CN108316338B - 一种吸力贯入式弧形钢制锚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸力贯入式弧形钢制锚，包括弧形钢板、固定桩与圆桶；弧形钢板上部设置旋转轴；固定桩由两块长条形钢板之间加焊弧形连系梁而组成；圆桶为上表面呈水平状的中空圆柱体；组装时，圆桶焊接于弧形钢板中下部的内侧，固定桩上的两个套孔套入弧形钢板上部的两个旋转轴；施工时，把锚链系泊在系泊孔上，再把桶形基础与圆桶进行后续可解脱的固定，依靠桶形基础把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使弧形钢板发生旋转，直至施加的拉力达到设计值时，施工结束。所提弧形钢板旋转过程中固定桩对其进行牵制与约束，有效减小了弧形钢板在旋转过程中的埋深损失，从而大大提高了锚泊基础的抗拔承载力。

Description

一种吸力贯入式弧形钢制锚

技术领域

本发明涉及深海浮式平台或深水网箱的锚泊技术领域，具体是一种吸力贯入式弧形钢制锚。

背景技术

近年来，吸力贯入式平板锚(Suction embedded plate anchor)一种新型基础形式在墨西哥湾和非洲海域得到了较为广泛的应用，其主要优点是造价低、定位准确和施工简单。平板锚平面形状为矩形，安装时竖直固定在吸力式中，沉箱在自重和抽水造成的负压作用下贯入至预定深度。沉箱与平板锚分离后被拔出，以备将来重复使用。留在黏土海床中的平板锚在锚链牵引下旋转，直至板面与锚链接近垂直或者施加的拉力达到设计值。

在张拉锚链使锚板旋转的过程中，锚板会向上运动而产生埋深损失。锚板中心在旋转前后的高度差被定义为最终丢失埋深。在强度通常随深度成正比例增加的海床条件下，旋转调节过程中的埋深损失会带来承载力的下降，这一减小量可高达20%。

为了减小埋深损失，通常在锚板上部设置了一个可绕锚板旋转的翼板(Keyingflap)。该设计意图为，当锚板向上运动时翼板相对于锚板向外旋转一定角度，从而增大锚板向上运动时移动方向的承载面积，从而降低锚板向上的位移，并以此增大锚板最终的承载力。然而已有实验研究及数值计算对翼板的实际作用提出了异议，有学者甚至认为翼板对减小平板锚的埋深损失无帮助。

可见，有必要对传统平板锚的构型进行改进，设计一种能明显减小埋深损失的新型结构的锚泊基础。

发明内容 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种吸力贯入式弧形钢制锚，其利用桶形基础贯入海床，在海床中主要靠弧形钢板兜住土体并与土体产生摩擦，固定桩对弧形钢板的姿态具有固定与约束作用；与传统平板锚相比，固定桩的设置可大大减小其埋深损失，从而提高了锚泊基础抗拔承载力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：包括弧形钢板、固定桩和圆桶，所述弧形钢板的弧度不大于90°，弧形钢板外弧面轴向上端靠近弧向两端位置分别设有旋转轴；所述固定桩由两块平行于弧形钢板轴向的长条形钢板，以及连接在两长条形钢板之间的多个弧形连系梁构成，每个长条形钢板上端分别设有套孔；所述圆桶为中空结构，圆桶外侧连接有一个系泊孔，系泊孔连接有锚链；所述圆桶与系泊孔所在外侧呈对称的另一外侧连接在弧形钢板内弧面轴向中下部位置，所述固定桩中两长条形钢板的套孔一一对应与弧形钢板上的旋转轴转动装配并进行防脱固定，固定桩中长条形钢板、各个弧形连系梁分别紧贴弧形钢板外弧面。

所述的一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：所述的弧形钢板为弧度等于90°的圆弧形钢板，弧形钢板的高度不小于其圆弧的外径。

