影響氣浮結構浮穩性的因素分析

卓勇剛（重慶市北碚區建設工程質量監督站，重慶　400700）

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影響氣浮結構浮穩性的因素分析

卓勇剛
（重慶市北碚區建設工程質量監督站，重慶400700）

摘要：以箱型氣浮結構為研究對象，通過建立模型、設計組合，對不同分艙、不同吃水情況下結構的浮穩性進行了對比分析，指出對氣浮結構內部進行適當的分艙是氣浮結構增強浮穩性的主要措施。

關鍵詞：氣浮結構，穩性，分艙，吃水

1　氣浮結構的應用及關鍵技術

傳統的海洋結構物如浮式平臺、船舶結構等，其底部都是封閉的，隨著海上油氣以及海上能源（風能、波浪能、潮汐能等）開采利用的多樣化發展以及經濟效益、環境效益和社會效益的綜合考慮，傳統浮體的實用性越來越受到限制，在這種形勢下，具有陸上預制、自浮拖航、負壓下沉等優點的氣浮結構應運而生［1-3］。這種結構已經在邊際油田的開發（見圖1）、海上風力發電（如圖2所示）以及防波堤（如圖3所示）等領域被采用［4-9］。更廣闊的應用將可以用于海上大型浮式結構、跨海大橋基礎、海軍碼頭的興建以及海上補給平臺的興建等工程領域。

圖1　JZ93系纜平臺

圖2　風力發電筒型基礎

圖3　箱筒型防波堤基礎

氣浮拖航技術是氣浮結構海上施工的關鍵技術之一，在結構漂浮于海面的過程中，結構的浮穩性是保證其安全施工的關鍵。增強氣浮結構浮穩性的工程措施有：1）多個氣浮結構通過合理的位置布置；2）增設浮箱抗沉；3）小型浮吊扶正。此外，對于單個氣浮結構，通過合理的內部分艙可以滿足結構的浮穩性要求［10］，但是對于大型的氣浮結構，只在一個方向分艙不能滿足沉放過程中精細化調平的需要。本文通過設置四分艙、九分艙以及十六分艙的形式對氣浮結構的浮穩性進行探討分析，得到了一些結論用于指導工程實踐。

2　箱型氣浮結構浮穩性分析

對于普通剛性浮體，根據船舶靜力學相關知識，當其重心高于浮心時，浮體可能能夠穩定地浮起，但對于單個氣浮結構，當其重心高于浮心時，要穩定地浮起就比較困難。因為當水面有擾動時，會影響結構內氣—水交界面的擾動，從而影響浮心的位置，使結構發生傾覆，在結構傾覆的過程中，結構內氣—水交界面基本上保持水平，使得浮心始終位于結構軸線上，不存在浮心移動，浮力不產生抗傾覆力矩，傾覆會繼續發展下去。因此單個氣浮結構的重心高于浮心時，在擾動作用下，氣浮體不穩定。要使單個氣浮結構通過氣浮方式穩定地漂浮，就需要在結構內部設置分艙格，構成多個氣浮體共同作用，或采取綁縛浮筒、駁船運輸等措施。

2.1模型建立

圖4　計算模型

以箱型氣浮結構為例，建立如圖4所示的計算模型，其中方向x為結構長度方向，長度為L，y方向為結構的寬度方向，寬度為B，z方向為結構的高度方向，高度為Hs；圖4b）中，H為結構的吃水深度，H1為結構內部水位高度，ha為內部氣柱的高度。

根據參考文獻［10］所述，分艙可以顯著提高氣浮體的浮穩性，但隨著分艙的個數增加，其提高的幅度不甚顯著，建議分艙的個數控制在2個～4個；要想使得分艙后浮穩性效果最好，即初穩性高最大，其每個分艙的寬度建議為B/N或L/N；由于氣浮結構在運輸、沉放的過程中，在運輸過程中的行進方向、沉放過程中的調平都是通過艙室內部氣體的量進行調整的，有鑒于此，本文選取在x，y方向上分別取分艙個數為2，3，4的箱型氣浮結構進行研究，計算的參數見表1，具體的分艙形式見圖5～圖7。

表1　氣浮結構參數表

圖5　四分艙圖　

圖6　九分艙圖

圖7　十六分艙圖

2.2分析組合

對于形狀、質量等固定的箱型氣浮結構，影響箱型氣浮結構浮穩性的主要因素為吃水、分艙的形式。根據正交組合設置的原則，文中選取分艙數分別為四、九、十六三種組合以及吃水分別為2.0 m，2.5 m，3.0 m三種組合，對于不同吃水其分艙個數為16個，對于不同分艙其吃水取為3.0 m。

3　數據分析

3.1不同分艙初穩性高分析

表2為吃水為3.0 m情況下不同分艙箱型氣浮結構的初穩性高。從表2中可以看出，隨著分艙的增加其初穩性高呈增加的趨勢；隨著分艙從4個增加到9個、從9個增加到16個，其初穩性高ρx增加的幅度分別為20.7%和5.9%，增幅降低。原因是由于分艙的增加，在結構由于外界擾動運動過程中，用以產生繞旋轉中心軸的截面抵抗矩的分艙個數以及作用距離都呈增大的趨勢；而隨著分艙的增加，結構將越來越接近普通剛底浮體，其截面抵抗矩存在一個上限，即普通剛底浮體的截面抵抗矩。

表2　不同分艙初穩性高

3.2不同吃水初穩性高分析

表3為分艙為16個情況下不同吃水箱型氣浮結構的初穩性高。從表3中可以看出，隨著吃水的增加，其氣浮力折減系數和初穩性高都呈增加的趨勢。吃水的增加，重心和浮心作用點之間的距離由于氣體的可壓縮性縮短，氣浮力折減系數增加，截面抵抗矩增加，穩心半徑相應增大，在吃水從2.0 m增加到2.5 m、從2.5 m增加到3.0 m過程中其初穩性高分別增加0.76 m和0.79 m，初穩性高增加明顯。

表3　不同吃水初穩性高

4　結語

本文結合氣浮結構這一特殊的海洋結構形式，對結構在不同分艙、不同吃水情況下的浮穩性進行了研究，得到如下結論：在沒有其他輔助工程措施的情況下，通過對結構內部進行分艙是氣浮結構保持其浮穩性的主要措施，分艙對浮穩性的增強存在一個上限；為了施工過程中節省材料、沉放過程中調平精細，建議對艙格進行等分布置，艙格數建議4個～9個為宜。

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［10］別社安，徐元錫，祝業浩.增強結構氣浮穩性的分艙法及優化分析［J］.中國港灣建設，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

中圖分類號：P752

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0219-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡介：卓勇剛（1964-），男，高級工程師