[发明专利]吸力桩导管架吊浮安装方法

权利要求书

1.一种吸力桩导管架吊浮安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定工艺参数：根据施工水域自然条件、吸力桩导管架的形状尺寸和重量以及施工安全度要求，确定所需起重船的吊高Hl和允许最大起重量L_t，以及施工安全系数s；计算所述吸力桩导管架在下放过程中维持稳定漂浮所需施加的竖向吊浮力临界值以及所需达到的允许最小吸力桩内水位，分别记为L_c和hi_min；以L_c与施工安全系数s的乘积作为下放过程控制吊浮力L_f，以hi_min与施工安全系数s的乘积作为下放过程吸力桩内水位最小控制高度Hi_o；

下放前准备：将所述吸力桩导管架置于水中，并保持所述起重船的吊钩连接在所述吸力桩导管架的吊点上，打开所述吸力桩顶部阀门使吸力桩内水位上升，所述起重船向所述吸力桩导管架提供的竖向吊浮力也随之增大；

下放吸力桩导管架：若Hi_oHi，则当hi_s≥Hi_o且L_f≤L_s≤L_t时，开始下放所述吸力桩导管架，下放过程中，始终控制hi_s≥Hi_o且L_f≤L_s≤L_t，直至所述吸力桩导管架下放至预设位置；若Hi_o≥Hi，则将吸力桩灌满水，下放所述吸力桩导管架，下放过程中，始终控制L_s≤L_t，直至所述吸力桩导管架下放至预设位置；其中，Hi为吸力桩内腔总高度，hi_s为实时吸力桩内水位，L_s为实时竖向吊浮力；

所述确定工艺参数步骤中，将0～hw_max之间的水深划分为多个深度段，分别计算所述吸力桩导管架下放至每一所述深度段最低处时维持稳定漂浮所需施加的竖向吊浮力临界值L_c以及所需达到的允许最小吸力桩内水位hi_min，以所述深度段对应的竖向吊浮力临界值L_c与施工安全系数s的乘积作为该深度段对应的下放过程控制吊浮力L_f，以所述深度段对应的允许最小吸力桩内水位hi_min与施工安全系数s的乘积作为该深度段对应的下放过程吸力桩内水位最小控制高度Hi_o；其中，hw_max为所述吸力桩导管架安装位置处的最大水深；

所述下放吸力桩导管架步骤中，所述吸力桩导管架在每一所述深度段内，根据该深度段对应的下放过程控制吊浮力L_f和下放过程吸力桩内水位最小控制高度Hi_o分别控制所述吸力桩导管架的实时竖向吊浮力L_s和实时吸力桩内水位hi_s；

以铅垂向受力平衡的吸力桩导管架所受到的竖直向上作用力的合力的作用点作为浮心；

以铅垂向受力平衡的吸力桩导管架所受到的竖直向下作用力的合力的作用点作为重心；

以吸力桩导管架处于平衡静止状态时，与所述浮心重合的与吸力桩导管架相对位置固定的点作为平衡静止浮心；

以吸力桩导管架处于平衡静止状态时，与所述重心重合的与吸力桩导管架相对位置固定的点作为平衡静止重心；

以所述平衡静止浮心和平衡静止重心的连线为心轴；

以沿静水面剖切铅垂向受力平衡的吸力桩导管架所形成的剖面所决定的与吸力桩导管架相对位置固定的平面作为铅垂向平衡水剖面；

以吸力桩导管架倾斜时，所述心轴与铅垂方向的夹角作为倾角；

以吸力桩导管架倾斜时，通过所述心轴的铅垂面作为倾向面；

以吸力桩导管架倾斜且处于铅垂向受力平衡时，所述浮心在所述倾向面上的垂直投影作为倾向浮心；

以吸力桩导管架倾斜且处于铅垂向受力平衡时，所述重心在所述倾向面上的垂直投影作为倾向重心；

以吸力桩导管架倾斜时，通过所述倾向重心的铅垂线与所述心轴的交点作为倾向摆心；

以所述倾向摆心到所述平衡静止浮心的距离作为倾向重心高度，当所述平衡静止浮心在所述倾向摆心下方时，所述倾向重心高度为正值，反之为负值；

以吸力桩导管架倾斜时，通过所述倾向浮心的铅垂线与所述心轴的交点作为定倾中心；

以所述定倾中心到所述平衡静止浮心的距离作为定倾半径，当所述定倾中心在所述平衡静止浮心上方时，所述定倾半径为正值，反之为负值；

以所述定倾半径减去所述倾向重心高度所得的差值作为定倾高度；

以吸力桩导管架处于平衡静止状态时，吸力桩导管架顶部最高点到静水面的垂直距离作为干舷高度，当静水面位于吸力桩导管架顶部最高点下方时，所述干舷高度为正值，反之为负值；

