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【摘要】大型平板结构物海上吊装入水是个瞬态过程，期间结构先后受到砰击力以及水动力的影响，有必要对结构受力响应进行详细研究以指导海上施工。本文综述了前人对平板结构物砰击入水的部分研究，并根据DNV相关标准详述了砰击力计算准则。然后以某大型防沉板为例，根据DNV准则对入水砰击力进行了计算，结果显示吊装索具发生了松弛现象并且产生很大的突发力。笔者最后针对大型平板结构海上吊装作业提出了相关设计及施工方面的建议以避免发生潜在的危险，并展望了本文的工程应用前景。
【关键词】平板 吊装 入水 砰击力 施工
近年来，随着海洋石油行业的蓬勃发展，各类水下生产设施都向着大型化，集成化发展，对这类超大尺寸、超重型钢结构的海上吊装施工也提出了更高的要求。海洋工程结构物的海上吊装作业对整个项目的工程进度具有决定性的影响，保障吊装作业顺利安全的实施在整个项目管理过程中显得极为重要。
PLEM、PLET及防沉板等大型平板结构物作为油气开发系统的重要组成部分，经常出现于海上施工作业过程中。这类钢结构的特点是迎水面积大，容易导致结构入水瞬间发生很大的砰击力。假设结构受到的砰击力大于结构自重，则结构在入水瞬间会出现“失重”现象，导致吊装索具出现松弛，但随后结构“自由落体”返回水面，吊装索具再次受力瞬间，受到极大的突发力。
为了确保吊装作业顺利实施，设计人员首先应尽量避免吊装索具出现松弛现象；其次假设发生松弛，应计算动力荷载大小，以确保索具安全荷载达到作业要求。本文的计算过程参考了IMCA[1]、DNV RP-C205[2]及DNV RP-H103[3]的相关标准。
1 结构砰击入水研究进展
结构入水砰击问题的理论研究至今已有80多年的历史，最早对结构物砰击入水问题展开理论研究源于Von Karman计算水上飞机降落过程中浮筒所受砰击压力的研究[4]，他首先提出了入水砰击压力的计算公式。此后，人们结合许多工程实际对结构物砰击入水展开深入研究，早期通过理论和试验的方法推导出砰击作业下结构物的受力公式并研究了结构的变形，在船体和鱼雷设计上得到广泛应用。平板结构的入水过程伴随着气、固、液三种不同介质的运动变化，其中气体的可压缩流动和自由液面的非线性变化情况相当复杂，Verhagen根据实验观察到的现象建立了包含气、固、液三种介质的刚性平板入水的理论模型，分析了空气层在平底结构入水过程中的作用[5]。
20世纪70年代随着计算机的发展，人们开始采用数值模拟来解决结构物砰击问题。通过数值模拟可以观察到在试验中无法观察到的砰击现象，也可以解决很多理论分析无法解决的问题，为砰击理论发展提供有利的空间[6]。在海洋工程领域，一些实用可靠的仿真软件诸如MSC.Nastran、Dytran、Ansys以及ABAQUS等在水动力分析及结构砰击入水研究方面发挥极大的作用。但是不管理论研究还是数值模拟，其基于计算的理论模型都采用了较多的简化，难于应用到实际工程中。随着海洋工程走向深水领域发展及水下生产系统的日益高度集成，对大型平板结构物吊装入水砰击力的研究具有广泛的工程应用前景。
2 结构入水砰击力计算准则
所谓砰击力，就是结构入水瞬间水流跟迎水面的相互冲击力，计算公式为2.1：
砰击速度由三部分组成，一是吊机钢丝绳下放速度cv；二是吊机单幅垂向速度ctv，其物理意义是因船舶运动对结构物砰击速度的影响，与船舶RAO （响应幅值因子）有关；三是特征波粒速度wv，其物理意义是因水动力对结构物砰击速度的影响，与浪高、周期及结构物入水深度有关。ctv和wv计算公式分别见2.3及2.4：
从以上工程实例我们可以看出，防沉板在吊装过程中发生索具松弛现象，动力系数达到7.6倍，导致吊装索具总受力远大于结构自重。
根据索具受力的计算过程，结构入水吊装索具受力主要跟结构迎水面积及入水砰击速度有关。因此笔者建议从以下几个方面考虑以便降低结构吊装索具总受力：
（1）入水瞬间尽量降低吊机速度以便尽量降低结构入水速度；
