明的一种高效经济的锚泊系统。

其组成部分有一个薄细锚爪，将锚爪连接至锚眼（即载荷中心）的锚杆，以及铰接于锚爪顶端的可转动翼板（图1）。

吸力沉箱是用来将板锚安装至其设计埋深的。

在2004年以前，吸力贯入式板锚的现场应用只限于模块化平台的临时锚泊。

其第一次永久使用是在2006年时用来锚泊墨西哥海湾的一座浮式采油平台。

Figure 1.S chematic of a SEPLA with main notations.
安装就位后，板锚必须从其初始的垂直位置转动上拔（旋转）至与系缆力相正交的倾
斜位置，以此来获得最大的投影面积和承载力。

这可以通过张紧锚链及在锚上加上其最大载荷的20-30%做到。

在转动上拔过程中，锚将做垂直运动，导致其埋深降低。

对于一般情况下不排水抗剪强度随深度增加而增大的正常固结粘土来说，任意埋深的损失将会导致板锚的抗拔承载力减小。

而可转动的翼板原本就是为限制板锚的埋深的降低以及与之相关的抗拔承载力的减小而设计的。

首次使用了离心模拟实验并做了大变形有限元分析后，吸力贯入式板锚的转动上拔过
，锚程被进行了广泛研究。

早先的研究结果将埋深损失的降低归因于板锚的法向偏心距e
n
的质量W’以及锚眼处的拉力倾角θ
这使在软质粘土中受竖向载荷时埋深损失为锚体宽度
A。

B的0.5-1.5倍的这一猜想具有了一定的可信度。

这篇论文总结了过去五年西澳大利亚大学在海上基础设施中心所做的基于早先的研究结果而建立的关于吸力贯入式板锚的性能的研究。

其着眼点在于可转动上拔的翼板，因翼板而引入的切向偏心e
以及锚的拖曳后轨迹。

通过物理建模，有限元分析和塑性分析的
p
方法得出了结果。

将他们得出的结果和关于锚链的分析相结合，就可以完整模拟出吸力贯入式板锚的工作表现。

2 吸力贯入式板锚的原始设计
2.1 相关概念及期望工作表现
吸力贯入式板锚通常包含一个可转动翼板以来限制其转动上拔过程中导致的锚的竖向位移。

而翼板是一个连接在锚的顶端的实心板，它可以一边旋转一边远离锚杆（约20度）并避免转向锚杆。

早期现场实验希望实现其增大吸力贯入式板锚的竖向载荷面积并防止其在张紧时回到原始安装轨道的目的。

这一期望效果见图2。

Figure 2.I ntended mechanism of the keying flap.
在锚的转动上拔过程中，作用在翼板上的剪力因为铰的偏心距s将在该处产生力矩，导致其旋转远离锚杆。

此时转动上拔的翼板会提供额外的轴承阻力来对抗竖向位移，因此埋置深度的损失将降低。

2.2 观测到的缺陷
Gaudin通过将深埋于正常固结粘土中的吸力贯入式板锚垂直拔出的离心实验得出了关于翼板的性能的实验数据。

从动力学角度分析，如图3所示，证明了在锚体的转动上拔过程中翼板并不运动（旋转），反而是在转动上拔的最后阶段，即当锚在张紧力方向做平动时，其处于运动状态。

一个简单的均衡分析从动力学角度解释了翼板的运动机理。

沿翼板的剪力产生了一个铰力矩，正如所推测的那样，当板锚旋转时作用于翼板后部的土层支承压力可产生力矩将其抵消。

后者在数量级上更大，这是因为如图4所示的支承压力很大并且力臂也很长。

力矩的平衡阻止了翼板随着板锚的旋转而旋转。

当转动上拔过程结束，锚开始做平动，剪力产生的力矩就消失了，但此时剪力作用于翼板前部，导致其开始转动。

Figure 3. SEPLA motion during pullout in soft normally consolidated clay.
Figure 4.SEPLA motion during pullout in soft clay.
这些现象引起了一个关于翼板性能和再设计的综合研究。

