CN107097914A - 大型水上浮式结构 - Google Patents

Abstract

公开一种大型水上浮式结构，包括下部多浮体、上部结构和中间连接结构；下部多浮体包括多个分散布置的条状浮体，浮体间隔一定距离且其排水体积之和大于浮式结构整体满载状态时的排水体积；中间连接结构至少包括多个第一方向的连接结构，第一方向与水平面相交，第一方向的连接结构对应单个条状浮体连接有三个以上相互间隔的结构，各中间连接结构在水平方向上的截面宽度均小于对应的条状浮体的宽度。水上浮式结构整体呈超扁平状。具有对浪高非线性响应的特性，能降低波浪载荷，可实现超大型化；具备极好的耐波性；具有结构完整性和稳性的高度冗余，具备在碰撞、触礁、搁浅等意外事故条件下不解体、不翻沉的特性，可确保浮式结构和其上人员的生命安全。

Description

大型水上浮式结构

技术领域

本发明涉及一种水上浮式结构，特别涉及海洋工程中的一种新的大型水上浮式结构。

背景技术

所谓大型水上浮式结构，是指比常规的水上浮式结构的尺寸更大，以提供大面积作业空间为主要功能的水上浮式结构。如海上人造浮岛、浮动机场等。大型水上浮式结构首先需要解决的问题是常规箱形浮体随着结构主尺度的增大，会导致波浪引起的载荷(弯矩、剪力和扭矩)的急剧增大，以至于超过结构的极限强度。另外，现有的船舶或浮式结构随着浮体尺度的增大，所搭载的物品及人员大幅度增加，由各类安全事故所产生的后果也愈发难以承受。人们期望通过探索和研究，找到一种可实现浮式结构超大型化的新的结构形式，能够实现在作业环境下，浮式结构具备高稳定性，可在水上提供类似陆地的作业环境，为陆地技术装备以及作业方式在水上应用提供便利条件；同时，在风暴、碰撞、触礁以及搁浅等极端条件下，也能提供比目前水上浮式结构更为安全(包括浮式结构自身安全以及其上人员的生命安全)的技术解决方案。

在现有技术中，能够在海洋环境中稳定，在风暴中生存的大型水上浮式结构之一是大型船舶。它采用普通的大水线面结构，适用于载重航行。船舶结构受力分析可以类比为箱型梁放在弹性地基上，随着船舶纵横向尺度(即总体积)的增大，波浪载荷的增大会大于船舶结构抵抗载荷能力的增大，所以现有船型的尺度大型化开发有极限，《钢质海船入级规范》对于船舶载荷校核的尺度范围最高一档为350米<长度L<500米。

另外，现有大型水上浮式结构还有半潜式平台，是典型的小水线面浮式结构。如美国人关于海上浮动基地在中国的发明专利，公开号CN1269759A。其将常用的海上石油半潜式平台结构形式大型化。由于半潜式结构的下浮体位于距静水面一定深度以下的水中，以立柱浮体(因小水线面浮体的垂荡固有周期大于海洋波浪的谱峰周期，避开了谐振，所以，使其具有较好耐波性)向上伸出与作业面联接，其作业面位于超过适用水域最大波高的高度上，因而使平台从浮体到作业面的整个结构高度很大，庞大而笨重，建造和使用成本很高，同时，其吃水很深，不适宜于在深度较浅的水域使用。另外，由于小水线面浮态稳定的原理决定其吃水、运动和浮态对载荷的变化非常敏感，所以必须配置复杂的压载装置以及相应的控制系统，而该系统的完整性及正常运行与否对平台的安全性有致命的影响。这种结构用于中小型平台，在高产出的石油行业中有经济上的可行性；而用于尺度大于130米的大型浮式结构，则在经济上很难做到效费比的合理性，至今没有付诸实施。此外，半潜式平台下浮体浮出水面时其重心很高，不具备高海况下的稳性要求，仅适用于小海况下的移航作业。

压载舱对于上述船舶和浮式海洋平台是不可或缺的，该系统的作用是：根据大型浮式结构装载的工况，对大型浮式结构相关压载舱进行注入或排出压载水，以达到下述目的：调整大型浮式结构的吃水深度和浮态，以及安全的稳心高度；修正不均衡装载的应力分布，以免引起过大的弯曲力矩与剪切力；改善适航性。随着大型浮式结构的种类、用途和吨位的不同，压载水舱在大型浮式结构上的位置、大小和数量也不同。货船的压载水量一般占船舶载货量的50％～70％；油船的货油舱可兼作压载水舱，有的还设专用压载舱，压载水量占货油量的40％～60％；半潜式平台压载舱容量更大，数倍于最大可变载荷。另外，所有大型船舶和海洋平台的稳心高(GM值)很小，空载和满载之间的吃水变化非常大，空载时吃水很浅，重心很高，稳性很难满足规范要求，必须通过大量的压载水进行压载才行。压载水舱绝不可能采用填充的实芯舱室。现有各类船舶和浮式结构平台的安全性之所以都是有限的(包括结构安全与人员生命安全)，就是因为它们的浮力是由空舱提供的，满载时，压载舱一旦意外破损，就存在倾覆和沉没的风险。

