基于潟湖環(huán)境的超大型浮式結構物設計

柯 杰 駱 釗

1 中交第二航務工程局有限公司 2 長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室 3 交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心

1 引言

VLFS(Very Large Floating Structure，超大型浮式結構物)是指尺度以公里計的海洋浮式結構物。由于其尺寸巨大，材料強度一般難以滿足要求，需由多個單元模塊采用柔性連接器連接而成。根據(jù)單元模塊形狀的差異，可分為箱式結構和半潛式結構。箱式結構類似于駁船或浮箱，其典型代表便是日本于1999年在神奈川縣橫須賀港建成的海上漂浮機場，機場由6塊長380 m、寬60 m、高3 m 的模塊焊接而成[1]。半潛式結構將提供浮力的主體沒于波浪影響范圍以下，具有波浪荷載弱、運動響應小、橫搖周期長、適航性強等優(yōu)點。美國在一戰(zhàn)結束后，便提出這種基于半潛式模塊的VLFS，作為飛機加油或停留的海上基地。1992年，美國國防部啟動可移動浮式基地MOB研究，研發(fā)了由6個半潛式模塊連接而成的VLFS，并驗證了其可靠性。

日本漂浮機場建成后，國內(nèi)越來越多學者對VLFS進行了研究。崔維成指出VLFS研究中的6個關鍵技術問題，其中前兩個是VLFS的概念設計和水動力預報[2]。舒志基于三維勢流理論模擬了箱式VLFS在波浪中自由漂浮時的運動響應[3]。李文龍等介紹了VLFS設計中系泊布置、系纜樁選擇及其運動方程式[4]。寇雨豐提出了適應于深遠海的VLFS概念設計[5]。李良碧對VLFS單模塊的強度進行了分析，得出了上箱體、立柱和下浮體等連接處應力較大的結論[6]。

在外海島礁中，諸多環(huán)礁內(nèi)的潟湖波浪條件良好、水深較大、水域面積寬廣，可建設VLFS發(fā)展水上建筑群，補充島礁陸域不足的缺陷。本文提出了四立柱和九立柱半潛式平臺模塊方案，并與傳統(tǒng)的半潛式模塊進行比較，模擬VLFS在潟湖內(nèi)外極限工作海況下的運動響應，分析得出不同方案的優(yōu)劣和適用性。

2 初步設計

傳統(tǒng)的半潛式VLFS主要被設計為可移動的基地，也稱為移動浮式基地，已有較多學者研究。結構上一般由4～6個半潛式模塊通過柔性連接器連接而成，模塊長約300 m，寬度在75～130 m之間，甲板以下由2個下體和多個立柱組成，其結構見圖1。

圖1 傳統(tǒng)半潛式VLFS示意圖

本文基于潟湖內(nèi)良好的水文條件，提出了2種半潛式平臺單元模塊方案，下體浮箱為連續(xù)整體，可提供更大承載能力。根據(jù)結構立柱數(shù)量不同，定義為四立柱平臺方案和九立柱平臺方案，對比分析其與傳統(tǒng)的半潛式方案性能的優(yōu)劣。為了避免多個VLFS連接時發(fā)生碰撞，下體長寬均小于上體的長寬；不同立柱的長寬和立柱間距參考浮體穩(wěn)性；立柱高度為使模塊下體結構避開波能的集中區(qū)域，距離波面2～3倍波高的范圍。

為方便表達，傳統(tǒng)的半潛式方案簡稱為方案1，四立柱平臺方案簡稱為方案2，九立柱平臺方案簡稱為方案3，各方案的設計參數(shù)見表1。

表1 VLFS模塊設計參數(shù)

3 可靠性驗證

VLFS屬于大尺度結構物，主要承受波浪的慣性力和繞射力，可采用勢流理論計算VLFS的運動響應及波浪載荷。3種方案的計算網(wǎng)格見圖2，網(wǎng)格間距為1 m。

圖2 設計方案的計算網(wǎng)格

采用頻域計算來分析結構物的運動響應。選用角速度ω為0.01～2 rad/s，間隔0.2 rad/s共11個波頻，浪向角選取0°、30°、60°、90°共4個浪向，其中0°浪向指的是橫浪，90°浪向指的是縱浪。3個方案在橫浪作用下(0°浪向)的六自由度運動RAO示例見圖3。

