超大型海上浮式结构物连接器基座强度分析

超大型海上浮式结构物(Very Large Floating Structure, VLFS)是由若干个单模块通过连接器连接而成的海上结构物,连接器是整个结构中最薄弱而又最关键的部分,因此有必要对连接器基座进行静强度分析和极限强度分析。文章采用以包含连接器基座的上箱体为研究对象,选取包含单个连接器基座和两个连接器基座的上箱体局部结构作为模型进行静强度分析,得到了两种模型连接器基座整体Von mises应力不大,但存在基座与连接器连接处、立柱与上箱体底甲板连接处两处明显的高应力区的相关结论。然后,采用非线性有限元准静态法对连接器基座进行极限强度分析,确定结构在危险工况下最先发生破坏的位置,得到基座连接器不同方向的极限承载力。结果表明,连接器基座在各个方向的极限承载力都远大于其载荷预报值,连接器基座具有较大的结构强度储备。文中的研究结果为超大浮体连接器基座的设计和安全可靠性分析提供了相关理论依据。

超大型海上浮式结构物的连接器布局方法研究

连接器对多模块浮体系统的运动响应有很大影响,但如何合理地在模块的端面上布置连接器目前并没有规律可循。本文提出一种科学的策略,供设计人员确定超大型浮式结构物(VLFS)的最优连接器布局。为此,建立了多浮体系统的网络模型,分析连接器布局对系统响应的影响。为了确定影响优化的最主要因素,采用敏感性分析法对连接器位置与模块和连接器动力学响应之间的关系进行评估。然后,根据不同海况下的具体工程要求设置约束条件,提出一种基于定制化目标的连接器布局优化策略。在对三模块浮体系统的数值研究中,找到不同权重组合下的最优连接器布局方案。该工作可为超大型海上浮式结构物的连接器布局设计提供一套基于实际工程需求的设计方法。

超大型浮体横撑结构极限强度分析

超大型浮体(VLFS)的横撑是整个结构的关键部位,极易发生破坏,因此有必要对超大型浮体横撑结构进行极限强度分析。文章以超大型浮体横撑为研究对象,计算其在两端受压、受拉、受剪切和受弯矩作用下的极限承载力,分析其失效模式,并讨论边界约束、初始缺陷和海水腐蚀等因素对撑杆结构极限承载力的影响。结果表明,撑杆结构受压失效模式表现为屈曲失效和塑性变形;受拉、受剪和受弯失效模式表现为屈服和塑性流动;边界条件、初始缺陷和腐蚀对撑杆结构的极限承载力具有一定的影响。文中研究结果可为超大型浮体横撑结构设计和安全可靠性分析提供相关依据。

超大型浮体单模块在典型波浪载荷下的强度分析

超大型海上浮式结构物(very large floating structures,VLFS)由多个模块组成,单模块结构强度是研究超大型海上浮式结构物强度的基础,因此,有必要对超大型浮体单模块在典型波浪载荷下进行强度分析.首先根据挪威船级社(DNV)海上浮式结构物强度分析的相关规范,考虑该超大型海上浮式结构物单模块下浮体横向设置的特点,选取了纵向分离、纵向扭转、横向剪切和垂向弯曲4种典型波浪载荷工况;然后采用SESAM有限元分析软件,对波浪载荷进行长期预报;最后基于有限元直接计算方法对超大型海上浮式结构物单模块在4种典型工况下的强度进行计算,分析得到结构整体应力水平分布均匀,但存在上箱体和立柱连接处部位、下浮体和立柱连接处、撑杆几何尺寸变化3处高应力区的相关结论,为超大型海上浮式结构物的结构设计提供了相关理论依据.

浮式平台铰接式复杂构型连接结构强度研究

海上浮式平台铰接式复杂构型连接结构对海上浮式平台起着重要作用,对浮体结构安全性有较大影响。因此,需要对连接结构强度开展相关研究。文中以海上浮式平台铰接式复杂构型连接结构作为研究对象,分别采用整体实体单元和体壳混合单元两种方式对连接结构进行有限元建模和基于非线性接触的强度分析。研究结果表明:不同建模方式对计算结果影响不大,体壳混合单元建模方法可以提高计算效率;模型轴承与销轴部位和板架结构部位的最大von Mises应力分别出现在有锥度轴承内圈边缘与销轴接触位置和有锥度轴承内侧飞边与板架连接处,均超过了各自材料的屈服应力。建议采用带有周边结构更为接近实际的海上浮式平台铰接式复杂构型连接系统计算模型进行分析;或者通过增加局部结构尺寸或修改局部构型来降低较大应力以满足设计要求。文中研究成果为海上浮式平台连接结构的设计和安全可靠性提供了相关理论依据。