以吸力桩导管架倾斜时所述干舷高度没入水下的部分作为干舷浸润高度；

所述确定工艺参数步骤中，计算不同深度段对应的竖向吊浮力临界值L_c和允许最小吸力桩内水位hi_min的步骤如下：

(101)建立坐标系：以所述吸力桩导管架处于平衡静止状态时的心轴为Y轴，以所述吸力桩导管架倾斜时的倾向面为X-Y平面，以所述心轴上的任一点为原点，以自所述原点指向所述吸力桩导管架倾斜方位的方向为X轴的正方向，建立相对于所述吸力桩导管架位置固定的三维直角坐标系；

(102)将下放过程中所述吸力桩导管架处于平衡静止状态时的铅垂向平衡水剖面，记为W-X-Z-1面；将下放过程中所述吸力桩导管架倾斜且处于铅垂向受力平衡时的铅垂向平衡水剖面，记为W-X-Z-2面；分别建立下放过程中所述吸力桩导管架平衡静止状态和倾斜状态的铅垂向受力平衡关系式如下：

公式(1)和(2)中，V₁为所述吸力桩导管架位于所述W-X-Z-1面以下部分所排开水的体积，V₂为所述吸力桩导管架位于所述W-X-Z-2面以下部分所排开水的体积，Go为下放过程中所述吸力桩导管架的重力，L为下放过程中竖向吊浮力，γ为水的容重；

(103)分别确定每一所述深度段的最低处对应的入水深度，选取任一所述深度段最低处对应的入水深度作为设定入水深度hw，在水平面内设定所述吸力桩导管架在下放过程中发生倾斜时若干不同的倾斜方位角，在0～θ_max范围内设定所述吸力桩导管架在下放过程中发生倾斜时若干不同的倾角；其中，θ_max为允许最大倾角，根据施工水域自然条件、吸力桩导管架的形状尺寸和重量以及施工安全度要求确定；

(104)计算下放过程中所述吸力桩导管架在设定入水深度hw时对应的吸力桩内水位最低值hi_min0，具体步骤为：

令公式(1)中L＝0，求得未施加竖向吊浮力时对应的V₁，在所述吸力桩导管架的结构形状、尺寸和材质均确定情况下，根据未施加竖向吊浮力时对应的V₁和所述设定入水深度hw确定对应的所述吸力桩导管架的吸力桩内水位，记为hi_min1；

根据所述吸力桩导管架的吸力桩的内腔形状和尺寸，求得所述吸力桩导管架按允许最大倾角θ_max倾斜时保证所述吸力桩封存的空气不从所述吸力桩底部外溢所需的吸力桩内水位最低值hi_min2；

取hi_min1和hi_min2中的最大值作为下放过程中所述吸力桩导管架在所述设定入水深度hw时对应的吸力桩内水位最低值hi_min0；

(105)在hi_min0～Hi范围内设定下放过程中所述吸力桩导管架的若干不同的吸力桩内水位；

(106)从步骤(103)设定的若干不同倾斜方位角中选取任一倾斜方位角作为设定倾斜方位角β，从步骤(103)设定的若干不同倾角中选取任一倾角作为设定倾角θ，从步骤(105)设定的若干不同吸力桩内水位中选取任一吸力桩内水位作为设定吸力桩内水位hi；

(107)计算下放过程中所述吸力桩导管架在所述设定入水深度hw、所述设定倾角θ、所述设定倾斜方位角β和所述设定吸力桩内水位hi对应的竖向吊浮力L和干舷浸润高度d，具体步骤为：

在所述吸力桩导管架的结构形状、尺寸和材质均确定情况下，根据所述设定入水深度hw和设定吸力桩内水位hi，求得所述吸力桩导管架在所述设定入水深度hw和设定吸力桩内水位hi对应的V₁，联立公式(1)和(2)，得V₂＝V₁，将V₂、Go和γ代入公式(2)求得所需竖向吊浮力L；

在所述吸力桩导管架的结构形状、尺寸和材质均确定情况下，根据V₂、所述设定入水深度hw、设定倾斜方位角β、设定倾角θ和设定吸力桩内水位hi，确定对应的所述吸力桩导管架的干舷浸润高度d；

(108)根据所述设定入水深度hw、设定倾斜方位角β、设定倾角θ和步骤(107)计算获得的干舷浸润高度d，确定所述W-X-Z-2面在所述三维直角坐标系中的位置；

(109)计算下放过程中所述吸力桩导管架在所述设定入水深度hw、设定倾斜方位角β、设定倾角θ、设定吸力桩内水位hi对应的定倾高度hp，具体步骤为：

以步骤(108)确定的所述W-X-Z-2面分割所述吸力桩导管架，获得所述吸力桩导管架在所述W-X-Z-2面以下部分所排开水体的形状、尺寸及其在所述三维直角坐标系中的位置，确定所述吸力桩导管架在所述W-X-Z-2面以下部分排开水体所产生的浮力Fo，以及所述吸力桩导管架在所述W-X-Z-2面以下部分所排开水体的形心坐标(Xo,Yo,Zo)；