圖3 不同方案在橫浪作用下的六自由度運動RAO

由圖3可得：①當遭遇頻率ω趨向于0時，單位波幅下的VLFS垂蕩幅值趨近1 m，ω趨向于+∞時，單位波幅下浮式結構物的垂蕩幅值趨向于0，即當波浪波長無限長時，VLFS隨水質(zhì)點運動，當波浪波長趨向于0時，VLFS基本無運動響應；②橫浪作用下，各方案的橫搖值和橫蕩值較大，縱搖值和縱蕩值幾乎為零。從以上分析可見，VLFS運動響應符合運動規(guī)律，計算結果可信。

4 短期預報

4.1 潟湖外極限工作海況下的短期預報

外海中的海況相對惡劣，通常限定極限工作海況為6級海況，對應波高為6 m，周期9.8 s，波浪譜為Pierson Moskowitz譜。對不同浪向下浮式結構物的運動響應進行短期預報，預報時長為3 h。該工作海況下，VLFS沿X、Y、Z方向的偏轉(zhuǎn)運動與位移運動可能出現(xiàn)的最大值見表2，最大波浪荷載見表3。

表2 6級海況下的偏轉(zhuǎn)和位移運動

表3 6級海況下的波浪荷載

由表2可知：①隨浪向增大，橫搖橫蕩的幅度不斷減小，縱搖縱蕩不斷增大，計算結果符合基本規(guī)律；②對于外海風浪較惡劣的海域，船型方案的VLFS的最大橫搖值相對較小，為1.86°，而四立柱和九立柱平臺方案的最大橫搖值分別為3.44°和2.4°；③6級海況下，各方案的位移運動均相對較小，x、y、z向的位移均在3.8 m以內(nèi)。

由表3可知：①隨浪向增大，F(xiàn)x不斷減小，F(xiàn)y不斷增大，計算結果符合基本規(guī)律；②VLFS模塊受到的波浪荷載較大，受波浪浮拖力和較大排水量的影響，在6級海況下的最大波浪荷載均是在浪向角為0°時的z向荷載，3個方案的最大值依次為364 MN、287 MN和547 MN；③VLFS模塊在6級海況下的最大波浪荷載均是浪向角為0°時z向荷載。

4.2 潟湖內(nèi)極限海況下的短期預報

考慮環(huán)礁的掩護作用，模擬分析可得潟湖內(nèi)可能出現(xiàn)的極限海況的有義波高為3 m、譜峰周期為7 s，波浪譜為Pierson Moskowitz譜。對VLFS在潟湖內(nèi)極限海況下運動和荷載進行短期預報，預報時間為3 h。該海況下VLFS的運動響應見表4，波浪荷載見表5。

表4 極限工作海況下的偏轉(zhuǎn)和位移運動

表5 極限工作海況下的的波浪荷載

由表4可知：①九立柱平臺方案的運動響應相對較小，縱橫搖值均在0.22°以內(nèi)，四立柱平臺方案，由于排水量較小，導致運動響應更大，最大偏轉(zhuǎn)是橫搖(縱搖)1.26°；②船型結構的運動響應，受浪向角影響較大，當浪向角在60°～90°時，該方案的響應較小；③在潟湖內(nèi)九立柱平臺方案偏轉(zhuǎn)和平移運動均較船型方案小。

由表5可知：①VLFS模塊在潟湖內(nèi)極限海況下的最大波浪荷載均是浪向角為0°時的z向荷載，最大值是船型方案1的167 MN，此時船型方案的x向荷載也較其他方案大；②方案2由于結構尺寸較小，運動響應較大，但受到的波浪荷載其實是最小的，其波浪荷載最大為45 MN；③由于波浪周期較小，z向的浮拖力減小明顯，方案3在潟湖內(nèi)z向受力的大小約為外海中的27%。

綜上所述，在潟湖內(nèi)海域，九立柱平臺結構VLFS的運動響應和受力較船型方案更小，性能更優(yōu)。

5 結語

根據(jù)船型結構和平臺結構兩類半潛式浮式結構，對比分析了傳統(tǒng)半潛式、四立柱和九立柱半潛式平臺模塊設計方案，校核了各方案的初穩(wěn)性，模擬了運動響應RAO，對各方案在潟湖外極限生存海況(波高6 m，周期9.8 s)和潟湖內(nèi)極限工作海況(波高3 m，周期7 s)下的運動響應及波浪荷載進行了短期預報。結果表明：潟湖外惡劣海況下，傳統(tǒng)的船型VLFS的縱橫搖值和荷載相對較小，結構性能優(yōu)于平臺方案；但在潟湖內(nèi)海況下，九立柱平臺方案的運動和受力均最小，性能更優(yōu)。