目前，船舶和海洋平台的相关规范的稳性校核包括完整稳性校核和破损稳性校核，并且，仅单独校核最大横向风倾力矩的作用，并不考核风、浪或其它因素的合成作用，尽管这种情况出现的概率并不小。因为常规浮式结构的最大抗倾覆能力是很有限的，如果波型相对于船体固定不变(如尾随浪时)，船体会出现静不稳定状态，引发倾覆的危险。另外，在极端条件下，比如碰撞、触礁、搁浅、货物大量移位时，结构会出现局部破舱、浮力损失、整体结构应力场变化和浮态改变；上述改变将导致进水加剧，从而使得浮式结构整体产生更严重的进水、应力变化和更加恶劣的浮态；上述过程持续循环，最终将导致浮式结构整体倾覆、断裂、解体以至沉没。现有安全规范一般也只能限定相邻两舱破损不倾覆，一旦出现更大的破损，翻沉的后果就很难避免了。

在现有技术中，还有2004年袁晓纪先生发明的桁架式平台，提出了一种跨度大、自重小、在可作业环境中稳定、在大风浪中安全、结构及运行较简单、波浪作用力小、漂流阻力小的水上浮式结构，解决了水上浮式结构可以大型化的技术难题。其问题在于，该发明中的水上作业面与下部浮体结构刚度差距较大，使得材料的利用率较低；该发明中的中间联接杆不提供浮力，使得浮式结构的稳性，尤其是极端条件下的大倾角稳性还存在缺陷；该发明中的结构存在数量庞大的节点，存在结构安全管理上的缺陷，其安全性也是有限的，在极端条件(碰撞、触礁、搁浅等工况)下，虽然能满足规范的各项衡准，其安全性仍存在不确定性，比如浮式结构整体倾覆和翻沉。

概括地说，在现有技术中，大型浮式结构有三种典型技术候选方案，其一是采用普通的大水线面结构，如大型船舶，其问题是波浪载荷随尺度增大的增量，大于结构强度的增量，其主尺度在400米左右已接近极限，在超大型浮式结构工程上有基因性的不足，主尺度会受到限制。其二是采用小水线面结构，如半潜式平台，其问题是自重更大，结构和操作更复杂，成本更高，其吃水、运动和浮态对载荷的变化非常敏感，在防碰撞、破损稳性等方面安全性差。其三是采用桁架式平台，解决了浮式结构“大型化”的问题，但其问题是结构强度分布存在缺陷，没有解决极端条件下的抗倾覆性。由此可见，水上浮式结构技术的发展，希望探索尺度超大型化、在作业海况时稳定、在大风浪中安全、结构及运行较简单、波浪作用力小、漂流阻力小，特别是对恶劣环境及意外事故有足够大的安全冗余的结构形式。

海洋环境中，经统计可能出现的最大波高约30米，相应的最大波长约500至600米(T≈20s)，可能出现的最大波陡约1/7，风力可达17级。以常规大型船舶为例，最大船宽约50米，型深约60米，重心高度约35米，当船舶在风浪环境中发生动力故障，会导致失去航速和艏向控制能力，此时必然会出现橫浪状态，在风浪的共同作用下，将出现巨大的横向摇摆，会导致倾覆的危险。

船舶还可能发生碰撞、触礁、搁浅等意外事故，导致船舶沉没或倾覆，往往造成船舶上的人员生命安全受到威胁。例如，2012年1月13日，“歌诗达协和号”邮轮在意大利因触礁导致倾覆，造成32人死亡。2006年2月3日，埃及“阿尔·萨勒姆·博卡西奥98号”客轮在红海水域沉没，导致190人遇难，近800人失踪。2002年9月26日，塞内加尔“乔拉号”倾覆，造成超过700人死亡。

海上安全一般可分为以下两种类形或体系：1、海上结构物的结构安全，结构安全是指结构物的结构在各种外力作用下仍保持完整、坚固的能力，重点关注结构强度、抗疲劳、抗沉没和稳性等，可由船级社用规范或可信的直接计算规范进行审核；2、海上人命的安全，以保证人员生命安全为目的，重点关注分舱、稳性、机电设备、防火、逃救生和无线通讯等。可由世界海事组织制定国际公约，由签约国海事部门制定法律、法令和规范进行监管。

现有各类船舶和浮式结构平台的安全性都是有限的(包括结构安全与人员生命安全)。因为它们的浮力是由空舱提供的，一旦出现一定程度的意外破损或者人员操作失误，就存在倾覆和沉没的风险；另外，所有大型船舶和海洋平台的稳心高都很小，空载和满载之间的吃水变化很大，空载时吃水很浅，重心很高，稳性是无法满足规范要求的，必须要加压载水压载才行。浮舱必须同时兼有货舱或压载水舱的功能，绝不可能采用实芯舱室。因此，部份破舱会导致浮力丧失和稳性减损，大尺度破舱必然出现不对称的浮力丧失，导致翻沉。另外，触礁、搁浅、艏向失控等意外事故均使浮式结构有倾覆的风险。

