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        超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展及研究綜述

        2016-12-01 01:36:30高艷紅
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年20期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析研究

        楊 琳,高艷紅

        (1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306;2.嘉實(shí)集團(tuán),上海 201804)

        超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展及研究綜述

        楊 琳1,高艷紅2

        (1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306;2.嘉實(shí)集團(tuán),上海 201804)

        對(duì)于海洋工程中,浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要具有強(qiáng)度高、易于工業(yè)化生產(chǎn)、耐波性好、造價(jià)低等特點(diǎn)。為滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐的需要,應(yīng)對(duì)浮式網(wǎng)架的相關(guān)成果進(jìn)行分析研究,探知各不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,為提高實(shí)際結(jié)構(gòu)工程承載能力、保證工程的安全穩(wěn)定性提出有效的優(yōu)化途徑,向?qū)嶋H工程提供可靠的理論依據(jù)。

        超大型浮式結(jié)構(gòu);網(wǎng)架結(jié)構(gòu);有限元分析

        0 引言

        超大型浮式結(jié)構(gòu)作為一種新型海洋結(jié)構(gòu),具有工期短、工藝化程度高、消波性能好等特點(diǎn),能有效地緩解陸地空間局限及能源緊張情勢(shì)。各學(xué)者針對(duì)新型海洋結(jié)構(gòu)浮式網(wǎng)架的相關(guān)理論研究主要集中在浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型與整體穩(wěn)定性分析。具有超大尺寸的結(jié)構(gòu)在海洋工程環(huán)境中面臨著極為復(fù)雜的受力狀況和破壞型式,研究其整體性及穩(wěn)定性至關(guān)重要。

        1 國(guó)外超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

        1957 年美國(guó)生產(chǎn)了首個(gè)浮式鉆井船。這種平臺(tái)的穩(wěn)定性差、耐風(fēng)浪能力差。1962 年美國(guó)建造了首個(gè)半潛式鉆井平臺(tái),此平臺(tái)適于深水作業(yè),抗風(fēng)能力強(qiáng)。隨水深的逐漸加大,又相繼出現(xiàn)了獨(dú)柱式和張力腿式平臺(tái)[1]。日本提出了"綠色浮蓮"的設(shè)想,擬在海面上建造由浮筒與鎂合金構(gòu)成的城市[2]。日本已成功在阿拉伯建設(shè)了一座浮動(dòng)在海面上的“小城市”。其主體為鋼鐵結(jié)構(gòu),內(nèi)部的生活?yuàn)蕵?lè)設(shè)施齊全,將其支撐柱收起便可以化身成船行駛。

        2 國(guó)內(nèi)超大型浮式結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

        2002 年,朱克強(qiáng)等人針對(duì)海洋浮式結(jié)構(gòu)開(kāi)展了流固耦合的動(dòng)力建模數(shù)值分析。針對(duì)理性流體,列出了流固耦合結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程,推導(dǎo)了用于模態(tài)分析方法的計(jì)算公式[3]。2009 年,桑松對(duì)深海中的多體式浮式結(jié)構(gòu)物進(jìn)行求解,構(gòu)建了浮態(tài)方程,同時(shí)給出了求解方法,并經(jīng)驗(yàn)證輸出結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)較吻合[4]。2011 年,張法富等人關(guān)于波浪力對(duì)超大型浮式結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析。針對(duì)新型結(jié)構(gòu)深水環(huán)形浮式人工港,考慮4 種海洋工況,預(yù)報(bào)了波浪誘導(dǎo)作用下的剖面剪力和彎矩荷載[5]。2012 年,黃燦光等人提出了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的海洋建筑物與海上風(fēng)電海洋平臺(tái)。2014 年,某研究院推出了“南海島礁建設(shè)技術(shù)儲(chǔ)備研究課題”,此課題主要針對(duì)以珊瑚礁為基礎(chǔ)的人工島的構(gòu)建進(jìn)行研究,為將來(lái)島礁的建造提供設(shè)計(jì)方案的參考。

        超大型浮式結(jié)構(gòu)自提出以來(lái),經(jīng)過(guò)了在波浪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、流固耦合分析、模態(tài)求解以及新結(jié)構(gòu)形式的提出等階段,逐漸顯現(xiàn)出發(fā)展超大型浮式結(jié)構(gòu)的必要性,海洋空間的利用對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展越發(fā)重要,中國(guó)逐漸轉(zhuǎn)向并重視相應(yīng)工程的建設(shè),并作出了相關(guān)研究。

