海工裝備及其橫撐結構的製作方法

2023-07-24 01:43:11

本發明涉及海洋工程建造領域，特別涉及一種海工裝備及其橫撐結構。

背景技術：

目前，主流的半潛式平臺均設計有左右兩個浮體，浮體上設置有四根立柱，不同浮體上的每對立柱之間通過至少一水平橫撐連接。傳統的橫撐加強結構只考慮了橫撐局部結構的加強，僅僅從設置軟趾肘板以及在橫撐端部設置局部的交叉的插入板，來提高橫撐結構的疲勞性能。然而這種做法具有明顯的局限性：首先，內部插入板只設置在橫撐端部，會在加強板末端會產生額外的疲勞失效點，降低橫撐結構的可靠性；其次，這種加強結構只是利用插入板的板厚單純的提高端部的剛度，但往往導致橫撐端部板厚過大，增加生產建造難度；再次，這種方法沒有考慮加強結構與橫撐整體結構直接剛度的匹配關係，由橫撐彎曲產生的載荷將大部分擠壓在橫撐端部，導致端部應力水平過高，影響疲勞壽命。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明在於提供一種海工裝備及其橫撐結構，以解決橫撐結構內部剛度不強和結構布局不合理等問題。

針對上述技術問題，本發明提出一種橫撐結構，用以水平連接於下船體的左舷浮體與右舷浮體之間且分別與所述左舷浮體和右舷浮體上的立柱固定連接，所述橫撐結構的端部伸入所述立柱內且與所述立柱的內部結構連接；所述橫撐結構包括圓管和交叉設置在所述圓管內部並與所述圓管內壁相連的水平支撐板和豎向支撐板，所述水平支撐板和所述豎向支撐板貫穿設置在所述圓管的長度方向，且所述水平支撐板和所述豎向支撐板穿入所述立柱內並與所述立柱的內部結構連接。

在優選方案中，所述水平支撐板和所述豎向支撐板上均具有至少一減重孔，所述減重孔設置在所述豎向支撐板和所述水平支撐板的非邊緣位置，以使所述水平支撐板和所述豎向支撐板在長度方向呈連續分布。

在優選方案中，所述減重孔的數量為一個且所述減重孔呈長圓形。

在優選方案中，所述圓管的內壁連接有多個環形加強筋，各環形加強筋沿著所述圓管內壁的長度方向間隔分布，且各環形加強筋均連接所述豎向支撐板和所述水平支撐板。

在優選方案中，每兩個環形加強筋的間距不大於4m。

在優選方案中，所述減重孔的輪廓線由兩開口相向的拋物線和連接在兩拋物線之間的直線段構成，其中兩環形加強筋分布在靠近所述拋物線頂點的區域，其餘環形加強筋分布在所述減重孔輪廓線的直線段區域。

在優選方案中，所述環形加強筋穿入所述豎向支撐板和所述水平支撐板並與其相連，分布於所述減重孔輪廓線的直線段區域的環形加強筋將所述豎向支撐板和所述水平支撐板分隔成多個相互分離的扁鋼。

在優選方案中，所述環形加強筋包括：環形的腹板和圓筒形的翼板；所述腹板垂直於所述圓管內壁且所述腹板的外圓周與所述圓管內壁相連，所述翼板固定環設在所述腹板的內圓周上並與所述腹板相垂直。

在優選方案中，所述環形加強筋的截面呈t形或l形。

在優選方案中，所述水平支撐板與所述立柱內部的水平艙壁固定連接，所述豎向支撐板與所述立柱內部的豎向艙壁固定連接。

在優選方案中，所述圓管穿入所述立柱並與所述立柱相連分段的管壁厚度大於其他位置分段的管壁厚度。

在優選方案中，所述圓管外側壁與所述立柱外側壁之間連接有軟趾肘板，所述軟趾肘板不與所述圓管和所述立柱相連的自由邊呈橢圓弧形。

在優選方案中，所述軟趾肘板包括兩個水平軟趾肘板和兩個豎直軟趾肘板，所述兩個水平軟趾肘板與所述水平支撐板在同一平面上，所述兩個豎直軟趾肘板與所述豎向支撐板在同一平面上。

在優選方案中，所述減重孔輪廓線的拋物線頂點距所述立柱外壁的距離是所述軟趾肘板的頂端距所述立柱外壁的距離的1.5~2.5倍，所述減重孔輪廓線的拋物線頂點距所述立柱外壁的距離為所述橫撐結構連接在兩立柱之間的距離的1/4至2/5之間。