总的来讲，以上提及的现有技术中的船舶、半潜式平台、桁架式平台，在满足安全规范的条件下，均仍存在着在极端环境和超预期条件下结构整体倾覆、沉没以及如何确保其上人员生命安全的隐患。如何确定性地保证浮式结构不翻沉，进而保证浮式结构上人员的生命安全，是一个尚未解决的世界性难题。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种在水上可作业环境中能够超大型化、具有良好耐波性和稳定性的浮式结构。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够在实现主尺度超大型化的条件下，在可预见的极端自然环境条件和极端事故条件下，仍能保证水上浮式结构整体有效、不倾覆、不沉没的高安全的水上浮式结构。

本发明实施例提出一种大型水上浮式结构，包括下部多浮体、上部结构和中间连接结构；所述下部多浮体包括三个以上水平布置的条状浮体，各浮体间隔一定距离，各浮体排水体积之和大于所述水上浮式结构满载状态时的排水体积；所述上部结构为框架结构或者箱体结构；所述中间连接结构至少包括第一方向的连接结构，所述第一方向与水平面相交；所述第一方向的连接结构包括多个向上延伸的浮体，所述第一方向的连接结构对应单个所述条状浮体连接有三个以上，所述第一方向的连接结构的各浮体在水平方向上的截面宽度均小于对应的所述条状浮体的宽度；所述中间连接结构与所述下部多浮体以及所述上部结构相互连接。

根据一实施方式，所述下部多浮体的外轮廓尺寸至少在一个方向上大于150米。

根据一实施方式，所述下部多浮体中的单个浮体断面的最大高度尺寸小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸不大于断面最大高度尺寸的2倍；所述多浮体各相邻浮体之间的净间距大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮体的断面宽度尺寸的0.5倍。

根据一实施方式，所述下部多浮体中各浮体的总体积小于浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍。

根据一实施方式，所述大型水上浮式结构的下部多浮体，在水平方向上的长度及宽度分布尺寸等于或大于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍。

根据一实施方式，所述水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置。

根据一实施方式，所述下部多浮体中位于外侧的部分浮体内部形成有多个水密隔舱，或者内部填充轻质不吸水材料，上述部分浮体的排水体积之和大于该浮式结构满载时的等量水体积；以及/或者，所述中间连接结构位于外侧的部分浮体内部形成有多个水密隔舱，或者内部填充轻质不吸水材料。

根据一实施方式，所述第一方向的连接结构水平方向上的整体截面积约为所述下部多浮体的静水吃水线面积的10％至30％。

根据一实施方式，所述下部多浮体呈超大水线面积形态。

另一方面，本发明实施例提出，以前述单个大型水上浮式结构作为基础模块，两个所述基础模块进行一次连接，既可组成尺度800m至1600米的可移动的超大型海洋浮式结构物(Very Large Floating Structure,VLFS)。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的大型水上浮式结构的原理和有益效果在于：

1、本发明实施例的浮式结构能够大型化(小截面浮体具有非线性响应特征，能够降低波浪载荷)。参照图11，通过对计算和实验结果的分析，可以发现，本发明实施例的浮式结构在波浪波幅较小时，即波浪没有越过浮体时，波浪弯矩与线性频域波浪弯矩的值基本相同；在波浪波幅较大时，即波浪越过浮体后，波浪弯矩的增幅随波高的增加逐渐减缓，表现出较为明显的非线性响应特性，在极限波高时，与线性波浪响应的弯矩相比有大幅度减小。为浮式结构大型化提供了有利条件。

2、本发明实施例的浮式结构具备极好的耐波性，主尺度大于对应谱峰周期的常见的波长；垂荡周期约小于等于5秒，远小于波浪的谱峰周期，所以不会出现谐振(共振)。

3、本发明实施例的浮式结构具备大的承载能力，相比2004年袁晓纪先生发明专利，缩小了浮体间距，由一倍间距缩小到0.5倍间距，仍能具备减小波浪载荷的特征，提供了具体材料和图表-图12，因此，在同样宽度条件下，可以布置更多的浮体，从而获得了更大的承载能力。

4、本发明实施例的浮式结构下部为条状多浮体结构且分散布置，结构宽度吃水比B/d非常大，并具有非常大的水线面积惯性矩，整体等效横剖面呈超扁平形态，其横稳性半径非常大，稳心高(GM值)较常规结构有数量级的增大。由于本发明中中间结构也具有一定的水线面积和排水体积，在大角度倾斜时，中间结构会入水，提供浮力和回复力矩；因此，即使将风、浪以及其它撗倾因素同时叠加作用在浮式结构上，也能保持可靠的抗倾覆能力。