        3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

        2000 年,劉開(kāi)國(guó)講述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的極限承載能力,提出了一種簡(jiǎn)捷的分析法,為后期的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論意義[6]。2002 年,李剛等人改進(jìn)了一次二階矩法偶爾不收斂時(shí)的處理方法,修正了兩點(diǎn)自適應(yīng)法下對(duì)失效曲面擬合的算法,進(jìn)而把結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算模塊與ANSYS 軟件相連,并簡(jiǎn)要討論了其失效模式[7]。2007 年,李義生等人分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的損壞類(lèi)型和原因,提出了其可靠性分析的理論方法,匯總得出對(duì)應(yīng)的加固處理辦法[8]。同年,馬汀探究了鋼結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)理論,并樹(shù)立了已建鋼結(jié)構(gòu)建筑的考核標(biāo)準(zhǔn)[9]。2010 年,劉文白等人對(duì)適用于20-30 m 水深的導(dǎo)管架式碼頭進(jìn)行了分析,對(duì)各尺寸進(jìn)行了一系列的調(diào)整,對(duì)比分析不同方案下整體結(jié)構(gòu)的剛度和極限承載力[10]。2011 年,曾輝使用有限元法針對(duì)大跨度開(kāi)洞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了分析,關(guān)于開(kāi)洞位置與開(kāi)洞大小對(duì)網(wǎng)架特性的影響進(jìn)行了研究[11]。

        之前學(xué)者提出了許多網(wǎng)架結(jié)構(gòu)類(lèi)型,并對(duì)其有一定的理論研究,大多通過(guò)有限元軟件分析結(jié)構(gòu)的靜力特性、動(dòng)力特性、承載力、耐久性與自振特性等,再與實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析。而對(duì)于超大型浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu),可參考已有較完善研究成果的陸上空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。進(jìn)而考慮海洋工程的環(huán)境特點(diǎn),為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)入海洋工程建設(shè)提供了理論參考。

        4 結(jié)語(yǔ)

        越來(lái)越多超大型浮式結(jié)構(gòu)的投產(chǎn),極大促進(jìn)了海上浮城、機(jī)場(chǎng)等的實(shí)現(xiàn),對(duì)國(guó)家發(fā)展具有非凡的意義。鑒于其強(qiáng)度高、易于制造安裝、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn),超大型浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大力發(fā)展是社會(huì)需求,更是必然趨勢(shì)。

        [1]李芬,鄒早建.浮式海洋結(jié)構(gòu)物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,27(05):682-686.

        [2]日本:提出建設(shè)漂浮城市的“綠色浮蓮”構(gòu)想[J].現(xiàn)代城市,2010(04):64.

        [3]朱克強(qiáng),李道根等.海洋浮式結(jié)構(gòu)流固耦合動(dòng)力建模分析[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,16(01):1-6.

        [4]桑松,徐學(xué)軍.深海多體式浮式結(jié)構(gòu)物浮態(tài)求解[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2009,24(05):34-40.

        [5]張法富,劉建輝,鐘文軍.波浪作用下的超大型浮式結(jié)構(gòu)物整體受力研究[C].第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第13 分會(huì)場(chǎng)-海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集.2011:1-5.

        [6]劉開(kāi)國(guó).網(wǎng)架極限承載力的簡(jiǎn)捷分析[J].空間結(jié)構(gòu),2000,6(03):11-15.

        [7]李剛,許林,程耿東.基于ANSYS 軟件的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(05):58-61.

        [8]李義生,齊衛(wèi)紅,馬志華等.鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)損壞的原因和加固措施[J].天津科技,2007(03):71-73.

        [9]馬汀.既有建筑鋼結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)與監(jiān)測(cè)框架體系的研究[D].同濟(jì)大學(xué),2007.

        [10]劉文白,馮基芳.大型離岸深水導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)選型[A].計(jì)算機(jī)輔助工程,2010,6(02):26-31.

        [11]曾輝.大跨度開(kāi)洞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能研究[D].武漢理工大學(xué),2011.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.191

        楊琳(1992-),瑤族,廣西桂林人,碩士研究生,研究方向:海洋與水利工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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