超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展及研究綜述

楊 琳，高艷紅

（1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；2.嘉實(shí)集團(tuán)，上海 201804）

超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展及研究綜述

楊 琳1，高艷紅2

（1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306；2.嘉實(shí)集團(tuán)，上海 201804）

對于海洋工程中，浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要具有強(qiáng)度高、易于工業(yè)化生產(chǎn)、耐波性好、造價(jià)低等特點(diǎn)。為滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐的需要，應(yīng)對浮式網(wǎng)架的相關(guān)成果進(jìn)行分析研究，探知各不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，為提高實(shí)際結(jié)構(gòu)工程承載能力、保證工程的安全穩(wěn)定性提出有效的優(yōu)化途徑，向?qū)嶋H工程提供可靠的理論依據(jù)。

超大型浮式結(jié)構(gòu)；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；有限元分析

0 引言

超大型浮式結(jié)構(gòu)作為一種新型海洋結(jié)構(gòu)，具有工期短、工藝化程度高、消波性能好等特點(diǎn)，能有效地緩解陸地空間局限及能源緊張情勢。各學(xué)者針對新型海洋結(jié)構(gòu)浮式網(wǎng)架的相關(guān)理論研究主要集中在浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型與整體穩(wěn)定性分析。具有超大尺寸的結(jié)構(gòu)在海洋工程環(huán)境中面臨著極為復(fù)雜的受力狀況和破壞型式，研究其整體性及穩(wěn)定性至關(guān)重要。

1 國外超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

1957 年美國生產(chǎn)了首個(gè)浮式鉆井船。這種平臺的穩(wěn)定性差、耐風(fēng)浪能力差。1962 年美國建造了首個(gè)半潛式鉆井平臺，此平臺適于深水作業(yè)，抗風(fēng)能力強(qiáng)。隨水深的逐漸加大，又相繼出現(xiàn)了獨(dú)柱式和張力腿式平臺［1］。日本提出了"綠色浮蓮"的設(shè)想，擬在海面上建造由浮筒與鎂合金構(gòu)成的城市［2］。日本已成功在阿拉伯建設(shè)了一座浮動(dòng)在海面上的“小城市”。其主體為鋼鐵結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的生活?yuàn)蕵吩O(shè)施齊全，將其支撐柱收起便可以化身成船行駛。

2 國內(nèi)超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

2002 年，朱克強(qiáng)等人針對海洋浮式結(jié)構(gòu)開展了流固耦合的動(dòng)力建模數(shù)值分析。針對理性流體，列出了流固耦合結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程，推導(dǎo)了用于模態(tài)分析方法的計(jì)算公式［3］。2009 年，桑松對深海中的多體式浮式結(jié)構(gòu)物進(jìn)行求解，構(gòu)建了浮態(tài)方程，同時(shí)給出了求解方法，并經(jīng)驗(yàn)證輸出結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)較吻合［4］。2011 年，張法富等人關(guān)于波浪力對超大型浮式結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析。針對新型結(jié)構(gòu)深水環(huán)形浮式人工港，考慮4 種海洋工況，預(yù)報(bào)了波浪誘導(dǎo)作用下的剖面剪力和彎矩荷載［5］。2012 年，黃燦光等人提出了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的海洋建筑物與海上風(fēng)電海洋平臺。2014 年，某研究院推出了“南海島礁建設(shè)技術(shù)儲備研究課題”，此課題主要針對以珊瑚礁為基礎(chǔ)的人工島的構(gòu)建進(jìn)行研究，為將來島礁的建造提供設(shè)計(jì)方案的參考。

超大型浮式結(jié)構(gòu)自提出以來，經(jīng)過了在波浪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、流固耦合分析、模態(tài)求解以及新結(jié)構(gòu)形式的提出等階段，逐漸顯現(xiàn)出發(fā)展超大型浮式結(jié)構(gòu)的必要性，海洋空間的利用對現(xiàn)代社會的發(fā)展越發(fā)重要，中國逐漸轉(zhuǎn)向并重視相應(yīng)工程的建設(shè)，并作出了相關(guān)研究。