5、本发明实施例的浮式结构具备“绝对不沉性”，主要利用类实芯浮舱来实现，类实芯浮舱的排水体积之和大于该浮式结构满载时的等量水体积。

6、本发明实施例的浮式结构具备“绝对不倾覆”特点，利用整体超扁平形态，形成结构上的稳定三角形。

7、本发明实施例的浮式结构具备整体结构完整性的多重冗余，中间连接结构用多个分散的结构构件连接下部多个浮体和上部结构。当局部结构失效时，整体结构不会失效。

8、本发明实施例的浮式结构具备“提高材料利用率”的结构形式，上部结构和中间连接结构和下部多浮体的总体结构形式，类比于结构强度材料利用效率较高的工字形断面。

9、本发明实施例的浮式结构空载和满载吃水变化很小，具有非常大的横向稳心高，无需配置大容量的常规压载舱。

10、本发明实施例的浮式结构在风暴环境中具备良好的生存能力。因为，该浮式结构的宽度具备一定的尺度，并且横稳心达到一定数值以后，风倾力矩和浪倾力矩等各种不利因素综合施加到整体结构上时，仍能保证足够的稳性。在极端不利条件下，即使失去动力，自动变为横浪状态，结构整体仍能保证安全。(船舶不具备这一点，只能靠调整艏向迎浪才能保证安全)。

11、本发明实施例的浮式结构具备波浪遮蔽效应，形成良好的水上靠泊条件，浮式结构整体尺度大，分散的浮体具备消波特性，在结构的背风和背浪一侧形成较大面积的静浪区域，结构本身具备良好的稳定性，能提供足够大的系泊约束能力，可提供船舶直接靠泊的条件。

12、本发明实施例的浮式结构大大提高了人类开发和利用海洋的能力。由于大尺度、大承载能力、高稳定性、高安全性，实际上提供了一个“海上陆地”，使更多类型的陆基技术、装备、操作方法和人员能够较为方便的移植到海上作业，相对于传统船舶和现有的海洋平台技术而言，能够提供常规船舶和海洋平台无法提供的更大更强的搭载能力。

13、本发明实施例的浮式结构在波浪中的运动很小，同时对偏载引起的浮态变化较小，因此有利于降低(简化)货物配载和绑扎的难度，提高装载效率，由于大尺度、大承载能力、高稳性的特点使得浮式结构对不均匀载荷不敏感--偏载倾斜较小。相比于船舶装载，要求大大降低，简化了操作规程，降低了成本。

14、本发明实施例的浮式结构具有良好的航行性能和操纵性能，在主尺度大体相当的前提条件下，相对于大型驳船、半潜式平台具有更浅的吃水，更小的阻力，以便获得较高的航速、更好的航行稳定性和通过性和极强的艏向控制力。可以容易地获得躲避台风所需的8至10节的基本航速。还可根据改变波浪载荷的需要，有效地调整平台与波浪的相遇角度。

15、小截面分散布置的条状多浮体，在排水量相同的条件下，浮体数量越多，单体截面积越小。当浮体截面尺度远小于最大波高时，常用的波浪载荷分析的线性理论就不适用了，按照该理论，浮体的波浪诱导载荷与浪高的平方成正比。而本发明实施例的浮式结构在大浪时，部分波浪会越过浮体上方，部分浮体下方会脱离波浪(见图2)，此时，波浪载荷不再随浪高增大而急剧增大。会出现浮体载荷对浪高变化的非线性响应(见图11)，可使载荷响应的极限值大幅度减小。同时，小浮体分散布置对于减小浮体垂荡运动状态的“附连质量”有独特的效应。而该效应在各浮体间距大于0.5D时显现(见图12)。参照图12，圆柱条状浮体之间无间距与有0.5米以上间距时，垂荡附加质量随振动的圆频率变化的情况，可见，无间矩比有间距的分散多浮体值要大的多，这种差异在0.5D后不再随间距增大而明显改变。

上述效应使本发明实施例的浮式结构在大浪时，总的波浪载荷响应大幅降低，为浮体结构突破常规尺度的大型化奠定了基础。随着平台主尺度的增大，还会使本发明实施例的浮式结构的耐波性大为改善，又会使浮体在波浪中的运动响应减小。还会使浮体结构的惯性力载荷大幅度减小。

16、多浮体的又一个特点是具有超大的水线面积，并且各个浮体分散布置，空载和满载吃水变化很小，对稳性的影响可以忽略。因此，可以允许对多浮体进行相应的轻质不进水材料的实芯化填充。实现即使浮体外壳破损，也不可能出现浮力减损，使任何破损稳性都略等于完整稳性。

17、上部结构的主要作用之一是使其与下部多浮体断面面积对浮式结构横断面惯性矩的贡献大致相当，使总体强力结构分布更趋合理；作用之二是提供大空间的水上作业舱室和大面积的上表面甲板。上部结构可以采用空间框架结构与箱体(常规板壳)结构两种方式实现。空间框架结构是指由梁和柱以刚接方式相互连接，构成承重体系的结构，由梁和柱共同抵抗使用过程中出现的各种载荷。空间框架结构的采用使得上部结构设计更具灵活性，同时使得结构整体设计难度大为减小。