（2）平板结构底部打孔（或加大入水孔径），加快水渗透速度，并减小迎水面积；
（3）在不影响施工的情况下尝试把结构倾斜入水，减小迎水面积；
采用刚度较小的环形吊带或者尼龙绳进行吊装，降低索具刚度，从而降低砰击速度。
以上措施能够降低平板结构入水砰击力，从而避免发生索具松弛现象或者在发生索具松弛现象之后，降低索具所受突发力，从而降低吊装作业风险，确保施工顺利进行。
4 总结
大型平板结构的吊装作业入水砰击过程存在较大的砰击力，若砰击力大于结构自重，会导致出现吊装索具松弛现象，因此在计算吊装力之前需要校核结构是否发生索具松弛现象。DNV标准规定索具松弛现象虽不杜绝，但是应尽量避免，因为在恶劣环境海况下，结构物有可能发生倾覆，给吊装作业带来风险。为了尽量避免索具松弛，可以通过改变吊装方式或结构形式的方式以降低砰击力。
砰击力的计算准则参考了DNV最新标准，其计算结果可以指导大型平板结构海上吊装作业安全实施，同时可为大型平板结构的设计及海上安装方案提供参考价值，在海洋工程深水结构吊装作业中具有广泛的工程应用前景。
参考文献
[1] IMCA-Guidelines for Lifting Operations. IMCA SEL 019， IMCA M 187， October 2007
[2] Recommended Practice， DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads， April 2010
[3] Recommended Practice， DNV-RP-H103. Modeling and analysis of operation， April 2010
[4] T. Von Karmam， The impact of seaplane floats during landing. 1929. Nat. Adv. Com. for Aeronautics. Tech. Note 321， PP 309-3 1 3
[5] 陈震，等.海洋结构物入水砰击载荷与响应研究， 上海交通大学博士论文
[6] 郑传彬，等.结构物砰击入水问题研究进展，科学技术与工程 Vol.8 No.21 2008
[7] 许春友.大型结构物海上吊装安全， 现代职业安全，2012.08 总第132期
【关键词】平板 吊装 入水 砰击力 施工
近年来，随着海洋石油行业的蓬勃发展，各类水下生产设施都向着大型化，集成化发展，对这类超大尺寸、超重型钢结构的海上吊装施工也提出了更高的要求。海洋工程结构物的海上吊装作业对整个项目的工程进度具有决定性的影响，保障吊装作业顺利安全的实施在整个项目管理过程中显得极为重要。
PLEM、PLET及防沉板等大型平板结构物作为油气开发系统的重要组成部分，经常出现于海上施工作业过程中。这类钢结构的特点是迎水面积大，容易导致结构入水瞬间发生很大的砰击力。假设结构受到的砰击力大于结构自重，则结构在入水瞬间会出现“失重”现象，导致吊装索具出现松弛，但随后结构“自由落体”返回水面，吊装索具再次受力瞬间，受到极大的突发力。
为了确保吊装作业顺利实施，设计人员首先应尽量避免吊装索具出现松弛现象；其次假设发生松弛，应计算动力荷载大小，以确保索具安全荷载达到作业要求。本文的计算过程参考了IMCA[1]、DNV RP-C205[2]及DNV RP-H103[3]的相关标准。
1 结构砰击入水研究进展
结构入水砰击问题的理论研究至今已有80多年的历史，最早对结构物砰击入水问题展开理论研究源于Von Karman计算水上飞机降落过程中浮筒所受砰击压力的研究[4]，他首先提出了入水砰击压力的计算公式。此后，人们结合许多工程实际对结构物砰击入水展开深入研究，早期通过理论和试验的方法推导出砰击作业下结构物的受力公式并研究了结构的变形，在船体和鱼雷设计上得到广泛应用。平板结构的入水过程伴随着气、固、液三种不同介质的运动变化，其中气体的可压缩流动和自由液面的非线性变化情况相当复杂，Verhagen根据实验观察到的现象建立了包含气、固、液三种介质的刚性平板入水的理论模型，分析了空气层在平底结构入水过程中的作用[5]。
