影响气浮结构浮稳性的因素分析

卓勇刚（重庆市北碚区建设工程质量监督站，重庆　400700）



影响气浮结构浮稳性的因素分析

卓勇刚
（重庆市北碚区建设工程质量监督站，重庆400700）

摘要：以箱型气浮结构为研究对象，通过建立模型、设计组合，对不同分舱、不同吃水情况下结构的浮稳性进行了对比分析，指出对气浮结构内部进行适当的分舱是气浮结构增强浮稳性的主要措施。

关键词：气浮结构，稳性，分舱，吃水

1　气浮结构的应用及关键技术

传统的海洋结构物如浮式平台、船舶结构等，其底部都是封闭的，随着海上油气以及海上能源（风能、波浪能、潮汐能等）开采利用的多样化发展以及经济效益、环境效益和社会效益的综合考虑，传统浮体的实用性越来越受到限制，在这种形势下，具有陆上预制、自浮拖航、负压下沉等优点的气浮结构应运而生［1-3］。这种结构已经在边际油田的开发（见图1）、海上风力发电（如图2所示）以及防波堤（如图3所示）等领域被采用［4-9］。更广阔的应用将可以用于海上大型浮式结构、跨海大桥基础、海军码头的兴建以及海上补给平台的兴建等工程领域。

图1　JZ93系缆平台

图2　风力发电筒型基础

图3　箱筒型防波堤基础

气浮拖航技术是气浮结构海上施工的关键技术之一，在结构漂浮于海面的过程中，结构的浮稳性是保证其安全施工的关键。增强气浮结构浮稳性的工程措施有：1）多个气浮结构通过合理的位置布置；2）增设浮箱抗沉；3）小型浮吊扶正。此外，对于单个气浮结构，通过合理的内部分舱可以满足结构的浮稳性要求［10］，但是对于大型的气浮结构，只在一个方向分舱不能满足沉放过程中精细化调平的需要。本文通过设置四分舱、九分舱以及十六分舱的形式对气浮结构的浮稳性进行探讨分析，得到了一些结论用于指导工程实践。

2　箱型气浮结构浮稳性分析

对于普通刚性浮体，根据船舶静力学相关知识，当其重心高于浮心时，浮体可能能够稳定地浮起，但对于单个气浮结构，当其重心高于浮心时，要稳定地浮起就比较困难。因为当水面有扰动时，会影响结构内气—水交界面的扰动，从而影响浮心的位置，使结构发生倾覆，在结构倾覆的过程中，结构内气—水交界面基本上保持水平，使得浮心始终位于结构轴线上，不存在浮心移动，浮力不产生抗倾覆力矩，倾覆会继续发展下去。因此单个气浮结构的重心高于浮心时，在扰动作用下，气浮体不稳定。要使单个气浮结构通过气浮方式稳定地漂浮，就需要在结构内部设置分舱格，构成多个气浮体共同作用，或采取绑缚浮筒、驳船运输等措施。

2.1模型建立

图4　计算模型

以箱型气浮结构为例，建立如图4所示的计算模型，其中方向x为结构长度方向，长度为L，y方向为结构的宽度方向，宽度为B，z方向为结构的高度方向，高度为Hs；图4b）中，H为结构的吃水深度，H1为结构内部水位高度，ha为内部气柱的高度。

根据参考文献［10］所述，分舱可以显著提高气浮体的浮稳性，但随着分舱的个数增加，其提高的幅度不甚显著，建议分舱的个数控制在2个～4个；要想使得分舱后浮稳性效果最好，即初稳性高最大，其每个分舱的宽度建议为B/N或L/N；由于气浮结构在运输、沉放的过程中，在运输过程中的行进方向、沉放过程中的调平都是通过舱室内部气体的量进行调整的，有鉴于此，本文选取在x，y方向上分别取分舱个数为2，3，4的箱型气浮结构进行研究，计算的参数见表1，具体的分舱形式见图5～图7。

表1　气浮结构参数表

图5　四分舱图　

图6　九分舱图

图7　十六分舱图

2.2分析组合

对于形状、质量等固定的箱型气浮结构，影响箱型气浮结构浮稳性的主要因素为吃水、分舱的形式。根据正交组合设置的原则，文中选取分舱数分别为四、九、十六三种组合以及吃水分别为2.0 m，2.5 m，3.0 m三种组合，对于不同吃水其分舱个数为16个，对于不同分舱其吃水取为3.0 m。

3　数据分析

3.1不同分舱初稳性高分析

表2为吃水为3.0 m情况下不同分舱箱型气浮结构的初稳性高。从表2中可以看出，随着分舱的增加其初稳性高呈增加的趋势；随着分舱从4个增加到9个、从9个增加到16个，其初稳性高ρx增加的幅度分别为20.7%和5.9%，增幅降低。原因是由于分舱的增加，在结构由于外界扰动运动过程中，用以产生绕旋转中心轴的截面抵抗矩的分舱个数以及作用距离都呈增大的趋势；而随着分舱的增加，结构将越来越接近普通刚底浮体，其截面抵抗矩存在一个上限，即普通刚底浮体的截面抵抗矩。

表2　不同分舱初稳性高

3.2不同吃水初稳性高分析

表3为分舱为16个情况下不同吃水箱型气浮结构的初稳性高。从表3中可以看出，随着吃水的增加，其气浮力折减系数和初稳性高都呈增加的趋势。吃水的增加，重心和浮心作用点之间的距离由于气体的可压缩性缩短，气浮力折减系数增加，截面抵抗矩增加，稳心半径相应增大，在吃水从2.0 m增加到2.5 m、从2.5 m增加到3.0 m过程中其初稳性高分别增加0.76 m和0.79 m，初稳性高增加明显。

表3　不同吃水初稳性高

4　结语

本文结合气浮结构这一特殊的海洋结构形式，对结构在不同分舱、不同吃水情况下的浮稳性进行了研究，得到如下结论：在没有其他辅助工程措施的情况下，通过对结构内部进行分舱是气浮结构保持其浮稳性的主要措施，分舱对浮稳性的增强存在一个上限；为了施工过程中节省材料、沉放过程中调平精细，建议对舱格进行等分布置，舱格数建议4个～9个为宜。

参考文献：

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［3］别社安，时忠民，王翎羽.气浮结构的运动特性研究［J］.中国港湾建设，2001（2）：18-21.

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［7］倪云林，辛华龙，刘勇.我国海上风电的发展与技术现状分析［J］.能源工程，2009（4）：21-25.

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［9］Ding Hongyan，Zhang Puyang，Le Conghuan，et al.Construction and Installation Technique of Large-Scale Top-Bearing Bucket Foundation For Offshore Wind Turbine［A］.In：Proceedings of The 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering［C］.2011：7234-7237.

［10］别社安，徐元锡，祝业浩.增强结构气浮稳性的分舱法及优化分析［J］.中国港湾建设，2000（1）：1-4.

Analysis on the factors influence of air floating structure stability

Zhuo Yonggang
（Chongqing Beibei District Construction Quality Surveillance，Chongqing 400700，China）

Abstract：Taking the box air floating structure as the research object，through the model establishment，design combination，this paper compared and analyzed the floating stability of different subdivision，different draft conditions of the structure，pointed out that the proper subdivision of internal air floating was the main measures of air floating structure to enhance the floating stability.

Key words：air floating structure，floating stability，subdivision，draft

中图分类号：P752

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0219-02

收稿日期：2015-12-15

作者简介：卓勇刚（1964-），男，高级工程师