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

2000 年，劉開國講述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的極限承載能力，提出了一種簡捷的分析法，為后期的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論意義［6］。2002 年，李剛等人改進(jìn)了一次二階矩法偶爾不收斂時(shí)的處理方法，修正了兩點(diǎn)自適應(yīng)法下對失效曲面擬合的算法，進(jìn)而把結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算模塊與ANSYS 軟件相連，并簡要討論了其失效模式［7］。2007 年，李義生等人分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的損壞類型和原因，提出了其可靠性分析的理論方法，匯總得出對應(yīng)的加固處理辦法［8］。同年，馬汀探究了鋼結(jié)構(gòu)的檢測和監(jiān)測理論，并樹立了已建鋼結(jié)構(gòu)建筑的考核標(biāo)準(zhǔn)［9］。2010 年，劉文白等人對適用于20-30 m 水深的導(dǎo)管架式碼頭進(jìn)行了分析，對各尺寸進(jìn)行了一系列的調(diào)整，對比分析不同方案下整體結(jié)構(gòu)的剛度和極限承載力［10］。2011 年，曾輝使用有限元法針對大跨度開洞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，關(guān)于開洞位置與開洞大小對網(wǎng)架特性的影響進(jìn)行了研究［11］。

之前學(xué)者提出了許多網(wǎng)架結(jié)構(gòu)類型，并對其有一定的理論研究，大多通過有限元軟件分析結(jié)構(gòu)的靜力特性、動(dòng)力特性、承載力、耐久性與自振特性等，再與實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行對比分析。而對于超大型浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可參考已有較完善研究成果的陸上空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。進(jìn)而考慮海洋工程的環(huán)境特點(diǎn)，為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)入海洋工程建設(shè)提供了理論參考。

4 結(jié)語

越來越多超大型浮式結(jié)構(gòu)的投產(chǎn)，極大促進(jìn)了海上浮城、機(jī)場等的實(shí)現(xiàn)，對國家發(fā)展具有非凡的意義。鑒于其強(qiáng)度高、易于制造安裝、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，超大型浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大力發(fā)展是社會需求，更是必然趨勢。

［1］李芬，鄒早建.浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27（05）：682-686.

［2］日本：提出建設(shè)漂浮城市的“綠色浮蓮”構(gòu)想［J］.現(xiàn)代城市，2010（04）：64.

［3］朱克強(qiáng)，李道根等.海洋浮式結(jié)構(gòu)流固耦合動(dòng)力建模分析［J］.華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，16（01）：1-6.

［4］桑松，徐學(xué)軍.深海多體式浮式結(jié)構(gòu)物浮態(tài)求解［J］.中國海洋平臺，2009，24（05）：34-40.

［5］張法富，劉建輝，鐘文軍.波浪作用下的超大型浮式結(jié)構(gòu)物整體受力研究［C］.第十三屆中國科協(xié)年會第13 分會場-海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集.2011：1-5.

［6］劉開國.網(wǎng)架極限承載力的簡捷分析［J］.空間結(jié)構(gòu)，2000，6（03）：11-15.

［7］李剛，許林，程耿東.基于ANSYS 軟件的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002，32（05）：58-61.

［8］李義生，齊衛(wèi)紅，馬志華等.鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)損壞的原因和加固措施［J］.天津科技，2007（03）：71-73.

［9］馬汀.既有建筑鋼結(jié)構(gòu)健康檢測與監(jiān)測框架體系的研究［D］.同濟(jì)大學(xué)，2007.

［10］劉文白，馮基芳.大型離岸深水導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)選型［A］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2010，6（02）：26-31.

［11］曾輝.大跨度開洞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能研究［D］.武漢理工大學(xué)，2011.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.191

楊琳（1992-），瑤族，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向：海洋與水利工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。