在優選方案中，連接在兩立柱之間的橫撐結構的數量為兩個。

在優選方案中，兩個橫撐結構之間的水平軟趾肘板對稱設置並對接相連而使得兩個水平軟趾肘板的外緣連續連接且呈弧形。

在優選方案中，所述兩個水平軟趾肘板的弧形外緣至所述立柱外壁的最小距離不小於100mm。

在優選方案中，所述圓管的端頭被立柱內的水平艙壁和豎向艙壁分隔成四段相互斷開的管壁，每段管壁的端部均具有向內凹入的弧形魚尾槽。

在優選方案中，所述每段管壁的末端均在所述弧形魚尾槽處形成兩個趾端，各趾端與立柱內艙壁相連的位置均連接一過渡結構，所述過渡結構包括：與所述趾端固定連接的第一部分和與所述第一部分為一體的第二部分，所述第一部分為矩形且其自由邊與所述趾端的自由邊平滑連接，所述第二部分的自由邊沿遠離所述弧形魚尾槽的槽口方向漸縮至所述立柱內艙壁。

本發明還提出一種海工裝備，包括海工裝備主體和用以支撐所述海工裝備主體的下船體，所述下船體包括：左舷浮體、右舷浮體、分設在所述左舷浮體與右舷浮體上的多個立柱以及上述的橫撐結構。

由上述技術方案可知，本發明的優點和積極效果在於：本發明的橫撐結構通過合理布置橫撐內部結構和橫撐結構與立柱連接結構，使橫撐結構內部剛度合理分配，匹配關係合理，該橫撐結構克服了傳統的橫撐加強結構只考慮了橫撐局部結構的加強來提高橫撐結構的疲勞性能的局限性，避免了現有技術的橫撐內部的支撐板末端產生疲勞失效點的問題，提高橫撐結構的可靠性。同時，本發明橫撐結構充分考慮了其本身以及與立柱之間的剛度匹配關係，降低了橫撐結構根部的彎矩應力水平、提高橫撐根部結構的疲勞強度。與傳統橫撐結構相比，本發明橫撐結構在保證端部剛度的同時製作工藝更加簡單。本發明橫撐結構通過外殼圓管和內部水平/豎向支撐板與立柱充分連接，強度更強，抗彎距性能更好。

附圖說明

圖1是本實施例橫撐結構的側面視圖。

圖2是本實施例橫撐結構的俯視圖。

圖3是圖1中c部分的結構放大示意圖。

圖4是圖1中d部分的結構放大示意圖。

圖5是圖2中e部分的結構放大示意圖。

圖6是圖1沿a-a方向的剖面示意圖。

圖7是圖1沿b-b方向的剖面示意圖。

圖8是本實施例橫撐結構與立柱連接結構示意圖。

圖9是過度結構的結構示意圖。

附圖標記說明如下：2、立柱；21、水平艙壁；22、豎向艙壁；3、橫撐結構；31、圓管；31a、厚圓管分段；31b、薄圓管分段；311、管壁；3111、弧形魚尾槽；35、過渡結構；351、第一部分；352、第二部分；321、水平支撐板；322、豎向支撐板；323、減重孔；324、扁鋼；325、尾板；33、環形加強筋；331、腹板；332、翼板；41、水平軟趾肘板；42、豎直軟趾肘板。

具體實施方式

體現本發明特徵與優點的典型實施方式將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的實施方式上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖示在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。

如圖1至圖9所示，本實施例的海工裝備包括：海工裝備主體和用以支撐海工裝備主體的下船體，下船體包括：左舷浮體、右舷浮體、分設在左舷浮體與右舷浮體上的多個立柱2以及多個橫撐結構3，其中，多個橫撐結構3在同一水平高度上。橫撐結構3用以水平連接於下船體的左舷浮體與右舷浮體之間且分別與左舷浮體和右舷浮體上的立柱2固定連接，橫撐結構3的端部伸入立柱2內且與立柱2的內部結構連接。

本實施例中的海工裝備包括半潛式平臺和半潛船等其他多浮體海洋工程裝備，連接在兩立柱2之間的橫撐結構3的數量為兩個。

立柱2內部設置有水平艙壁21和豎向艙壁22，該水平艙壁21和豎向艙壁22將立柱2的內部空間分隔成多個艙室。

橫撐結構3包括圓管31、水平支撐板321、豎向支撐板322和環形加強筋33。

立柱2的側壁上設置有通孔，圓管31經該通孔伸入至立柱2並與立柱2內的水平艙壁21和豎向艙壁22相連，圓管31內部對應立柱2通孔的位置設置有封板，該封板與立柱2的側壁平齊，將圓管31伸入立柱2內部的空間與圓管31伸出立柱2的空間相隔絕。