所述吸力桩导管架的吊点坐标为(Xn,Yn,Zn)，施加竖向吊浮力后的浮心坐标记为(Xb,Yb,Zb)，则根据力系等效关系，建立如下等式：

将浮力Fo、形心坐标(Xo,Yo,Zo)、吊点坐标(Xn,Yn,Zn)和步骤(107)计算获得的竖向吊浮力L代入公式(3)，求得施加竖向吊浮力后的浮心坐标(Xb,Yb,Zb)，则对应的倾向浮心坐标为(Xb,Yb,0)，将对应的定倾中心坐标记为(0,Yp,0)，则Yp＝Yb+Xb/tanθ；

根据所述吸力桩导管架的结构、形状、尺寸、材质、其所受竖直向下的作用力以及其在坐标系中的位置，确定所述吸力桩导管架的重心坐标为(Xg,Yg,Zg)，则对应的倾向重心坐标为(Xg,Yg,0)，将对应的倾向摆心坐标记为(0,Ypg,0)，则Ypg＝Yg+Xg/tanθ；

根据公式(4)计算获得下放过程中所述吸力桩导管架在所述设定入水深度hw、设定倾斜方位角β、设定倾角θ、设定吸力桩内水位hi对应的定倾高度hp，所述公式(4)的表达式为：

hp＝Yp-Ypg(4)；

(110)在步骤(103)设定的若干倾斜方位角β中，依次改变设定倾斜方位角β，每次改变设定倾斜方位角β时，在保持所述三维直角坐标系的原点和Y轴相对于所述吸力桩导管架位置不变的情况下，绕Y轴转动所述三维直角坐标系以保持所述三维直角坐标系的X-Y平面与所述吸力桩导管架在该设定倾斜方位角β时的倾向面重合且X轴的正方向始终指向所述吸力桩导管架的倾斜方位，每次改变设定倾斜方位角β后，重复步骤(107)～(109)；

(111)在步骤(103)设定的若干倾角θ中，依次改变设定倾角θ，每次改变后重复步骤(107)～(110)；

(112)在步骤(105)设定的若干吸力桩内水位hi中，依次改变设定吸力桩内水位hi，每次改变后重复步骤(107)～(111)；

(113)确定下放过程中所述吸力桩导管架在选取的所述深度段对应的竖向吊浮力临界值L_c和允许最小吸力桩内水位hi_min，具体步骤为：

在计算得到的数据中，将一设定入水深度hw、一设定倾斜方位角β、一设定倾角θ、一设定吸力桩内水位hi及对应的竖向吊浮力L、干舷浸润高度d和定倾高度hp记为一个下放过程数据组，将具有相同设定入水深度hw和相同设定吸力桩内水位hi的全部所述下放过程数据组记为一个下放过程数据集，取所述下放过程数据集中不同设定倾角θ和不同倾斜方位角β对应的定倾高度hp中的最小值作为该下放过程数据集对应的定倾高度最小值hp_f；

从获得的全部下放过程数据集中，筛选出hp_f≥hp_a的下放过程数据集，在筛选出的下放过程数据集中，选取最小非负值的竖向吊浮力L作为下放过程中所述吸力桩导管架在选取的所述深度段对应的竖向吊浮力临界值L_c；其中，hp_a为安全定倾高度，根据施工水域自然条件、吸力桩导管架的形状尺寸和重量以及施工安全度要求确定；

若所述竖向吊浮力临界值L_c仅对应一个下放过程数据组，则取所述竖向吊浮力临界值L_c对应的下放过程数据组中的吸力桩内水位hi作为下放过程中所述吸力桩导管架在选取的所述深度段对应的允许最小吸力桩内水位hi_min；若所述竖向吊浮力临界值L_c对应多个下放过程数据组，则取所述竖向吊浮力临界值L_c对应的所有下放过程数据组中吸力桩内水位hi的最大值作为下放过程中所述吸力桩导管架在选取的所述深度段对应的允许最小吸力桩内水位hi_min；

(114)在全部深度段中依次改变选取的深度段，每次改变后，以新选取的所述深度段最低处对应的入水深度作为新的设定入水深度hw，重复步骤(104)～(113)，计算获得下放过程中所述吸力桩导管架在不同深度段对应的竖向吊浮力临界值L_c和允许最小吸力桩内水位hi_min。