1.本发明涉及一种三立柱半潜式海上浮动平台。


背景技术：

2.目前，随着海上风电场的不断发展和建设，近海(岸)优质风力资源以及可开发海域越少越少。而在远离海岸的远海区域，风力资源非常丰富，具有非常广阔的开发前景。然而，随着离岸距离的增加，水深也逐渐增加，当水深超过50～60m时，目前近海风电场广泛采用的固定于海床的固定式风机基础的成本和施工难度显著增加，不再具备优势。因此，浮动式风机基础(平台)势必成为未来海上风电开发的重要研究方向。
3.经过近几十年的发展，用于海上油气开发的浮动式平台的设计及制造技术日趋成熟，因此，借鉴浮式油气开发平台的成熟技术(如单立柱平台、半潜式平台、张力腿等)来设计浮动式风机平台是国际上普遍采用的方法。但是，海上风电平台和油气开发平台的作业模式不尽相同，所以技术特点和设计要求也不一样，不能完全照搬油气开发平台的模式来设计海上风电平台。例如，海上油气平台一旦发生事故，生命财产损失以及对环境造成的破坏往往是巨大的。海上浮动式风机则具有数量规模大，无人值守，规模化制造，风机受力以及控制系统与平台运动高度耦合等特点。风机运动所引起的额外受力，对平台的运动和稳定性产生不利的影响，因此，开发一种运动性能优异、稳定性好、安全可靠、经济性好、制造安装方便的浮动式风电基础平台是浮式风电场开发的重要组成部分。
4.依托海上油气开发行业的经验和技术，目前相继提出了单立柱平台(spar)、半潜式平台、张力腿平台(tlp)以及驳船式平台等不同形式的风电基础概念和方案。其中一些已经工程应用或开展试验样机验证，分别为hywind项目spar基础，windfloat的半潜式基础，以及ideol带阻尼池的驳船式基础。
5.目前，存在各种形式的海上浮动式风电基础，其中不少采用半潜型浮式结构，通常具有上部结构、下部结构和若干中间连接结构，此类结构是用于海上石油和天然气开发的半潜式平台的典型结构。整个结构的设计需要根据环境条件、风机的大小和形式、制造安装以及经济性等因素来确定。
6.在公开号为cn102758447b的专利中描述了一种半潜式海上浮动风机基础、该基础包括四个立柱，其中一个为中心立柱、风机安装于中间立柱之上，其余三个立柱围绕中心立柱形成三角形结构，在立柱底部采用大面积的三角形开孔板将四个立柱彼此连接，顶部采用由中心立柱辐射出去的星型甲板连接其余三个立柱。这种结构的中间立柱对平台稳定性的贡献非常小，意味着平台的稳定性没有冗余，只要围绕中间立柱的其余三个立柱中有一个发生破损进水时，就会导致平台失去稳定性，从而发生倾覆。另外，采用大面积的三角形开孔板，会使得开孔板与立柱连接处承受非常大的力矩，从而带来结构的强度和疲劳问题。公开为cn102758446b和cn104401458b的专利中描述了两种类似的结构，围绕中心立柱的另外三个立柱采用方形立柱，底部增加y型浮箱，而顶部采用类似桁架结构的管子将四个立柱相互连接，该结构形式和前述结构没有本质区别，而且桁架结构会带来额外的连接点结构
疲劳问题。
7.另外一种典型的浮式结构采用三个立柱连接下部和上部结构，公开号为au2015339391b2、wo2012069498a1、cn208416810u、cn112009635a、cn112357000a的专利中描述了多种三立柱的海上浮动平台，三根立柱为圆形或方形，垂直或者倾斜布置，三立柱之间采用桁架或箱形结构连接成一个三角形，顶部采用三角形或星形结构形式，风机安装于其中一个立柱之上或者三个立柱的中心位置。风机安装于其中一根立柱之上，会使风机遭受比平台中心位置更大的运动和载荷，此外还会额外增加平台的不平衡力矩，对平台结构产生不利影响。公开号为ep3342699b1的专利中描述了一种四个立柱的方形半潜式浮动结构，上部为十字交叉结构，底部包括环状浮箱。此结构相比前述三立柱结构而言，结构的用钢量可能会更多。
8.现有技术的缺点如下：
9.(1)现有部分浮式平台风机安装于立柱之上，偏离平台中心位置，风机通常会遭受比平台中心位置更大的运动和载荷，此外还会额外增加平台的不平衡力矩，对平台结构产生不利影响；
