吸力貫入式板錨的設計與性能（1）

最新 03-27

摘要

這篇論文展示了西澳大利亞大學過去五年所做的關於優化埋入式板錨的設計和性能的研究。從物理模擬，塑性分析和數值建模的角度展示了板錨性能的基本特徵與其幾何結構，錨眼的切向偏心和法向偏心，以及轉動翼板的設計相關。法向偏心導致的埋深損失的降低（有益）和承載力的減小（有害）的組合效應，以及當前翼板的轉動上拔的有效性是這篇論文主要的著眼點。優化後錨的設計應滿足以下條件（i）在轉動上拔過程中限制埋置損失，（ii）使轉動上拔結束後承載力達到最大值，（iii）在系纜上載入使錨能夠切入更堅硬的黏土中。這些結論可以外推至其他錨的設計，例如動力貫入錨，其性能受錨眼的位置影響。

1簡介

吸力貫入式板錨(SEPLA)將大型漂浮設備系泊于海底軟土的一種高效經濟的錨泊系統(Wilde et al. 2001, Ehlers et al. 2004).。SEPLA的主要組成部分是錨板，通過錨桿連接至錨眼（即載入點），以及鉸接於錨板頂端的可轉動翼板（圖1）。用吸力沉箱將板錨安裝至設計埋深。在2004年以前，吸力貫入式板錨的現場應用只限於浮式平台的臨時錨泊，2006第一次作為永久錨泊應用於墨西哥海灣的一座浮式採油平台。

圖1 吸力貫入式板錨結構示意圖

安裝就位後，板錨必須從其初始的垂直位置轉動上拔（旋轉）至與系纜相正交的傾斜位置，以此來獲得最大的投影面積和承載力。這可以通過張緊錨鏈作用在錨上的荷載為其最大載荷的20-30%。在轉動上拔過程中，錨將做垂直運動，導致其埋深降低。對於一般情況下不排水抗剪強度隨深度增加的正常固結黏土來說，埋深的損失將會導致板錨的抗拔承載力減小。而可轉動的翼板原本就是為限制板錨的埋深的降低以及與之相關的抗拔承載力的減小而設計的。

對吸力貫入式板錨的轉動上拔過程進行了廣泛研究，首次使用了離心機模型試驗，接著對進行大變形有限元分析。早先的研究結果將埋深損失的降低歸因於板錨的法向偏心距en，錨的質量W』以及錨眼處的拉力傾角θA。這使板錨埋深損失計算有了合理的精度，豎向載荷作用下在軟黏土中的埋深損失為板錨寬度B的0.5-1.5倍。

這篇論文總結了過去五年西澳大利亞大學在海上基礎設施中心所做的基於早先的研究結果而建立的關於吸力貫入式板錨的性能的研究。研究的焦點是可轉動上拔的翼板的真實性能，因翼板而產生的切向偏心ep以及峰後錨的軌跡。通過物理模型，有限元分析和塑性分析的方法得出了結果。將他們得出的結果和關於錨鏈的分析相結合，就可以完整模擬出吸力貫入式板錨的性能表現。

2吸力貫入式板錨的最初設計

2.1相關概念及期望性能

吸力貫入式板錨通常包含一個可轉動翼板，以限制其轉動上拔過程中導致的板錨豎向位移。而翼板是一個連接在錨的頂端的實心板，它可以一邊旋轉一邊遠離錨桿（約20度）並限制其轉向錨桿。早期現場試驗希望實現其增大吸力貫入式板錨的豎向載荷面積並防止其在張緊時回到原始安裝軌道的目的。預期的效果圖如圖2所示。

Figure 2.Intended mechanism ofthe keying flap.

在錨的轉動上拔過程中，作用在翼板上的剪力因為鉸的偏心距s將在該處產生力矩，導致其旋轉遠離錨桿。此時轉動上拔的翼板會提供額外的承載力來對抗豎向位移，因此埋深的損失將降低。

2.2觀測到的不足

Gaudin通過將深埋於正常固結黏土中的吸力貫入式板錨垂直拔出的離心試驗得出了關於翼板的性能的試驗數據。圖3所示運動學角度分析，證明了在板錨的轉動上拔過程中翼板並不運動（旋轉），反而是在轉動上拔的最後階段，即當錨在張緊力方向做平動時，其處於運動狀態。

從簡單力平衡分析其翼板的運動機理。沿翼板的剪力產生了繞鉸接點的力矩，正如所推測的那樣，當板錨旋轉時作用於翼板後部的土體承載壓力產生的力矩將其抵消。後者在數量級上更大，這是因為如圖4所示的承載壓力很大並且力臂也很長。這就阻止了翼板隨著板錨的旋轉而旋轉。當轉動上拔過程結束，錨開始做平動，沒有剪力了，但此時作用於翼板前面的土壓力導致其開始轉動。