18、水上浮式结构具备很高的安全性。

由于采用分散式多浮体组成整体超扁平的超静定空间组合结构，同时多浮体为超大水线面结构，再加上下部多浮体可填充轻质不吸水材料，因此，在总体结构强度方面和稳性方面有可靠的冗余。能够做到局部结构损坏不会影响整体结构安全；同时，局部结构损坏不会产生连锁反应，导致浮式结构整体连续破坏；具备更高的安全性。水上浮式结构整体为超扁平型式，通过提出水平方向尺度与结构重心到静水吃水线的距离的倍数，使得整体结构具有极大的稳心高度(较行业规范大2至3个数量级)和极大的复原力臂，在极端条件下仍可以保证不倾覆，可提供确定性的基础安全。

19、现有船舶和海洋平台抗倾覆能力是有限的，造成倾覆的外来作用以及人为操作失误都是随机的，只能用概率的方法来处理。而本发明采用超扁平空间结构、可实芯多浮体、能提供储备浮力的中间连接结构等结构组合，保证在最不利海况和“极端事故条件”下的抗倾覆能力。实现了抗沉、抗倾覆能力由“概率性”到“确定性”的改变。对于船舶与海洋平台最基本的安全规范特别是人员生命安全规范，可以用陆地相关的规范为参照进行大规模的调整、简化和免除，对人类海洋活动可产生革命性改变。

总之，本发明水上浮式结构主要特点是：波浪载荷小、尺度大、承载力大、吃水浅、耐波性好、安全性高，并能形成大作业空间。

术语解释：

“条状浮体”指纵向方向尺寸远大于横向方向尺寸的水密壳体。其对水上浮式结构提供必要浮力，所谓必要浮力，是指能够使得浮式结构漂浮于水面上所需的浮力。

“储备浮力”本发明中“所述第一方向的连接结构包括多个向上延伸的提供储备浮力的浮体”中的“储备浮力”，是指在浮式结构出现极端大角度倾斜时，第一方向连接结构的浮体入水，可提供一定的水线面积和浮力，由于其较大的分散距离，使其又具有较大的复原力臂，能提供极大的复原力矩。

“超大水线面积形态”：是指分散布置的大水线面积形态。水线面积形态是本发明的一项重要特征，在海洋工程领域，目前尚无水线面积形态的具体定义，本发明中所述的水线面积形态关注的是总水线面积与总排水量之间的关系(它直接关系到空载与满载浮式结构吃水变化的大小)，以及水线面积分布与载重分布之间的关系(它直接关系到装载分布与浮态变化的大小)，进而会对稳性、浮式结构对载荷变化的响应以及耐波性等重要特性造成影响。习惯而言，海洋工程领域认为常规船舶是典型的大水线面结构，其结构特征呈大水线面积形态；而“小水线面结构”是针对常规船舶的大水线面积形态特征而非具体水线面积数据进行区分的，比如半潜式平台即为典型的小水线面结构；本发明的“超大水线面积形态”也是针对常规船舶的大水线面积形态而言的，本发明浮体结构的吃水变化远小于常规船舶且浮体分散布置，为了与常规船舶做出区别，将该特征称之为超大水线面积形态。另外，“超大水线面积形态”浮式结构的垂荡、横摇和纵摇的固有周期均远小于最大海况时波浪谱峰周期。

“满载状态”指水上浮式结构最大装载时的状态。

“上部结构”指为了形成水上浮式结构的整体结构所需设置的远离水面、在正常状态下大风浪中不允许被波浪触及的空间结构部件。上部结构可以为框架结构或者箱体结构。其上部可以是甲板，其内部可以是作业舱、居住舱、各种功能舱室等。