10.(2)现有结构形式，部分采用桁架结构，节点处存在结构疲劳问题，可能需要增加额外的用钢量；
11.(3)现有部分浮式平台顶部采用星形辐射状结构形式，中间连接处结构形式和受力复杂，结构应力水平较高，用钢量也会有一定增加。


技术实现要素：

12.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种三立柱半潜式海上浮动平台。
13.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
14.一种三立柱半潜式海上浮动平台，其包括上部箱式构件和下部箱式构件；上部箱式构件包括两个斜向构件和一个横向构件，两个斜向构件的一端相连接，横向构件的两端分别连接于两个斜向构件；斜向构件和横向构件围成a字型结构；上部箱式构件的结构中心位于横向构件上；下部箱式构件为中部镂空的环式结构；上部箱式构件和下部箱式构件之间设有三个立柱；其中一个立柱的顶部位于两个斜向构件的一端的连接处，另外两个立柱的顶部分别位于两个斜向构件的另一端。
15.下部箱式构件为三角形；三个立柱的底部分别位于三个锐角所在区域；下部箱式构件的三个端部为锐角形或者弧形。
16.下部箱式构件的中间镂空部为三角形或为多边形。
17.三个立柱均匀分布于位于上部箱式构件的结构中心的周围。
18.下部箱式构件的中间镂空部的外壁上固设有垂荡板；垂荡板上设有结构加强件；垂荡板上开设有多个扰流孔。
19.立柱的横截面为圆形或为多边形；立柱为垂向分布或为斜向分布。
20.立柱内设有压载水舱；所述三立柱半潜式海上浮动平台还包括通过水泵和管路来控制压载水舱内压载水量的压载系统。
21.下部箱式构件内设有固定压载舱或压载水舱，固定压载舱内设有固体压载物。
22.上部箱式构件为钢结构件或为钢筋混凝土结构件；下部箱式构件为钢结构件或为钢筋混凝土结构件；立柱为钢结构件或为钢筋混凝土结构件。
23.所述三立柱半潜式海上浮动平台还包括用于与海底进行锚固连接的系泊装置。
24.本发明的有益效果在于：本发明的三立柱半潜式海上浮动平台中，三立柱围绕着需安装的装置均匀布置在四周，使得浮式平台受力均匀；装置安装在浮式平台的中心位置，可最小化装置的运动幅度；与上部采用星形辐射状结构相比，本平台结构连接处的形式更简洁，结构应力更小，可降低结构的用钢量；本平台上端采用a字型箱形结构，即可以将需安装的装置布置在平台中心，又较其他结构形式简洁，结构受力小，用钢量少，且便于规模化批量建造。
附图说明
25.图1为本发明较佳实施例的立体图。
26.图2为本发明较佳实施例的上部箱式构件的示意图。
27.图3为图2中a-a剖视图。
28.图4为本发明较佳实施例使用状态示意图。
29.图5为本发明较佳实施例设置第一种垂荡板时的立体图。
30.图6为本发明较佳实施例设置第一种垂荡板时的使用状态图。
31.图7为本发明较佳实施例设置第二种垂荡板时的立体图。
32.图8为本发明较佳实施例设置第二种垂荡板时的使用状态图。
具体实施方式
33.下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
34.如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种三立柱半潜式海上浮动平台，其包括上部箱式构件10和下部箱式构件20。
35.上部箱式构件10包括两个斜向构件11和一个横向构件12，两个斜向构件11的一端相连接，横向构件12的两端分别连接于两个斜向构件11；斜向构件11和横向构件12围成a字型结构。
36.上部箱式构件10的结构中心位于横向构件12上。上部箱式构件的结构中心形成三立柱半潜式海上浮动平台的结构中心。
37.上部箱式构件10和下部箱式构件20之间设有三个立柱30；其中一个立柱的顶部位于两个斜向构件的一端的连接处，另外两个立柱的顶部分别位于两个斜向构件的另一端。三个立柱30均匀分布于位于上部箱式构件的结构中心的周围。
