基于潟湖环境的超大型浮式结构物设计

柯 杰 骆 钊

1 中交第二航务工程局有限公司 2 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室 3 交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心

1 引言

VLFS(Very Large Floating Structure，超大型浮式结构物)是指尺度以公里计的海洋浮式结构物。由于其尺寸巨大，材料强度一般难以满足要求，需由多个单元模块采用柔性连接器连接而成。根据单元模块形状的差异，可分为箱式结构和半潜式结构。箱式结构类似于驳船或浮箱，其典型代表便是日本于1999年在神奈川县横须贺港建成的海上漂浮机场，机场由6块长380 m、宽60 m、高3 m 的模块焊接而成[1]。半潜式结构将提供浮力的主体没于波浪影响范围以下，具有波浪荷载弱、运动响应小、横摇周期长、适航性强等优点。美国在一战结束后，便提出这种基于半潜式模块的VLFS，作为飞机加油或停留的海上基地。1992年，美国国防部启动可移动浮式基地MOB研究，研发了由6个半潜式模块连接而成的VLFS，并验证了其可靠性。

日本漂浮机场建成后，国内越来越多学者对VLFS进行了研究。崔维成指出VLFS研究中的6个关键技术问题，其中前两个是VLFS的概念设计和水动力预报[2]。舒志基于三维势流理论模拟了箱式VLFS在波浪中自由漂浮时的运动响应[3]。李文龙等介绍了VLFS设计中系泊布置、系缆桩选择及其运动方程式[4]。寇雨丰提出了适应于深远海的VLFS概念设计[5]。李良碧对VLFS单模块的强度进行了分析，得出了上箱体、立柱和下浮体等连接处应力较大的结论[6]。

在外海岛礁中，诸多环礁内的潟湖波浪条件良好、水深较大、水域面积宽广，可建设VLFS发展水上建筑群，补充岛礁陆域不足的缺陷。本文提出了四立柱和九立柱半潜式平台模块方案，并与传统的半潜式模块进行比较，模拟VLFS在潟湖内外极限工作海况下的运动响应，分析得出不同方案的优劣和适用性。

2 初步设计

传统的半潜式VLFS主要被设计为可移动的基地，也称为移动浮式基地，已有较多学者研究。结构上一般由4～6个半潜式模块通过柔性连接器连接而成，模块长约300 m，宽度在75～130 m之间，甲板以下由2个下体和多个立柱组成，其结构见图1。

图1 传统半潜式VLFS示意图

本文基于潟湖内良好的水文条件，提出了2种半潜式平台单元模块方案，下体浮箱为连续整体，可提供更大承载能力。根据结构立柱数量不同，定义为四立柱平台方案和九立柱平台方案，对比分析其与传统的半潜式方案性能的优劣。为了避免多个VLFS连接时发生碰撞，下体长宽均小于上体的长宽；不同立柱的长宽和立柱间距参考浮体稳性；立柱高度为使模块下体结构避开波能的集中区域，距离波面2～3倍波高的范围。

为方便表达，传统的半潜式方案简称为方案1，四立柱平台方案简称为方案2，九立柱平台方案简称为方案3，各方案的设计参数见表1。

表1 VLFS模块设计参数

3 可靠性验证

VLFS属于大尺度结构物，主要承受波浪的惯性力和绕射力，可采用势流理论计算VLFS的运动响应及波浪载荷。3种方案的计算网格见图2，网格间距为1 m。

图2 设计方案的计算网格

采用频域计算来分析结构物的运动响应。选用角速度ω为0.01～2 rad/s，间隔0.2 rad/s共11个波频，浪向角选取0°、30°、60°、90°共4个浪向，其中0°浪向指的是横浪，90°浪向指的是纵浪。3个方案在横浪作用下(0°浪向)的六自由度运动RAO示例见图3。