圓管31穿入立柱2並與立柱2相連分段的管壁厚度大於其他位置分段的管壁厚度，即圓管31至少包括兩段厚圓管分段31a和一段薄圓管分段31b，厚圓管分段31a與立柱2相連，薄圓管分段31b同軸連接在兩厚圓管之間，其相互之間通過焊接連接，增加橫撐結構3截面延長度的剛度變化梯度，降低了圓管31重量，在保證圓管31基本性能和強度情況下降低了成本。具體地，厚圓管分段31a比薄圓管分段31b的壁厚10%，增強了橫撐結構根部的抗扭剛度。

在其他實施例中，厚圓管分段31a和薄圓管分段31b還可以是一體成型的結構。此外，還可視需要在每根厚圓管分段31a的端部同軸連接一薄圓管分段。

圓管31的端頭插入立柱2的位置是水平艙壁21和豎向艙壁22相交位置，且圓管31的中軸線與水平艙壁21和豎向艙壁22的交叉線相重合。水平艙壁21和豎向艙壁22插入圓管31中並將圓管31的端頭分隔成四段相互斷開的管壁311，每段管壁311的端部均具有向內凹入的弧形魚尾槽3111。

每段管壁311的末端均在弧形魚尾槽3111處形成兩個趾端，各趾端與立柱2內艙壁相連的位置均連接過渡結構35。過渡結構35包括：與趾端固定連接的第一部分351和與第一部分351成為一體的第二部分352，第一部分351為矩形且其自由邊與趾端的自由邊平滑連接，第二部分352的自由邊沿遠離弧形魚尾槽3111的槽口方向漸縮至立柱2內艙壁，較優地，第一部分351的寬度為a時，第二部分352的長度為3a~4a之間；橫撐結構3端部通過弧形魚尾槽3111和過渡結構35，在傳遞橫撐結構3軸向應力的同時，避免在橫撐結構3端部產應結構硬點，消除該點的疲勞隱患。橫撐結構3通過圓管31、水平支撐板321、豎向支撐板322與立柱2以及立柱2的內部結構連接，降低了橫撐結構3根部的應力水平、提高橫撐結構3根部結構的疲勞強度。

本實施例中，圓管31的剖面外直徑大於2米，具體地其外直徑在2~2.5米範圍之間，以保證橫撐結構3具有足夠抗扭與抗彎剛度；橫撐結構3穿入立柱2的深度範圍在四米至立柱2橫向寬度的二分之一之間，保證橫撐結構3上的軸向應力可以合理的傳遞到立柱2內側的水平艙壁21。

水平支撐板321和豎向支撐板322交叉設置在圓管31內部並與圓管31內壁相連，水平支撐板321和豎向支撐板322貫穿設置在圓管31的長度方向，增加橫撐結構3的截面剛度。且水平支撐板321和豎向支撐板322穿入立柱2內並與立柱2的內部結構連接，具體地，水平支撐板321與立柱2內部的水平艙壁21固定連接，豎向支撐板322與立柱2內部的豎向艙壁22固定連接；其中水平支撐板321和水平艙壁21在一個平面上，豎向支撐板322和豎向艙壁22在一個平面上。

水平支撐板321和豎向支撐板322上均具有減重孔323，減重孔323設置在豎向支撐板322和水平支撐板321的非邊緣位置，以使水平支撐板321和豎向支撐板322在長度方向呈連續分布。

減重孔323的形狀可以為圓形、橢圓形或長圓形等輪廓線平滑的形狀，每個支撐板上的減重孔323的數量可以為一個，也可以為多個，各減重孔323沿豎向支撐板322或水平支撐板321長度方向排列。

較佳地，在本實施例中，減重孔323為長圓形，其輪廓線由兩開口相向的拋物線和連接在兩拋物線之間的直線段構成。

圓管31的內壁連接有多個環形加強筋33，各環形加強筋33沿著圓管31內壁的長度方向間隔分布，且各環形加強筋33均連接豎向支撐板322和水平支撐板321。進一步地，每兩個環形加強筋33的間距不大於4m，保證橫撐結構3的圓管31結構具有足夠的屈曲強度。

其中，兩環形加強筋33分布在靠近拋物線頂點的區域其餘環形加強筋33分布在減重孔323輪廓線的直線段區域，即扁鋼324所在區域。

環形加強筋33穿入豎向支撐板322和水平支撐板321並與其相連，分布於減重孔323輪廓線的直線段區域的環形加強筋33將豎向支撐板322和水平支撐板321分隔成多個相互分離的扁鋼324以及位於扁鋼324兩側的尾板325。

