一种自升式海洋平台新型格构式桩腿的制作方法

本发明涉及海洋平台装备技术领域，具体是指一种自升式海洋平台新型格构式桩腿。

背景技术：

伴随着海洋平台钢结构的快速发展，其性能上的缺陷也逐渐显现。钢结构中大规模应用的普通碳素钢材料在滨海腐蚀性环境下容易被腐蚀，特别是海洋平台支承构件，长期浸泡于海水中，建筑钢材受海水及海洋生物附着等腐蚀性介质的影响尤为突出，不但破坏了海洋平台的整体美观，还会削弱支承钢构件截面，降低其承载力，严重影响海洋平台的安全性和耐久性。此外，对处于寒冷海域长期受冻融环境影响的海洋平台，建筑钢材的低温冷脆特性进一步恶化了海洋平台钢结构的综合性能，加剧了海洋平台结构脆性破坏的趋势。不锈钢的出现从根本上弥补了钢结构易于生锈腐蚀的缺点。不锈钢具有良好的防锈耐腐性能，极大的延长了结构的使用寿命。此外，不锈钢还具有较好的耐低温性能，在低温条件下的冲击韧性优于普通碳素钢，因而可以更好的应用于寒冷地区，提高结构抵抗低温冷脆的性能。作为一种新兴的建筑材料，不锈钢在实现结构功能的基础上，还能满足建筑美学、防锈耐腐性、耐久性和易于维护等要求，可以达到结构性能与建筑美学的完美统一。同时，不锈钢易于回收和循环利用，最大限度的节约资源、保护环境和减少污染，符合绿色建筑低碳环保的要求，有利于建筑结构的长期可持续发展，因而在许多工程领域尤其是海洋平台结构具有广阔的适用性和极佳的应用前景。然而时至今日，不锈钢作为主要承重构件在建筑结构中的应用还非常有限，这主要是由于不锈钢材料高昂的价格使得其初期投入成本较高，从而制约了不锈钢在建筑结构领域的大规模应用。

虽然世界范围内普遍认同不锈钢作为全寿命周期成本最低的经济型建筑材料，在建筑结构领域具有广阔的应用前景，但高昂的初期材料成本仍然让不锈钢的推广和应用举步维艰。因此，为了最大限度的发挥不锈钢材料的优良性能，尽量延长结构的使用寿命，并将整体建造成本控制在合理范围以内，不锈钢构件往往被加工成薄壁形式以进一步提高材料的使用效率，并充分利用其应变硬化阶段以提高材料的设计强度，从而降低成本，获得更好的经济效益。然而另一方面，薄壁不锈钢构件往往导致其稳定问题更为突出，难以充分发挥材料的力学性能，有必要通过增设加劲肋来提高薄壁不锈钢构件的整体稳定性和局部稳定性。值得注意的是，对于广泛应用于桥梁工程、塔架结构和海洋平台的钢管结构，为了保持结构的整体美观，往往选择内置加劲肋的方式进行加强，而当钢管截面较小且长度较长时，内置加劲肋往往给施工带来较大困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自升式海洋平台新型格构式桩腿，具有稳定性高、承压能力强、成本低廉、耐腐蚀能力强、抗震能力优、维护方便和使用寿命长的特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种自升式海洋平台新型格构式桩腿，包括三角形平行设置的桩腿本体，所述桩腿本体包括方形钢管，所述方形钢管内部通过沿长度方向设置的加劲肋焊接有圆形钢管，所述圆形钢管内部中空注水，所述方形钢管和所述圆形钢管之间填充有混凝土。

进一步地，所述方形钢管为正方形状，所述加劲肋设置在所述方形钢管内部四边的中间位置。

进一步地，所述加劲肋为双肋平行结构，所述双肋之间设有焊缝。

进一步地，所述桩腿本体数量为三个，相邻的桩腿本体通过若干根较小截面尺寸的薄壁不锈钢圆形钢管连接成型，相邻的薄壁不锈钢圆形钢管、桩腿本体之间形成一种类似于平行弦桁架体系的格构式构件。

进一步地，所述方形钢管由四个尺寸相同的薄壁不锈钢等肢卷边角钢焊接装配成型。

进一步地，所述圆形钢管为高强钢圆形钢管。

进一步地，所述高强钢圆形钢管的外径与所述方形钢管的内部相对加劲肋之间的距离一致。

本发明为一种自升式海洋平台新型格构式桩腿，具有以下有益效果：

首先，组合构件的外部为内置加劲肋的不锈钢方形钢管，表面平直易与临近构件连接，不锈钢装配方形钢管由四个尺寸相同的等肢卷边角钢拼接而成，极大的增加了构件的截面尺寸，有利于构件的安装和施工；且各个角钢在卷边处沿长度方向焊接在一起，焊缝避开了方形钢管角部的应力集中区域，有利于改善构件的疲劳性能；而组合构件外部薄壁不锈钢角钢的应用不但充分发挥了不锈钢材料外形美观、防锈耐腐、耐低温和易于维护的优良性能，而且最大限度的降低了不锈钢材料的用钢量，节省了建造成本；且自升式海洋平台的可移动性使得其桩腿可以反复循环使用，符合节能环保要求，进一步降低了造价；

其次，由焊接在一起的各个角钢卷边组成的内置纵向加劲肋不但提高了外部薄壁不锈钢方形钢管的整体稳定性和局部稳定性，而且作为定位装置对内部高强钢圆形钢管起到了很好的固定作用，方便施工；而组合构件的内部高强钢管和内置纵向加劲肋的外部薄壁不锈钢管配合环绕其四周的海水围压为其间填充的自密实混凝土提供了有效支撑，使得核心混凝土在套箍约束作用下处于多维受压状态，避免或延缓了混凝土的开裂，显著提高了构件的稳定承载力和延性；且内填核心混凝土配合外部薄壁不锈钢管有效隔绝了海水腐蚀性介质及低温环境对内部高强钢管的侵蚀，提高了构件整体的防锈耐腐和耐低温性能。

