波浪作用下沉管沉放系统的耦合动力响应研究

发布时间：2020-04-09 23:59

【摘要】：海上大型沉管的沉放是施工中最为关键且危险的环节,恶劣的海洋环境可能会诱发沉管的剧烈响应而导致不可预知的后果,故海洋动力环境下沉管沉放系统的动力响应问题成为此类工程必须解决的核心问题之一。另一方面,沉管沉放系统为多浮体耦合系统,多浮体水动力耦合响应问题在理论上也颇具挑战性。采用物理模型试验方法,针对海上沉管沉放等待和沉放实施两个阶段具有理论与工程应用双重意义的关键问题开展研究。在沉放等待阶段(沉管-沉放驳刚接为单浮体系泊系统),重点研究了波浪作用下系统的动力响应规律和系泊方式选择问题;在沉放阶段(沉管-沉放驳由沉放吊缆柔性连接为多浮体系泊系统),重点研究不同沉放深度、负浮力和波浪条件下系统的耦合动力响应的变化规律;并将物理模型试验结果和数值计算分析相结合,对系统的耦合动力响应机理进行了探讨。主要结果如下:1)沉放等待阶段,受波浪平均漂移力影响,系泊浮体的水平平均位移在TTroll时十分显著,可导致沉管+沉放驳系统在系泊等待的窗口周期时的系泊缆绳张力达到较大周期(T=2Troll)时的水平。在工程实际操作中需要特别注意。同时,甲板上浪会引起沉管-沉放驳系统的垂向平均位移量的增大,T=Troll时下沉位移量突出,这会增高管节撞击海底等工程风险。2)沉放阶段,沉管-沉放驳系统的运动响应和动力响应的频域特征主要取决于系统耦合响应模态和入射波浪谱特征。系统耦合响应模态的固有频率与运动响应和动力响应的峰值频域具有良好的对应关系。3)各响应模态中,系统耦合横摇共振的影响(即“横摇共振效应”)最为突出,该效应同时影响了系统的时、频域运动和动力响应。横摇共振效应在D/Dmax=0.80时最为显著:Tp=TRoll时沉管横摇和相对横摇可达Tp=1.25TRoll时的1.8倍,沉管纵摇可达1.6倍,吊缆张力可达1.2倍。此外,Tp=TRoll时沉管边角下沉量最大,撞击海底的风险最大。为规避横摇共振效应的影响,建议沉放作业时入射波浪周期小于D/Dmax=0时的系统耦合横摇的固有周期(TpTRoll(D/Dmax=0)),本试验系统中即Tp≤7s。4)沉管近底(沉深DD/max≥0.88)时,沉管的纵移、纵摇和回转三个运动分量会发生显著增大现象,即存在“近底效应”。D/Dmax=0.88时沉管回转可达D/Dmax=0.80时的5.1倍,沉管纵移可达3.0倍,沉管纵摇1.7倍。近底效应与入射波浪周期有关,建议定位准备时作业波浪周期小于D/Dmax=0.88时的系统耦合横摇的固有周期的0.5倍(Tp/TRoll(D/Dmax=0.88)0.5),本试验系统中为Tp≤7s。5)沉放阶段,沉管和沉放驳之间的相对升沉和相对横摇变化分别是决定吊缆张力大小和总张力的分配的最直接因素:相对升沉控制了四根吊缆张力的总张力,而相对横摇决定了四根吊缆张力的同步离散度(张力分配)。相对沉放深度较小(D/Dmax=0.04)时,相对升沉对吊缆张力最大值起主要作用,而随沉放深度增大(D/Dmax=0.40～0.88),相对横摇对吊缆张力最大值的贡献更为突出。6)沉放初期的注水阶段,消除干舷(D=0m,η=0.0%)时,沉管几近失重状态,是整个系统的最不利时刻。此时,受沉管管节的甲板上水的影响,系统的相对升沉和相对横摇幅值突出,浮体间相互作用剧烈,极易引起吊缆的频繁松弛和突增。7)负浮力有正负双面效应,其正面效应在于可抑制系统横摇共振响应,特别是减小沉管和沉放驳之间相对运动及水平和垂向平均位移的幅度;负面效应在于增大了吊缆的初始张力水平。负浮力选择原则应在系统运动响应稳定性和吊缆绝对张力水平间取得平衡,试验认为获取该平衡的相对负浮力区间为1.3%～1.5%。8)沉放阶段,沉管-沉放驳系统的吊缆和系泊缆绳张力存在最不利沉放深度:中等沉放深度(试验中D/Dmax=0.40)对吊缆张力而言是最不利沉放深度;最小沉深(试验中D/Dmax=0.04)是沉管上系泊张力最不利沉深;近底沉深(试验中D/Dmax=0.88)是沉放驳上的系泊张力最不利沉深。
【图文】：

示意图,沉放,驳船,示意图

放水深４６ｍ，综合施工难度创世界之最，建设完成后将是世界上最长的沉管隧道逡逑沉管隧道的施工可分为五个阶段：管段起浮、出坞与浮运、管段沉放与水下对接、逡逑基础构筑及覆土，流程见图１．１。其中，沉放阶段是沉管隧道施工中最关键的阶段。逡逑藤＝叐３逡逑建成逦回填逦沉放逡逑图ｉ．ｉ沉管隧道的施工流程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｍｍｅｒｓｅｄ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ逡逑近百年来，在沉管隧道的建设进程中发展了多种管段沉放方法，最主要的有起重机逡逑沉放法、平台沉放法、浮筒（箱）沉放法和驳船沉放法等。其中，驳船沉放法具有良好的逡逑水面稳定性，并能为沉放作业的辅助设备提供更大的布置空间，适合各种复杂的沉管沉逡逑放条件。已成为大规模沉管、大水深、恶劣水文环境条件下沉管隧道施工的首选１１９＿２Ｑ１。逡逑驳船沉放法亦称方驳抬吊法，主要有四驳抬吊法、双驳抬吊法及其改进法等。它们本质逡逑上是相同的，理论上均可视为双沉放驳＋沉管的３个浮体组成的沉管沉放系统，参见图逡逑１．邋２。逡逑－３邋－逡逑

系泊,浮式结构物

浮式结构物一般采用系泊系统进行定位，限制浮体的运动。常见的海上系泊浮逡逑体结构有各种单点系泊、多点系泊的各种船舶结构和海上平台（ＳＥＭＩ，邋ＦＰＳＣＸＴＬＰ和逡逑Ｓｐａｒ）、海上风机和波能转换装置等，如图１．３。由于海上组合动力环境（主要是风、浪、逡逑流）、系泊结构物与锚泊系统之间存在相互耦合作用，，浮式结构物和系泊缆绳中会呈现逡逑出复杂的运动和动力特性。因此，海洋浮式结构物的研究重点可以分为三部分：波浪和逡逑浮体之间的相互作用、锚泊系统的受力分析以及浮体与锚泊系统的耦合。下面依次对各逡逑部分的研究进展加以概述。逡逑重＿逡逑（ａ）邋Ｓｐａｒ平台逦（ｂ）张力腿生产平台（ＴＬＰ）逡逑（ｃ）邋ＦＰＳＯ邋（多点系泊，ｓｐｒｅａｄ－ｍｏｏｒｅｄ）逦（ｄ）邋ＦＰＳＯ邋（转ｉ合系泊，ｔｕｒｒｅｎｔ－ｍｏｏｒｅｄ）逡逑－５邋－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75

【参考文献】