“最大波高”：不同的水域最大波高是不同的，相同水域的统计数据也不尽相同。本发明所说的最大波高是指，适用水域各设计参考文献中所示最大的最大波高。

“轻质不吸水材料”：是指比重轻于水并且吸水率很低的材料。

当用其填满浮体后，浮体的任意破舱不会损失浮力，因此，破损稳性基本等于完整稳性。

“极端事故条件”是指水上浮式结构可能遇到的有记录的碰撞、触礁、搁浅等特有的状况。

需要说明的是，对于火灾和爆炸等工况，其虽然同样严重影响水上浮式结构的结构安全和其上人员的安全，但并非浮体结构所特有的，在本发明中，将其排除在外。

附图说明

图1是本发明实施例中大型水上浮式结构的前视剖面结构示意图；

图2是本发明实施例中大型水上浮式结构的侧视结构示意图；

图3是本发明实施例中大型水上浮式结构的俯视剖面结构示意图；

图4是本发明实施例中大型水上浮式结构立柱不提供浮力时的倾覆测试的数据；

图5是本发明实施例中大型水上浮式结构立柱提供浮力时的倾覆测试的数据；

图6是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例的大型海上浮动平台前视剖面结构示意图；

图7是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例的大型海上浮动平台侧视结构示意图；

图8是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例的大型海上浮动平台俯视剖面结构示意图；

图9是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例为整体横向置于波浪的波面上的稳定性分析示意图；

图10是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例为搁浅状况下的稳定性分析示意图；

图11是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例进行波浪载荷分析的示意图；

图12是根据本发明实施例中大型水上浮式结构示例进行垂荡分析的示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例提出一种超大型海上浮式结构，可以是浮动式综合保障基地，可供各类船舶直接泊靠，甲板可配备大型装卸机械，提供装卸、转运和存储功能。其基本型态选择是超扁平的空间结构，主要包括上部结构、中间连接结构和下部多浮体。这是区别于所有船舶和海洋平台的全新的浮体类型。

图1是本发明实施例中大型水上浮式结构的前视剖面结构示意图；图2是本发明实施例中大型水上浮式结构的侧视结构示意图；图3是本发明实施例中大型水上浮式结构的俯视剖面结构示意图。参照图1至图3所示，本发明实施例的大型水上浮式结构主要包括上部结构1、中间连接结构2和下部多浮体3。该水上浮式结构在水平方向上的长度(L)和宽度(B)，均可达到等于或大于水上浮式结构空载时重心距离静水面高度(H)的4倍，整体是一种扁平状外形，保证水上浮式结构具有良好的“稳性”。

上部结构1上表面和下表面为上下甲板，也可以增加中间甲板。上下甲板参与整体结构受力。参照图1至图2所示，上部结构1的一实施方式中，可为框架结构实现的刚性结构，上部结构1内可选择形成有众多舱室。

框架结构是指由梁和柱相连接而成，构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平载荷和竖向载荷。

参照图1至图2所示，在示例性实施例中，在高度方向上，上部结构1内可设计为单层分布或至少两层的多层分布。而每一分层内可布置众多舱室，舱室布置方式可根据功能需求进行布置。其中的各舱室主要结构支撑可为竖向的至少三个立柱，以及顶部横向的连接梁，连接梁可分别在顶部或底部连接立柱。横梁和立柱之间可利用连接件进行连接，比如分叉式套管接头。各部件之间可以是焊接连接、铆接连接、螺栓连接或快速卡接。如此，由横梁和立柱组成主要的稳定结构支撑体。当然，也可在横梁和立柱之间增加杆式斜撑或桁架式支撑结构，以使上部结构1整体结构达到结构安全等级的要求。

进一步，上部结构1内可由横梁和立柱或其它杆式支撑结构组成刚性支撑结构，比如参照建筑物的房间构成方式，利用板材封闭形成各个功能舱室。由于墙板是非承力结构，可以选用轻质板材，例如，铝蜂窝板、复合岩棉板、轻钢龙骨组合墙体等。但选择上优选具有阻燃效果的板材。顶板和地板可选用钢板或其它可承重板。

应当理解的是，所述上部结构1梁柱式结构可以是达到结构安全等级要求的任何梁柱式结构形式。举例来说，可以利用多个竖向或横向桁架式支撑结构，组成形成上部结构1，同时分隔出众多功能舱室。

当采用空间梁柱形成的框架结构方式来实现上部结构时，上部结构1的结构设计自由度(或称灵活性)相对于传统船舶与水上浮体结构设计而言将大大增加，上部功能舱室设计布置可灵活变化。上部结构1的可改造余地将大大增加，主要承力结构为梁、柱以及其它支撑(有可能没有)，其余构件(作业舱之间的分割部件、作业舱的上下顶板等)均可以设计为非主要承力结构，仅承受局部的功能载荷而不参与水上浮式结构整体结构受力。由于上述特性，水上浮式结构的非主要承力结构均可以在满足局部功能载荷的前提下任意改动而不影响整体结构受力；非主要承力结构也可以考虑采用非金属材料以大幅度降低防腐蚀的成本；非主要承力结构也可以考虑采用装配(非焊接)的方式连接在主要承力结构上。

而上部结构1的还可提供另一实施方式中，可为箱体结构组成的刚性结构层，主要承力结构为空间板梁结构，舱室中的横舱壁、纵向桁材、形成舱室的上下甲板等构件一般均作为受力结构构件参与总纵强度的计算。

这里所指箱体结构，以多块相互约束的板件组成的空间箱式结构，每一块板均承受局部载荷，在四边承受待定的分布弯矩。

举例来讲，上部结构1可由甲板、围壁以及若干纵向和横向舱壁组成的空间箱体结构。其甲板可以有几层，如主甲板、中间甲板、下甲板等。上部结构1主体可以设计为具有储备浮力，即上部结构1主体为水密或具有一定的水密性。上部结构1主体可以是一个整体的箱体结构，也可以是若干个纵横箱结构的组合体，如“田”字形、“井”字形、“△”字形。