所述的一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：圆桶的外径与弧形钢板的内径相等；圆桶的下表面呈倾斜状，系泊孔设置在圆桶最小高度处的外侧中部；圆桶与弧形钢板相连时，圆桶最大高度处的外侧紧贴于弧形钢板内弧面轴向平分线位置。

所述的一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：所述固定桩中，弧形连系梁的内径与弧形钢板的外径相等，弧形连系梁的数量不少于2个；固长条形钢板的下端呈尖状，长条形钢板的长度大于弧形钢板的高度；固定桩上套孔的直径不小于旋转轴直径的两倍。

一种吸力贯入式弧形钢制锚的施工贯入设备，其特征在于：包括桶形基础，桶形基础同轴设置在圆桶上，桶形基础轴向下端压在圆桶的轴向上端并进行后续可解脱的固定，且弧形钢板的内弧面紧贴桶形基础外侧面，依靠桶形基础把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础，再通过对锚链施加拉力使弧形钢板发生旋转，直至锚链与弧形钢板接近垂直或者施加的拉力达到设计值时，完成吸力贯入式弧形钢制锚的施工贯入。

所述的吸力贯入式弧形钢制锚的施工贯入设备，其特征在于：所述的圆桶的内径、外径分别与桶形基础的内径、外径对应相等。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明所提的弧形钢制锚施工时紧贴于桶形基础的外壁，其沿沉贯方向的面积非常小，利用桶形基础开展沉贯施工较方便，阻力相对较小。

2、弧形钢板沉贯至设计深度后，通过对锚链施加拉力使弧形钢板发生旋转，旋转过程中固定桩对弧形钢板进行牵制与约束，有效减小了弧形钢板在旋转过程中的埋深损失，从而大大提高了锚泊基础的承载力。

3、所提弧形钢制锚结构简单，制作方便，成本较低，可根据需求制作不同尺寸的弧形钢板与固定桩，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图说明

