一种新型板-桶重力锚的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种新型板

【技术实现步骤摘要】
一种新型板
‑
桶重力锚的设计方法


[0001]本专利技术涉及重力式基础，具体涉及一种新型板
‑
桶重力锚的设计方法。

技术介绍

[0002]近20年来，海上风能的发展迅速。一般来说，离岸距离越远，风力越强，风力越稳定。因此，浮式风力机是未来海上风力机向深水方向发展的必然选择。目前，浮式风机多安装在50
‑
100m的浅水区，因此悬链线系泊是主要的定位方法。在这种情况下，系泊缆在海底有很大的一部分，导致水平荷载作用于锚固基础。
[0003]目前在水深超过50米时，通过打桩的方式进行安装锚桩十分困难，而且没有相关的设备完成锚桩的安装。目前在深水环境中，吸力锚有着广泛的应用，但是由于其需要提供额外的吸力设备，且在工程中遇到特殊的地层(如钙质砂地层)，则会出现无法沉贯到位的情况。而对于拖曳锚和鱼雷锚，在砂土中很难达到指定的贯入深度。
[0004]目前工程实践中，混凝土重力锚由于其安装效率高、承载力可靠等优点，在浅水系泊中得到了广泛的应用。重力锚由安装船直接吊放在海床上，安装方便快捷。重力锚的水平承载力来源于砂与结构界面的界面抗力，其抓重比基本等于界面摩擦系数，其值介于0.48到0.58之间。由于其承载效率较低，因此重力锚会制作的非常巨大，从而给运输和安装造成额外的成本。
[0005]基于此工程难题，本专利技术提出了一种新型板
‑
桶重力锚(CPGA)，并提出了其设计和安装方法，旨在提供一种能够快速设计的板
‑
桶重力锚，且其在安装过程中，只需要进行吊装，而无需额外的工程设备。
[0006]为了便于工程应用，提出了新型板
‑
桶重力锚的设计方法。悬链线系泊系统设计采用新型板
‑
桶重力锚，其中重力锚是主要的选择。重力锚的成本包括制造、运输和安装成本。在这些构件中，运输和安装成本占了大部分，因为运输和安装船舶的费用很高。经验证，新型板
‑
桶重力锚具有较高的承载效率。然而，只有将总成本降低到低于重力锚的水平，才能在工程实践中得到广泛应用。

