[发明专利]用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚及悬臂长度设计方法

说明书

本发明公开了一种用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚：重力锚主体前端面设置悬臂，悬臂宽度等于重力锚主体宽度，截断面为直角梯形，上端面为斜面，下表面为与重力锚主体下表面齐平的平面，下表面等间距设置有剪力键；在此基础上提出一种悬臂式重力锚悬臂长度设计方法：构建有限元文件；有限元计算后，绘制水平拉力‑位移关系曲线，得到传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；改变悬臂长度，重复上述得到悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；绘制不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚峰值抗力增长率关系曲线、不同悬臂长度增长率与悬臂式重力锚容许抗力增长率关系曲线；确定悬臂长度，对悬臂式重力锚模型进行设计计算。

技术领域

本发明涉及一种重力锚设计计算方法，更具体的说，是涉及一种用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚及悬臂长度设计方法。

背景技术

随着我国南海海防建设的需要以及南海油气资源的开发，各种海洋结构物的种类和数量与日俱增。同时，我国南海海域地质情况复杂，主要分布着以易破碎的碳酸盐类砂、礁灰岩等与陆源沉积物差异较大的碳酸盐物质的特殊岩土材料。而该种海域复杂的地质条件与海洋环境无疑对海上构筑物的在位稳定性提出了考验。因此，合理地选择锚泊系统的锚具形式是船舶及浮式平台在该种海域稳定作业的基础。

目前，国际上发展较快、广泛使用的系泊锚具包括：平板锚、吸力锚、桩锚、拖曳嵌入锚、重力安装锚、重力锚等。重力锚因具有适用土质条件范围广、可以重复利用的特点而广泛应用；但传统的重力锚仍有锚固效率较低的缺点而限制其广泛地投入使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，对传统重力锚进行结构优化，增大锚固效率，提出一种用于碳酸盐土海域条件下的悬臂式重力锚，并基于有限元技术提出一种合理的针对悬臂式重力锚的悬臂结构长度的设计计算方法，以指导工程设计、提出理论依据。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚，包括重力锚主体，所述重力锚主体设置有主装吊耳和在位吊耳，所述重力锚主体下表面等间距均匀设置有剪力键，所述重力锚主体设置为长方体，所述重力锚主体前端面设置有与其一体结构的悬臂，所述悬臂的宽度等于重力锚主体的宽度，所述悬臂的截断面为直角梯形，所述悬臂的上端面设置为斜面，所述悬臂的下表面设置为与重力锚主体下表面齐平的平面，所述悬臂的下表面等间距设置有剪力键。

每个所述剪力键的长度均等于重力锚主体的宽度，每个所述剪力键的截面均设置为倒三角形。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明的用于碳酸盐岩土海域的悬臂式重力锚的悬臂长度设计方法，包括以下步骤：

第一步，构建有限元文件：

在辅助求解工程软件中分别建立悬臂式重力锚模型、传统重力锚模型和地基岩土模型，分别对悬臂式重力锚模型、地基岩土模型赋予材料属性，预定义地基岩土模型的下方结构为岩土材料，上方结构设置为“空材料”；将悬臂式重力锚模型与地基岩土模型按照空间位置装配在一起，建立地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的相互作用、摩擦接触体系；根据地基岩土模型与悬臂式重力锚模型的形状分别划分网格；采用有限元技术进行数值分析，施加重力加速度以使地基岩土模型的下层岩土材料达到地应力平衡，并模拟悬臂式重力锚在实际场地的受力状态；对地基岩土模型施加边界条件及荷载，地基岩土模型采用速度约束，底边和四周约束法线方向；释放悬臂式重力锚的水平、竖直运动方向的位移约束及部分方向的弯矩约束；

第二步，进行有限元计算，提取传统重力锚模型的水平方向受到的拉力值，绘制水平拉力-位移关系曲线，得到传统重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；改变悬臂式重力锚模型的悬臂长度，在其余条件不变的情况下，重复上述步骤得到悬臂式重力锚模型的峰值抗力、容许抗力；