图3 不同方案在横浪作用下的六自由度运动RAO

由图3可得：①当遭遇频率ω趋向于0时，单位波幅下的VLFS垂荡幅值趋近1 m，ω趋向于+∞时，单位波幅下浮式结构物的垂荡幅值趋向于0，即当波浪波长无限长时，VLFS随水质点运动，当波浪波长趋向于0时，VLFS基本无运动响应；②横浪作用下，各方案的横摇值和横荡值较大，纵摇值和纵荡值几乎为零。从以上分析可见，VLFS运动响应符合运动规律，计算结果可信。

4 短期预报

4.1 潟湖外极限工作海况下的短期预报

外海中的海况相对恶劣，通常限定极限工作海况为6级海况，对应波高为6 m，周期9.8 s，波浪谱为Pierson Moskowitz谱。对不同浪向下浮式结构物的运动响应进行短期预报，预报时长为3 h。该工作海况下，VLFS沿X、Y、Z方向的偏转运动与位移运动可能出现的最大值见表2，最大波浪荷载见表3。

表2 6级海况下的偏转和位移运动

表3 6级海况下的波浪荷载

由表2可知：①随浪向增大，横摇横荡的幅度不断减小，纵摇纵荡不断增大，计算结果符合基本规律；②对于外海风浪较恶劣的海域，船型方案的VLFS的最大横摇值相对较小，为1.86°，而四立柱和九立柱平台方案的最大横摇值分别为3.44°和2.4°；③6级海况下，各方案的位移运动均相对较小，x、y、z向的位移均在3.8 m以内。

由表3可知：①随浪向增大，Fx不断减小，Fy不断增大，计算结果符合基本规律；②VLFS模块受到的波浪荷载较大，受波浪浮拖力和较大排水量的影响，在6级海况下的最大波浪荷载均是在浪向角为0°时的z向荷载，3个方案的最大值依次为364 MN、287 MN和547 MN；③VLFS模块在6级海况下的最大波浪荷载均是浪向角为0°时z向荷载。

4.2 潟湖内极限海况下的短期预报

考虑环礁的掩护作用，模拟分析可得潟湖内可能出现的极限海况的有义波高为3 m、谱峰周期为7 s，波浪谱为Pierson Moskowitz谱。对VLFS在潟湖内极限海况下运动和荷载进行短期预报，预报时间为3 h。该海况下VLFS的运动响应见表4，波浪荷载见表5。

表4 极限工作海况下的偏转和位移运动

表5 极限工作海况下的的波浪荷载

由表4可知：①九立柱平台方案的运动响应相对较小，纵横摇值均在0.22°以内，四立柱平台方案，由于排水量较小，导致运动响应更大，最大偏转是横摇(纵摇)1.26°；②船型结构的运动响应，受浪向角影响较大，当浪向角在60°～90°时，该方案的响应较小；③在潟湖内九立柱平台方案偏转和平移运动均较船型方案小。

由表5可知：①VLFS模块在潟湖内极限海况下的最大波浪荷载均是浪向角为0°时的z向荷载，最大值是船型方案1的167 MN，此时船型方案的x向荷载也较其他方案大；②方案2由于结构尺寸较小，运动响应较大，但受到的波浪荷载其实是最小的，其波浪荷载最大为45 MN；③由于波浪周期较小，z向的浮拖力减小明显，方案3在潟湖内z向受力的大小约为外海中的27%。

综上所述，在潟湖内海域，九立柱平台结构VLFS的运动响应和受力较船型方案更小，性能更优。

5 结语

根据船型结构和平台结构两类半潜式浮式结构，对比分析了传统半潜式、四立柱和九立柱半潜式平台模块设计方案，校核了各方案的初稳性，模拟了运动响应RAO，对各方案在潟湖外极限生存海况(波高6 m，周期9.8 s)和潟湖内极限工作海况(波高3 m，周期7 s)下的运动响应及波浪荷载进行了短期预报。结果表明：潟湖外恶劣海况下，传统的船型VLFS的纵横摇值和荷载相对较小，结构性能优于平台方案；但在潟湖内海况下，九立柱平台方案的运动和受力均最小，性能更优。