其最终目的是减少埋深的损失并弄清在旋转上拔后板锚平动时翼板的旋转将对锚的载荷量产生多大的影响。

3 转动翼板的性能
3.1 翼板运动
Wang 进行了大变形有限元分析以还原早前的离心机测试并计算作用于铰的力矩。

实验结果证实了之前的观测并表明从动力学角度来说，翼板的转动本质上是由板锚的法向偏所控制的。

较大的偏心将导致锚在垂直方向上的转速增大，从而在翼板运动时增大心距e
n
阻碍它的铰力矩。

事实上相比无翼板的锚来说，翼板的存在就是为了减少转动上拔过程中
埋深的损失。

然而这一效果并不是通过翼板的运动实现的，而是通过锚眼的切向偏心距e
p 完成。

实验结果也显示出载荷偏移量和板锚转动上拔结束后翼板的运动都将造成锚的承载量的减小。

详细的将在后续讨论。

在Tian进行了小应变二维有限元分析后，关于转动翼板的性能有了更进一步的认识。

时翼板的转速变化，这一倾角可控制锚在垂直方向上运图5展示了眼板上存在拉力倾角θ
a
动时的转速。

这些分析是在不同的粘土和锚重组合下进行的，两者也都影响着锚的转速。

Figure 5. Keying flap rotation rate α˙ as a function of the load inclination at padeye θa.
按照锚的安装来看，眼板处倾角通常接近90°，同时在泥线处的倾角可小至0°。

当系缆张紧时，它切入粘土并将载荷传递给锚，这一力的传递引起了转动上拔过程。

最终，在系缆张紧和锚的旋转的共同作用下，眼板的倾角逐渐减小。

然而在该过程中这一倾角并不会一直无限减小，而是通常保持在50°以上。

只有当转动上拔过程结束后，角度才会减小至小于40°。

如图5所示，这些情况将会导致翼板顺时针旋转，然而这在当今的设计中是不可能完成的。

只有当外荷倾角小于45°时（具体情况视锚重而定），翼板才会发生逆时针旋转，因为此时锚载荷作用于板前端并且相比转动，锚开始做更多平动。

3.2 备选的翼板设计
无论是实验还是数值分析都证实了现今转动翼板设计方面的低效。

关于图4的力的平衡分析提供了一种或许可行的更高效的计方式。

通过简单的改变铰键的指向就可以使在转动上拔过程中作用于后部的载荷驱使其旋转，而在锚开始平动时作用于前部的载荷则会使它停止，以此来限制载荷量的减小。

，这一可供替代选择的设计和其他四种一起，都是由Tian通过改变锚眼切向偏心矩e
p
进行大变形有限元分析提出的。

对于仅有竖向载荷的情况（此时产生最大的埋深损失），相比于标准状况的襟翼（锚B），反向襟翼（锚D）不仅能减少埋置深度的损失，还能增
的锚C和大载荷量，如图6所示。

不止如此，将平板锚D与不含襟翼但含有相似偏心距e
p
的的锚E比较，可得出埋置深度的损失是由转动上拔的翼板（~60%）含有襟翼但不含偏心距e
p
和锚眼的切向偏心距e
（~40%）共同作用的结果。

p
Figure 6. Load displacement curves for alternative SEPLA designs.
关于翼板长度影响的研究显示将翼长改为锚体宽度B的0.38倍时可提供一种减少埋深损失的备选的设计方法（见图7）。

总而言之，备选的在竖向载荷下吸力贯入式板锚的设计方法显示埋深将损失约锚体宽度B的22%，支承系数N0u约为11。

与深埋矩形锚的支承系数相比（在L/B=2时，N0u~13.29），这一数值要小一些。

载荷量的减小是由于眼板偏移量造成的，详情将在后续讨论。

Figure 7. Influence of the flap length of the anchor loss of embedment.。