此外，相对于传统的钢管混凝土构件，中空注水夹层薄壁不锈钢管混凝土组合构件不但充分发挥了钢管和混凝土各自的优点，而且大幅降低了混凝土的使用量，从而减轻了构件自重，降低了地震作用效应；特别是针对海洋平台结构通常采用工厂预制、整体装船运输到现场进行组装的特点，较轻的结构自重对运输安全至关重要，且能大幅降低运输费用；同时，组合构件内部高强钢管中的注水不但能够防止高强钢管向内的局部屈曲，提高核心混凝土的套箍约束作用，而且还可以与组合构件形成一个整体，共同承受竖向和水平荷载；且能起到吸收地震能量的作用，有利于提高组合构件的整体抗震性能。

海洋平台结构所处环境恶劣，特别是直接浸泡于海水中的海洋平台支承构件，往往承受较大的上部竖向荷载、风荷载、海浪荷载、冰荷载甚至地震作用，常用截面尺寸的单个组合构件的承载力明显不足。因此，考虑将三个尺寸相同的常用截面尺寸的组合构件按品字形排列，并通过若干根较小截面尺寸的薄壁不锈钢圆形钢管将三个组合构件连成一体，形成一种类似于平行弦桁架体系的格构式构件。相对于相同承载力的实腹式构件，格构式构件的自重更轻，因而抗震性能更好；长细比更小，因而纵向稳定性更好；在横向荷载作用下抗弯刚度更大，因而侧向变形更小；且对风、海浪和浮冰的阻力更小，因而受风荷载、海浪荷载和冰荷载的作用更小。综上所述，这种新型中空注水夹层薄壁不锈钢管混凝土格构式构件将不锈钢、高强钢、混凝土和注水组合在一起，利用夹层钢管、混凝土和注水在受力过程中的相互作用，充分发挥了不同材料各自的性能优势，又克服了彼此单独使用时的不足，具有外形美观、防锈耐腐、承载力高、延性和稳定性好、施工方便、抗震和耐低温性能好等一系列优点，在海洋平台结构领域特别是作为自升式海洋平台的桩腿具有广阔的应用前景。

附图说明

附图1为本发明一种自升式海洋平台新型格构式桩腿的立体结构示意图；

附图2为本发明一种自升式海洋平台新型格构式桩腿的俯视图；

附图3为本发明一种自升式海洋平台新型格构式桩腿的桩腿本体内部结构示意图；

附图标记包括：1、桩腿本体，2、薄壁不锈钢圆形钢管，3、不锈钢方形钢管，4、高强钢圆形钢管，5、加劲肋，6、焊接缝，7、混凝土。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

如图1～3所示，本发明公开了一种自升式海洋平台新型格构式桩腿，包括三角形平行设置的桩腿本体1，所述桩腿本体1包括方形钢管3，所述方形钢管3内部通过沿长度方向设置的加劲肋5焊接有圆形钢管4，所述圆形钢管4内部中空注水，所述方形钢管3和所述圆形钢管4之间填充有混凝土7。所述方形钢管3为正方形状，所述加劲肋5设置在所述方形钢管3内部四边的中间位置。所述加劲肋5为双肋平行结构，所述双肋之间设有焊缝6。所述桩腿本体1数量为三个，相邻的桩腿本体1通过若干根较小截面尺寸的薄壁不锈钢圆形钢管2连接成型，相邻的薄壁不锈钢圆形钢管2、桩腿本体1之间形成一种类似于平行弦桁架体系的格构式构件。进一步地，所述方形钢管3由四个尺寸相同的薄壁不锈钢等肢卷边角钢焊接装配成型。所述圆形钢管4为高强钢圆形钢管。所述圆形钢管4的外径与所述方形钢管3的内部相对加劲肋之间的距离一致。

在本发明一种自升式海洋平台新型格构式桩腿中，作为受海水腐蚀性介质影响最为严重、受力最不利和最难以维护的自升式海洋平台的桩腿本体，选择四个尺寸相同的薄壁不锈钢等肢卷边角钢，将不同角钢的各个卷边沿长度方向焊接在一起，形成一种内置四条纵向加劲肋的薄壁不锈钢装配成型的方形钢管，且加劲肋全部位于方形钢管内部边长的中间位置。考虑到薄壁不锈钢装配成型的方形钢管的承载力较小，在方形钢管内部的中心位置增设高强钢圆形钢管，且高强钢圆形钢管的外表面与不锈钢装配成型的方形钢管的四条内置纵向加劲肋完全接触，使得内部的高强钢圆形钢管与外部的不锈钢方形钢管质心完全重合，并在内部的高强钢圆形钢管与外部的不锈钢方形钢管之间填充自密实混凝土，进一步提高支承构件的稳定承载力以及防锈、耐腐和耐低温性能。此外，考虑到自升式海洋平台的可移动性和施工特点，在海洋平台的组装和作业过程中，考虑在组合构件内部中空的高强钢圆形钢管中注水，不但能够协助海洋平台桩腿在组装过程中的沉底固定，还有利于配合组合构件协同抵抗外部荷载，而且在海洋平台作业完毕转移时，还能够通过抽取组合构件内部高强钢圆形钢管中的注水协助海洋平台桩腿的拔起撤离，且抽取的注水能够反复循环使用，有效的节约了海洋平台上宝贵的水资源。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本领域的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述内容顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。