例如，上部结构1结构可选择采用纵横混合骨架形式，每个区域内主向梁的方向不同，同时垂直于主向梁长度方向内设距离不等的强框架，所有主要侧壁骨架都采用水平布置，所有内壁均采用垂向扶强材。由于框架结构是现有船舶或海上浮式结构舱室的常用结构形式，因此，在此不再赘述。

应当理解的是，所述上部结构1也可选择由箱体结构与框架式结构两种搭配组合而成。比如在框架式结构中加入纵向或横向板梁，以进一步提高结构强度。当然也可以在箱体结构为主的结构中，加入各种立柱及横梁进行加强。再比如上部结构1中部采用框架式结构，而外周及或底层采用箱体结构。

本发明实施例的上部结构1整体在使用水域的最大波高之上，而上部结构1中形成的多个舱室可选为可密封舱室，若为多层分区的舱室结构情形下，至少中部以下的舱室正常情况下是密封的，可参照目前的船舱结构。这样，假如遇到极端情况，下部多浮体3失效时，上部结构1仍能保持自浮。

参照图1至图2所示，中间连接结构2的一实施方式中，包括第一方向的连接结构21，第一方向与水平面相交，第一方向的连接结构21包括多个相互间隔的浮体，可以看作是多浮体向上的延伸，这一部分浮体属于特殊功能浮体，在极端条件下，当浮式结构整体出现极端大角度倾斜时，第一方向的连接结构21包括的多个相互间隔的浮体浸入水中，可提供储备浮力，由于复原力臂很长，整体产生较大的回复力矩，可以使得浮式结构整体具备更可靠的稳性。

举例而言，根据目前的设计计算和实验数据，当第一方向的连接结构21的横截面面积之和，大于下部多浮体3静水吃水处水线面积的5％，并且，最外侧第一方向的连接结构21至浮式结构重心的距离大于浮式结构重心距水面距离的两倍时，浮式结构总回复力矩能够大于可能出现的风、波浪等联合作用下浮式结构受到的最大倾覆力矩，能够使浮式结构具有不倾覆的安全性。

本发明实施例中所述第一方向的连接结构21的多个浮体，可以是相交于水面的多个浮体式连接结构，这些浮体式连接结构在水平面上截面的宽度小于相连的浮筒31的水线面宽度，所说“宽度”是指垂直于条状的浮筒31长度方向上的尺寸。第一方向的连接结构21的多个浮体可为立柱式结构，也可为扁片式上下延伸的空心连接结构；只是在本发明实施例中，第一方向的连接结构21的多个浮体是相互间隔的，以供波浪穿越，减少浮式结构整体承受的外部载荷，以确保安全。本段中所称多个浮体式连接结构应该理解，是指对应单个浮筒31连接有三个以上相互间隔的浮体式连接结构。

第一方向的连接结构21可包括多个垂直的立柱，立柱为空心密闭结构。立柱从外形来讲可以分为圆立柱和方立柱、等截面立柱和变截面立柱。立柱大多数可为等截面圆立柱，有少数可为方柱。目前分析中，浮体式连接立柱的实施例具有承受外部载荷小的优势，并且支撑强度较佳。由于下部多浮体3包括多个分散布置的条状的浮筒31，第一方向的连接结构21的多个立柱式浮体可以分布在多排上，而且每排上各立柱均间隔一定距离，立柱的排列方式取决于下部多浮体3中各个浮筒31的排列方式，原则上，多个立柱间隔的连接在各浮筒31之上。可在立柱与上部结构和下部多浮体3结合处的前侧及后侧，设置有导角连接部，导角连接部为空心结构。立柱与上部结构和下部多浮体3结合处也可采用标准的箱型节点结构。而且，还可在立柱21内安装电梯或楼梯等运输设备，以便向上部结构进行人员或物资的运输。

参照图4所示，是第一方向的连接结构21不提供浮力时，水上浮式结构进行倾覆测试的数据，其中，在横倾角超过10度后，水上浮式结构复原力臂会从正值快速下降，在横倾角超过45度后，复原力臂会变为负值，反而加速浮式结构的倾覆。其中符号说明如下：

参照图5所示，本发明实施例浮体式连接结构整体截面积约为下部多浮体3的静水吃水线面积的10％至30％，可以保证浮体向上分布的连续性，在出现最大倾角(一侧条状浮体全部入水)时复原力臂仍为正值。保证了极端情况下，水上浮式结构仍能维持较佳的防倾覆性。

如图1至图3所示，下部多浮体3的一实施方式中，下部多浮体3包括多个条状浮筒31，进一步地，可包括至少三个或三个以上的条状浮筒31，这些条状浮筒31可以间隔一定距离的平行布置。总体需求是，各浮体排水体积之和大于所述水上浮式结构满载状态时的排水体积，以保证该水上浮式结构在空载状态还是满载状态，吃水线总位于下部多浮体3的高度范围内。以此实现为对载荷变化不敏感的超大水线面浮式结构，提供较高的载重能力。