海上多模块浮式平台连接器系统等效结构刚度

以某实际应用的双模块半潜型浮式平台为例,提出了基于平台模块主体、过渡加强区、连接器本体的三级区域串并联的连接器等效结构刚度计算方法.建立了各级区域的三维精细有限元结构模型,其中过渡加强区采用多点耦合方法,连接器本体采用接触非线性分析方法,最终获取了该平台连接器的等效结构刚度.分析结果显示:不同区域结构刚度量级基本一致,表明在连接器等效结构刚度计算中,每个区域结构的贡献均不能忽略;连接器不同方向刚度耦合效应较强,同时垂向等效结构刚度要小于纵向刚度值.开展了连接器部分区域结构原型加载试验,刚度测试结果与数值模拟结果符合良好,验证了计算方法的准确性.

钢-混凝土组合结构在海洋工程中的应用研究（英文）

海洋工程建设是我国海洋强国战略实施的重要基础和保障。相比陆地工程,海洋工程面临更加复杂苛刻的建造环境和条件,其设计、建造、施工难度通常更大,因而对结构工程提出了新的挑战。钢-混凝土组合结构由于充分利用钢材和混凝土各自性能优势,扬长避短,优化组合,具有显著的性能优势和综合经济效益,在海洋工程中拥有广阔的应用前景。本文从跨海桥梁、海底沉管隧道和海上浮体平台三方面综述了清华大学组合结构研究团队近年来在海洋工程组合结构研发和应用方面的工作:1)提出了新型抗拔不抗剪连接技术,并与传统支座升降、预应力、施工工序优化等技术结合,形成跨海连续组合梁桥负弯矩综合抗裂技术,与现有预应力抗裂方法相比具有显著的施工和运维成本优势,与混凝土结构相比具有明显的抗裂性能优势。这一新技术将极大提升结构的耐久性,已经在大连湾跨海大桥的结构设计中得到应用,为组合结构跨海桥梁的推广应用提供了有效的技术支撑。2)研发了适用于跨海多塔斜拉桥的新型双钢板-混凝土组合桥塔,从界面连接和结构整体受力性能两个维度开展研究。结果表明,其在开孔板连接件的作用下可以实现钢与混凝土的协同工作,与纯钢结构和混凝土结构桥塔相比有更高的承载能力、刚度和延性。同时钢板可兼作混凝土模板,提高施工效率,混凝土对钢壳的约束作用也解决了纯钢结构易局部失稳的问题。新型组合桥塔已在南京长江五桥工程中得到应用,刚度、承载力等关键性能指标的显著优势有助于新型组合结构桥塔在未来跨海多塔斜拉桥工程中得到进一步的推广与应用。3)提出了适用于海底沉管隧道的隔舱式双钢板-混凝土组合结构,揭示了其抗弯、抗剪和型钢连接件性能,提出了相应的设计方法。结果表明,相对于传统钢筋混凝土结构,组合结构尺寸小,承载能力强,抗震适应性好。双钢板既可作为混凝土模板,也可起到受力与防水的多重作用。除此以外,该结构施工便捷,尺寸不受加工设备限制,预制厂地要求低。该成果已在深中通道沉管隧道段得到应用,是未来跨海隧道的重要发展方向。4)研发了海上超大型钢-混凝土组合结构漂浮平台,将其应用于海上超大型浮式平台的建设,基于水弹性响应及结构强度分析,对大型钢-混凝土组合箱式浮体平台进行了案例设计和分析。结果表明,其可在提高结构防火、抗爆、抗冲击性能的基础上,增强构件的稳定性及耐久性,显著减小结构用钢量,同时组合浮式平台不用设置加劲肋,设计和施工便捷,维护成本低,具有良好的发展前景。研究与实践表明,组合结构由于其灵活多样的结构形式,即使面对海洋工程复杂苛刻的荷载环境条件和使用功能需求,也能发挥其性能优势,解决工程难题。本文所提出的新型组合结构体系具有较为显著的性能优势,取得了令人满意的综合经济效益,为海洋工程建设提供了崭新的思路和选择,有力地推动了组合结构在海洋工程中的应用。目前,组合结构在海洋工程中的应用仍处于起步阶段,尚需在复杂荷载响应分析、高性能新材料应用、结构形式多样性和适用性等方面进一步开展深入研究。