尾板325位於水平支撐板321和豎向支撐板322的兩端，扁鋼324位於水平支撐板321和豎向支撐板322中間位置，減重孔323在尾板325上形成一個拋物線形狀的內凹槽，扁鋼324的內側邊即為減重孔323的直線段輪廓線。尾板325上的拋物線的過渡距離l0範圍是橫撐結構3直徑的1.5~2.0倍，利用尾板325自身形狀調節橫撐結構3截面在長度方向的剛度變化，扁鋼324消除了尾板325趾端位置的疲勞風險點，同時使水平支撐板321和豎向支撐板322在橫撐結構3內部縱向形成連續構件。在橫撐結構3長度方向上連續設置的水平支撐板321和豎向支撐板322以及減重孔323的設置，從橫撐整體結構上既有效地避免出現疲勞失效點，又減輕了重量。

需要說明的是，尾板325直接穿入立柱2，與立柱2內部的水平艙壁21和豎向艙壁22焊接，增加橫撐結構3內部的連接強度。豎向的尾板325為一體成型件，豎向的尾板325穿入水平的尾板325。

請再次參閱圖4，環形加強筋33的寬度大致與扁鋼324的寬度相同，環形加強筋33的截面呈t形，其包括：環形的腹板331和圓筒形的翼板332；腹板331垂直於圓管31內壁且腹板331的外圓周與圓管31內壁相連，翼板332固定環設在腹板331的內圓周上並與腹板331相垂直，用來提供橫撐結構局部屈曲問題，提高橫撐結構的可靠性。本實施例中兩扁鋼324連接位置的環形加強筋33，其翼板332貼合在扁鋼324的內側邊緣，加強扁鋼和環形加強筋的同時消除其二者的連接疲勞硬點。

在實際使用中，環形加強筋33的截面還可以呈ｌ形或與ｔ形截面屬性等效的其他形狀，此處不作限定。

每個圓管31外側壁與立柱2外側壁之間連接有軟趾肘板，軟趾肘板不與圓管31和立柱2相連的自由邊呈橢圓弧形。軟趾肘板包括兩個水平軟趾肘板41和兩個豎直軟趾肘板42，兩個水平軟趾肘板41與水平支撐板321在同一平面上，兩個豎直軟趾肘板42與豎向支撐板322在同一平面上，增加橫撐結構3的垂向剛度和水平剛度，同時消除垂向彎矩和水平彎矩在橫撐結構3根部產生的疲勞風險。進一步地，豎直軟趾肘板42的豎向高度l4不小於水平距離l3的0.6倍，其自由邊的橢圓弧的長短軸比例大致等於豎直軟趾肘板42垂直邊比例。

兩個橫撐結構3之間的水平軟趾肘板41對稱設置並對接相連而使得兩個水平軟趾肘板41的外緣連續連接且呈弧形，進一步地該弧形為橢圓弧，該橢圓弧的長短軸之比控制在2：1至3：1之間，消除了兩個橫撐結構3之間的疲勞危險點。

兩個水平軟趾肘板41的弧形外緣至立柱2外壁的最小距離l1小於100mm。

此外，需要注意的是：減重孔323輪廓線的拋物線頂點距立柱2外壁的距離l2是軟趾肘板的頂端距立柱2外壁的距離l3的1.5~2.5倍，減重孔323輪廓線的拋物線頂點距立柱2外壁的距離l2為橫撐結構3連接在兩立柱2之間的距離l3的1/4至2/5之間，減重孔323輪廓線的拋物線頂點位於彎矩反向增加區域，保證橫撐結構3根部具有足夠剛度以承擔總體載荷產生的彎矩。

本發明的橫撐結構通過合理布置橫撐內部結構和橫撐結構與立柱連接結構，使橫撐結構內部剛度合理分配，匹配關係合理，該橫撐結構克服了傳統的橫撐加強結構只考慮了橫撐局部結構的加強來提高橫撐結構的疲勞性能的局限性，避免了現有技術的橫撐內部的支撐板末端產生疲勞失效點的問題，提高橫撐結構的可靠性。同時，本發明橫撐結構充分考慮了其本身以及與立柱之間的剛度匹配關係，降低了橫撐結構根部的彎矩應力水平、提高橫撐根部結構的疲勞強度。與傳統橫撐結構相比，本發明橫撐結構在保證端部剛度的同時製作工藝更加簡單。本發明橫撐結構通過外殼圓管和內部水平/豎向支撐板與立柱充分連接，強度更強，抗彎距性能剛好。

雖然已參照以上典型實施方式描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施方式不限於任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。