技术实现思路

[0007]针对浮式风机浅水系泊的锚固问题，本专利技术提出了一种新型板
‑
桶重力锚及其设计方法。本专利技术装置通过组合贯入土中的桶和在泥面处的板，借助其耦合效应，大大提高了锚固基础的水平承载力和抗倾覆承载力；通过提出综合承载力和安装的设计安装方法，使得该新型板
‑
桶重力锚在工程中只需要吊装安装而无需额外设备，大大降低了其安装成本。
[0008]本专利技术采取以下技术方案：
[0009]一种新型板
‑
桶重力锚的设计方法，所述的新型板
‑
桶重力锚包括芯桶和设于芯桶上的混凝土板，所述芯桶的中轴线与混凝土板的中心轴共线；基于锚体的抓重比设计所述新型板
‑
桶重力锚，抓重比为锚体承载力和其重量的比值；所述设计方法包括如下步骤：
[0010]步骤1：确定目标抓重比η
c
‑
set
；根据《锚杆设计规范》(API
‑
RP
‑
2SK，2005)吸力锚和
重力锚在完整永久和移动条件下的安全系数分别为1.6和1.2，所述新型板
‑
桶重力锚的目标抓重比η
c
‑
set
通过以下方式计算：
[0011][0012]F为锚固承载力，SF为锚固安全系数，W为锚体重量；根据《锚杆设计规范》第5.3节，合适的η
c
‑
set
在2.5
‑
5之间；
[0013]步骤2：初步选择芯桶直径d和芯桶深度h；经验证，当h/d>1时，抓重比η
c
几乎保持不变；因此，以h/d＝1作为板
‑
桶重力锚的参考配置；根据承载力要求，初步选择芯桶直径和深度d＝h＝2
‑
8m；
[0014]步骤3：确定芯桶壁厚度t；根据系泊锚设计规范(API
‑
RP
‑
2A
‑
WSD，2005)，确定最小的芯桶壁厚度t：
[0015][0016]如果板
‑
桶重力锚的d和h大于4m，还应在芯桶侧壁上增加周向肋和垂直肋，以增强其变形抗力，以避免安装过程中可能出现的屈曲；
[0017]步骤4：估计所需的垂直贯入荷载V；根据贯入力Fp和土壤性质，估计芯桶是否能嵌入设定深度；针对砂质海床，土壤性质为：砂土内摩擦角φ
c
、砂土结构界面摩擦角δ和相对密度D
r
，砂土的容重γ，所需的垂直贯入荷载V的计算公式为：
[0018][0019]σ'
vo
，σ'
vi
和σ
’
end
分别为外应力、内应力和端部应力；K为侧压力系数；D
o
，D
i
和D分别是沉箱的外径、内径和平均直径；o和i的下标分别代表外部和内部；如果V<W，返回步骤2并重新选择芯桶尺寸，即减小h和d的值；
[0020]步骤5：确定垂直压力Vp和混凝土板直径D值；Vp和D值表示为：
[0021][0022]重力锚采用混凝土，其重度γ
c
为15kN/m3；混凝土板高h
c
与混凝土板直径D之比在0.1
‑
0.2之间，以避免锚前倾；混凝土板高h
c
与Vp之间满足Vp＝γ
c
*h
c
，Vp确定后，即可确定混凝土板直径D；
[0023]步骤6：计算锚体的抓重比η
c
‑
cal
；结合土壤性质和板
‑
桶重力锚尺寸，计算抓重比η
c
‑
cal
[0024][0025]如果η
c
‑
cal
值小于步骤2中设置的η
c
‑
set
，则更改参数，即增大锚体的h和d的值，重复步骤2
‑
步骤6；
[0026]步骤7：获取锚尺寸；η
c
‑
cal
值满足设计要求后，即可确定新型板
‑
桶重力锚的尺寸；然后进行有限元仿真，验证锚承载力是否满足设计要求。
[0027]本专利技术具有以下优点：
[0028]1.采用本专利技术的设计方法设计得到的新型板
‑
桶重力锚不仅综合了芯桶和传统重
力锚的承载优势，通过将二者组合既能通过重力锚的重力将芯桶安装到位，而且重力锚能加强芯桶附近土体的应力状态，从而大幅提高新型板
‑
桶重力锚的承载力。
[0029]2.本专利技术方法设计得到的新型板
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型板
‑
桶重力锚的设计方法，其特征在于，所述的新型板
‑
桶重力锚包括芯桶和设于芯桶上的混凝土板，所述芯桶的中轴线与混凝土板的中心轴共线；基于锚体的抓重比设计所述新型板
‑
桶重力锚，抓重比为锚体承载力和其重量的比值；所述设计方法包括如下步骤：步骤1：确定目标抓重比η
c
‑
set
；根据《锚杆设计规范》(API
‑
RP
‑
2SK，2005)吸力锚和重力锚在完整永久和移动条件下的安全系数分别为1.6和1.2，所述新型板
‑
桶重力锚的目标抓重比η
c
‑
set
通过以下方式计算：F为锚固承载力，SF为锚固安全系数，W为锚体重量；根据《锚杆设计规范》第5.3节，合适的η
c
‑
set
在2.5
‑
5之间；步骤2：初步选择芯桶直径d和芯桶深度h；经验证，当h/d>1时，抓重比η
c
几乎保持不变；因此，以h/d＝1作为板
‑
桶重力锚的参考配置；根据承载力要求，初步选择芯桶直径和深度d＝h＝2
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8m；步骤3：确定芯桶壁厚度t；根据系泊锚设计规范(API
‑
RP
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2A
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WSD，2005)，确定最小的芯桶壁厚度t：如果板
‑
桶重力锚的d和h大于4m，还应在芯桶侧壁上增加周向肋和垂直肋，以增强其变形抗力，以避免安装过程中可能出现的屈曲；步骤4：估计所需的垂直贯入荷载V；根据贯入力Fp和土壤性质，估计芯桶是否能嵌入设定深度；针对砂质海床，土壤性质为：砂土内摩擦角φ
c
、砂土结构界面摩擦角δ和相对密度D
r
，砂土的容重γ，所需的垂直贯入荷载V的计算公式为：σ'
vo
，σ'
vi
和σ'
end
分别为外应力、内应力和端部应力；K为侧压力系数；D
o
，D
i
和分别是沉箱的外径、内径和平均直...

【专利技术属性】
技术研发人员：国振，芮圣洁，李玲玲，徐航，张皓杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：