38.下部箱式构件20为中部镂空的环式结构。本实施例中，下部箱式构件20为三角形；且为等边三角形。三个立柱30的底部分别位于三个锐角所在区域。
39.下部箱式构件20的中间镂空部为三角形或为多边形。本实施例中，下部箱式构件20的中间镂空部为三角形。
40.下部箱式构件的三个端部为锐角形或者弧形。本实施例中，下部箱式构件的三个端部为弧形。
41.立柱30的横截面为圆形或为多边形；立柱30为垂向分布或为斜向分布。本实施例
中，立柱的横截面为圆形，立柱垂向分布。
42.下部箱式构件20设有压载舱21，该压载舱可以是压载水舱，也可以是固定压载舱。固定压载舱内设有固体压载物。
43.立柱30内设有压载水舱31。
44.三立柱半潜式海上浮动平台还包括通过水泵和管路来控制压载水舱内压载水量的压载系统(图上未示出)。
45.上部箱式构件10为钢结构件或为钢筋混凝土结构件；下部箱式构件20为钢结构件或为钢筋混凝土结构件；立柱30为钢结构件或为钢筋混凝土结构件。上部箱式构件、下部箱式构件和立柱内部由正交的扶强材或者主梁结构进行加强。
46.由此，上部箱式构件、下部箱式构件和立柱可以有多种组合。
47.组合一：上部箱式构件、下部箱式构件和立柱均为钢结构件。
48.组合二：上部箱式构件、下部箱式构件和立柱均为钢筋混凝土结构件。
49.组合三：上部箱式构件和下部箱式构件为钢结构件，立柱为钢筋混凝土结构件。
50.组合四：上部箱式构件和下部箱式构件为钢筋混凝土结构件，立柱为钢结构件。
51.三立柱半潜式海上浮动平台还包括用于与海底进行锚固连接的系泊装置(图上未示出)。
52.三立柱半潜式海上浮动平台上可以安装各种需要浮式安装的装置。如图4所示，位于上部箱式构件10的结构中心上设有风力发电机50。
53.在另外的实施例中，三立柱半潜式海上浮动平台还包括垂荡板。如图5和图7所示，下部箱式构件20的中间镂空部的外壁上固设有垂荡板40；垂荡板40上设有结构加强件41；垂荡板40上开设有多个扰流孔42。图5和图7为两种垂荡板结构。
54.下部箱式构件中设置垂荡板，可以增加平台垂向运动的附加质量和阻尼系数，提高垂向运动性能。
55.本发明的三立柱半潜式海上浮动平台，立柱上端采用a字型箱形结构，下端采用环形结构，中间采用三根立柱连接上下端结构。
56.本发明的三立柱半潜式海上浮动平台，下部箱式构件内设有固定压载舱或压载水舱，每根立柱内布置一个或多个压载水舱，压载系统通过相应的水泵、管路以及控制系统自动调节每个压载水舱的水量，以平衡外力导致的平台倾斜。上部箱式构件内可以布置若干功能舱室。
57.本发明中立柱的形式不限于圆形，可以是方形或者其他形式。根据结构、稳定性以及运动要求，立柱沿高度方向的尺寸可以设计成不一致，并且立柱的轴线也不限于垂直形式，可以设计成倾斜。
58.本发明的三立柱半潜式海上浮动平台，用于支撑安装的装置不限于风力发电机，可以是其他任何需要浮式安装的装置，如其他能量转换装置、升压站和渔业网箱等，安装的数量可以是一个或者多个。安装的位置为上部箱式构件的结构中心处。
59.与常规节能装置相比，本发明具有如下优点：
60.(1)三立柱围绕着需安装的装置均匀布置在四周，使得浮式平台受力均匀；
61.(2)装置安装在浮式平台的中心位置，可最小化装置的运动幅度；
62.(3)与上部采用星形辐射状结构相比，本平台结构连接处的形式更简洁，结构应力
更小，可降低结构的用钢量；
63.(4)本平台上端采用a字箱形结构，即可以将需安装的装置布置在平台中心，又较其他结构形式简洁，结构受力小，用钢量少，且便于规模化批量建造。
64.本发明的三立柱半潜式海上浮动平台，结构形式简洁，便于规模化批量建造；支撑安装的装置位于平台的中心位置，运动小；该浮动平台上部结构较常规环形和中心辐射性结构具有更少的结构用钢量或更小的结构受力。
65.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。