20世纪70年代随着计算机的发展，人们开始采用数值模拟来解决结构物砰击问题。通过数值模拟可以观察到在试验中无法观察到的砰击现象，也可以解决很多理论分析无法解决的问题，为砰击理论发展提供有利的空间[6]。在海洋工程领域，一些实用可靠的仿真软件诸如MSC.Nastran、Dytran、Ansys以及ABAQUS等在水动力分析及结构砰击入水研究方面发挥极大的作用。但是不管理论研究还是数值模拟，其基于计算的理论模型都采用了较多的简化，难于应用到实际工程中。随着海洋工程走向深水领域发展及水下生产系统的日益高度集成，对大型平板结构物吊装入水砰击力的研究具有广泛的工程应用前景。
2 结构入水砰击力计算准则
所谓砰击力，就是结构入水瞬间水流跟迎水面的相互冲击力，计算公式为2.1：
砰击速度由三部分组成，一是吊机钢丝绳下放速度cv；二是吊机单幅垂向速度ctv，其物理意义是因船舶运动对结构物砰击速度的影响，与船舶RAO （响应幅值因子）有关；三是特征波粒速度wv，其物理意义是因水动力对结构物砰击速度的影响，与浪高、周期及结构物入水深度有关。ctv和wv计算公式分别见2.3及2.4：
从以上工程实例我们可以看出，防沉板在吊装过程中发生索具松弛现象，动力系数达到7.6倍，导致吊装索具总受力远大于结构自重。
根据索具受力的计算过程，结构入水吊装索具受力主要跟结构迎水面积及入水砰击速度有关。因此笔者建议从以下几个方面考虑以便降低结构吊装索具总受力：
（1）入水瞬间尽量降低吊机速度以便尽量降低结构入水速度；
（2）平板结构底部打孔（或加大入水孔径），加快水渗透速度，并减小迎水面积；
（3）在不影响施工的情况下尝试把结构倾斜入水，减小迎水面积；
采用刚度较小的环形吊带或者尼龙绳进行吊装，降低索具刚度，从而降低砰击速度。
以上措施能够降低平板结构入水砰击力，从而避免发生索具松弛现象或者在发生索具松弛现象之后，降低索具所受突发力，从而降低吊装作业风险，确保施工顺利进行。
4 总结
大型平板结构的吊装作业入水砰击过程存在较大的砰击力，若砰击力大于结构自重，会导致出现吊装索具松弛现象，因此在计算吊装力之前需要校核结构是否发生索具松弛现象。DNV标准规定索具松弛现象虽不杜绝，但是应尽量避免，因为在恶劣环境海况下，结构物有可能发生倾覆，给吊装作业带来风险。为了尽量避免索具松弛，可以通过改变吊装方式或结构形式的方式以降低砰击力。
砰击力的计算准则参考了DNV最新标准，其计算结果可以指导大型平板结构海上吊装作业安全实施，同时可为大型平板结构的设计及海上安装方案提供参考价值，在海洋工程深水结构吊装作业中具有广泛的工程应用前景。
参考文献
[1] IMCA-Guidelines for Lifting Operations. IMCA SEL 019， IMCA M 187， October 2007
[2] Recommended Practice， DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads， April 2010
[3] Recommended Practice， DNV-RP-H103. Modeling and analysis of operation， April 2010
[4] T. Von Karmam， The impact of seaplane floats during landing. 1929. Nat. Adv. Com. for Aeronautics. Tech. Note 321， PP 309-3 1 3
[5] 陈震，等.海洋结构物入水砰击载荷与响应研究， 上海交通大学博士论文
[6] 郑传彬，等.结构物砰击入水问题研究进展，科学技术与工程 Vol.8 No.21 2008
[7] 许春友.大型结构物海上吊装安全， 现代职业安全，2012.08 总第132期