图1 为本发明所提弧形钢制锚未展开时主视图。

图2 为本发明所提弧形钢制锚未展开时俯视图。

图3 为本发明所提弧形钢制锚三维结构示意图。

图4 为本发明所提弧形钢制锚中圆桶的俯视图。

图5 为本发明所提弧形钢制锚中圆桶的主视图。

图6 为本发明所提弧形钢制锚中圆桶的三维结构示意图。

图7 为本发明所提弧形钢制锚的弧形钢板的三维结构示意图。

图8 为本发明所提弧形钢制锚中固定桩的三维结构示意图。

图9 为本发明所提弧形钢制锚的圆桶与弧形钢板的连接示意图。

图10 为本发明所提弧形钢制锚的弧形钢板与固定桩的连接示意图。

图11 为本发明所提弧形钢制锚展开时的主视图。

图12 为本发明所提弧形钢制锚展开时的三维结构示意图。

图13 为本发明所提弧形钢制锚施工时桶形基础依靠自重下沉接触海床结构示意图。

图14 为本发明所提弧形钢制锚施工时桶形基础在负压吸力作用下贯入海床结构示意图。

图15 为本发明所提弧形钢制锚施工时桶形基础移除后的位置示意图。

图16 为本发明所提弧形钢制锚工作状态示意图。

附图标记说明：1、弧形钢板；2、固定桩；3、圆桶；4、弧形连系梁；5、系泊孔；6、旋转轴；7、套孔；8、锚链；9、桶形基础；A、海平面；B、海床面。

具体实施方式

如图1-图16所示，一种吸力贯入式弧形钢制锚，包括弧形钢板1、固定桩2与圆桶3；弧形钢板1为弧度不大于90°的圆弧形钢板，其上部两侧的外侧设置旋转轴6；固定桩2由两块长条形钢板之间加焊弧形连系梁4而组成，长条形钢板的顶部设置套孔7；圆桶3为上表面呈水平状的中空圆柱体，圆桶3的外侧设置一个系泊孔5；组装时，圆桶3焊接于弧形钢板1中下部的内侧，固定桩2上的两个套孔7套入弧形钢板1上部的两个旋转轴并进行防脱固定；施工时，把锚链8的一端系泊在系泊孔5上，再把桶形基础9的底部与圆桶3的上表面进行后续可解脱的固定，并使固定桩2上的弧形连系梁4紧贴于弧形钢板1的外壁，依靠桶形基础9把锚泊基础贯入至海床设计深度，然后移除桶形基础9，再通过对锚链8施加拉力使弧形钢板1发生旋转，直至锚链8与弧形钢板1接近垂直或者施加的拉力达到设计值时，施工结束，由此形成一种吸力贯入式弧形钢制锚。

上述提及的“上部”、“外侧”、“顶部”、“上表面”等方位词，是基于所提锚泊基础施工时的姿态来确定的。施工时所提锚泊基础固定、连接在桶形基础9的底部，且处于铅锤状态逐步贯入海床中，如图13所示。在此姿态下，来确定各方位词的具体指向。说明书中其它地方所提的方位词也按此姿态推定得到，如“水平”即为与铅锤线垂直的方向。上述方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者构件必须具有特定的方位、构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1~图3给出了所提锚泊基础未展开时的结构示意图。圆桶3为上表面呈水平状的中空圆柱体，圆桶3的内径、外径分别与桶形基础9的内径、外径相等，如图4~图6所示。可见，圆桶3的横截面尺寸与桶形基础9的横截面尺寸完全相同，其能与桶形基础9的底部平稳相接。当然，还需要一些辅助构件来实现两者的后续可解脱的固定与连接，该部分构件过于复杂而未在附图中体现，但现有公知技术可现实该操作，此处不再详细描述。

圆桶3的外径与弧形钢板1的内径相等，使弧形钢板1能紧密的焊接于圆桶3的外表面。圆桶3的下表面呈倾斜状，系泊孔5设置在圆桶3最小高度处的外侧中部；圆桶3与弧形钢板1焊接相连时，圆桶3最大高度处的外侧紧贴于弧形钢板1竖向平分线的内侧，如图9所示。

弧形钢板1为弧度不大于90°的圆弧形钢板，其上部两侧的外侧设置旋转轴6，弧形钢板1的高度不小于其圆弧的外径，如图7所示。优选地，弧形钢板1的弧度等于90°。

固定桩2上的弧形连系梁4的内径与弧形钢板1的外径相等，固定桩2上设置的弧形连系梁4的数量不少于2个，如图8所示；固定桩2上的两个套孔7套入弧形钢板1上部的两个旋转轴6并进行防脱固定后，弧形钢板1可基于旋转轴6与固定桩2进行相互旋转，如图10~图12所示；固定桩2上长条形钢板的下端呈尖状，长条形钢板的长度大于弧形钢板1的高度。

固定桩2上套孔7的直径不小于弧形钢板1上旋转轴6直径的两倍，使得固定桩2与弧形钢板1连接后，固定桩2与弧形钢板1能自由的发生旋转，旋转过程中而不会发生相互碰撞与冲突。

所提锚泊基础中圆桶3的作用是：一方面作为施工时与桶形基础9连接的依托，另一方面也相当于锚柄的作用（使系泊孔与锚板之间保持一定的距离）；弧形钢板1的作用是：兜住一定重量的海床土体，并与海床土体发生摩擦，是抗拔承载力的主要来源；固定桩2的作用是：对弧形钢板1旋转时进行牵制与固定，减小埋深损失，且能提供一定的抗拔力。焊接成整体后，各个构件的功能与作用明确，荷载传递合理，施工方便，是一种合理的设计方式。

所提的一种吸力贯入式弧形钢制锚的施工方法，介绍如下：

1、连接锚泊基础；

把锚链8的一端系泊在系泊孔5上，再把桶形基础9的底部与圆桶3的上表面进行后续可解脱的固定，并使固定桩2上的弧形连系梁4紧贴于弧形钢板1的外壁。应采取辅助措施使弧形连系梁4与弧形钢板1外壁的之间紧密接触，在施工期间不会发生相互分离而影响沉贯施工。

桶形基础也称吸力桩(suction pile)，为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶，安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装。

2、桶形基础依靠自重下沉接触海床；

起吊桶形基础9，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础9，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图13所示。桶形基础9底部在重力作用下压入海床一定的深度，使底部被海床土体封住，其内部形成封闭的空间，为后续的抽取空气形成负压提供必要的条件。

3、抽取负压使桶形基础贯入海床至设计深度；

桶形基础9的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础9贯入至海床土体中，最终桶形基础底部的锚泊基础被压入海床土体至设计深度，如图14所示。

4、移除桶形基础；

待锚泊基础被贯入海床至设计深度后，松开锚泊基础与桶形基础9之间的连接，使锚泊基础脱离桶形基础9，通过连接管对桶形基础9内部充气，使桶形基础9逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础9。桶形基础移除后，仅剩锚泊基础在海床土体中，如图15所示。

5、张拉锚链使锚泊基础达到设计要求。

通过对锚链8施加拉力使弧形钢板1发生旋转与移动，插入海床中的固定桩2对旋转过程中的弧形钢板1进行牵制与约束，直至弧形钢板1与锚链8接近垂直或者施加的拉力达到设计值时，施工结束，如图16所示。

在锚泊基础使用过程中，固定桩2始终对弧形钢板1进行牵制与约束，即固定桩2与弧形钢板1共同提供锚泊力。而传统带翼板的平板锚，其翼板面积较小，翼板能产生的锚泊力有限，且翼板对减小锚板的埋深损失作用有限。

所提弧形钢制锚结构简单，制作方便，成本较低，可根据需求制作不同尺寸的弧形钢板与固定桩，满足不同情况下海洋工程的锚泊需要。

附图中仅展示了弧形钢板与固定桩的部分形状及部分连接方式的情况，按照所提思路，可以改变弧形钢板与固定桩的形状、数量、相互的连接方式，形成其他相关类型的锚泊基础，其均属于本技术的等效修改与变更，此处不再赘述。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：包括弧形钢板、固定桩和圆桶，所述弧形钢板的弧度不大于90°，弧形钢板外弧面轴向上端靠近弧向两端位置分别设有旋转轴；所述固定桩由两块平行于弧形钢板轴向的长条形钢板，以及连接在两长条形钢板之间的多个弧形连系梁构成，每个长条形钢板上端分别设有套孔；所述圆桶为中空结构，圆桶外侧连接有一个系泊孔，系泊孔连接有锚链；所述圆桶与系泊孔所在外侧呈对称的另一外侧连接在弧形钢板内弧面轴向中下部位置，所述固定桩中两长条形钢板的套孔一一对应与弧形钢板上的旋转轴转动装配并进行防脱固定，固定桩中长条形钢板、各个弧形连系梁分别紧贴弧形钢板外弧面。

2.根据权利要求1所述的一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：所述的弧形钢板为弧度等于90°的圆弧形钢板，弧形钢板的高度不小于其圆弧的外径。

3.根据权利要求1所述的一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：圆桶的外径与弧形钢板的内径相等；圆桶的下表面呈倾斜状，系泊孔设置在圆桶最小高度处的外侧中部；圆桶与弧形钢板相连时，圆桶最大高度处的外侧紧贴于弧形钢板内弧面轴向平分线位置。

4.根据权利要求1所述的一种吸力贯入式弧形钢制锚，其特征在于：所述固定桩中，弧形连系梁的内径与弧形钢板的外径相等，弧形连系梁的数量不少于2个；固长条形钢板的下端呈尖状，长条形钢板的长度大于弧形钢板的高度；固定桩上套孔的直径不小于旋转轴直径的两倍。

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