如图1至图3所示的实施方式中，多个条状浮筒31均以纵向顺水上浮式结构的纵向排布，间隔一定距离的平行布置。当然，下部多浮体3可由多个浮筒31组合成各种形状各异的形式，也可由不同形状纵横相交的浮体组成一个下部多浮体3，只需各浮筒31留出适当的间隔以消除波浪作用即可。

各浮筒31可主要由多个纵横加强结构以及外壳板架组成水密壳体。结构需要保证水密性和强度。单个浮筒31断面的最大高度尺寸可选择为小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸可选择为不大于断面最大高度尺寸的2倍；下部多浮体3各相邻浮筒31之间的净间距可选择为大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮筒31的断面宽度尺寸的0.5倍。

浮体总体积小，并分散成较多相对于设计波高为小尺寸的浮体，有利于减小波浪对浮式结构的作用载荷。但本发明浮式结构的主尺度很大，相对水线面积大，浮体干舷很小，仍可提供足够的稳性力矩。在波浪的波高明显小于筒形浮体直径时，筒形浮筒31分布长度通常可以跨越多个波长，并且在宽度方向上有多个筒形浮体并列。众多波浪对浮式结构的作用力互相抵消，所以浮式结构显然容易保持很好的姿态稳定性。

进一步地，各浮筒31排水体积之和选择等于或小于浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍。使得水上浮式结构静吃水线大致位于各浮筒31上半部分。一种选择是，浮式结构的可变载荷对应的排水体积小于或等于各浮筒31的总体积的1/4。在此范围内，能平铺尽量多的浮体，增加浮式结构载重。

如图所示的具体实施例中，下部多浮体3可包括多个位于同一平面的条形浮筒31(虽图中为同尺寸的浮体组成在同一平面内，也可是不同尺寸的浮体组成，不一定均位于同一平面)，各浮筒31直径和长度大致相同，各浮筒31间隔一定距离，这里各浮筒31以纵向方向顺浮式结构纵向方向间隔排列，这里浮筒31的数量为9个，中间一个，两侧各4个对称布置。浮筒31截面可为圆形、椭圆形、方形或者其它几何形状。当然，各浮筒31也可以大小不一，比如，以不同外轮廓尺寸的浮筒31组合使用，以避免相同尺寸浮筒31波浪响应或载荷响应一致，避免应力集中或发生共振危害。

多浮体最外侧的若干个浮筒31内较佳填充有轻质不吸水材料311，例如聚苯乙烯泡沫塑料，如图所示的具体实施例中，左右分别填充3个浮筒31，共计填充6个浮筒31，6个浮筒31提供的总浮力为整个浮式结构自重相当的排水量的约1.1倍。使得水上浮式结构在碰撞、触礁造成浮体外壳破损的情况下，6个填充浮筒31仍能不丧失浮力，使得水上浮式结构结构不会因为浮体失去浮力而倾覆或沉没，具有很大实用价值。

另外，第一方向的连接结构21的各个浮体也可填充有轻质不吸水材料，以确保其破损不进水，仍能提供复原力矩，可以选择全部填充有轻质不吸水材料，也可以对应于浮筒31的情形，只是在外周侧的浮体式连接结构中填充有轻质不吸水材料，如此可以大大提高水上浮式结构的安全性。

本发明实施例的大型水上浮式结构，其第一方向的连接结构21与下部多浮体3配合，形成相对于波浪的变水线面浮体结构，有效降低波浪载荷。本发明实施例的浮式结构仅设置第一方向的连接结构21，可在浮体之间形成大区域的无障碍水面作业空间。

本发明实施例中，水上浮式结构配备有驱动装置及方向控制装置，具体可在各浮筒31上布置多个推进器4，这些推进器可以是全回转推进器。在需要规避极限海况时，水上浮式结构可进行转向与快速航行，航速可达到10节；多个全回转推进器联合作用，可以实现动力定位功能。

本发明实施例中提供的大型水上浮式结构，包括整体刚性的上部结构1，中间连接结构2以及下部多浮体3，总体上可以类比为一个工字形断面。上部结构可等效为工字形断面的上翼缘；下部多浮体3等效为工字形断面的下翼缘，中间连接结构2等效为工字形断面的腹板。通过合理的结构设计，比如，下部多浮体3断面面积以及上部结构1断面面积对浮式结构中和轴的横断面惯性矩的贡献大致相当，下部多浮体3断面自身的惯性矩以及上部结构1断面自身的惯性矩大致相当，可以将本水上浮式结构结构的中和轴设计在水上浮式结构结构中部位置，使得上部结构1、下部多浮体3(钢材)均最大效率的发挥作用，以最小的钢材使用量获得最大的强度(包括抵抗拉、压、弯、剪、扭转等联合作用)，大大提高结构材料(钢材)的利用率。

参照图1至图3，本发明提供一具体应用例如下：

如图中所示例，该浮式结构使用海域可能出现的最大波高的统计值约28米。该浮式结构上部结构设计为一个具有三层甲板的箱体结构，构成该浮式结构的强力甲板。举例来讲，如图所示，上部结构的长度可为600米，宽可为130米，高度可为10米。可以提供7.8万平方米的上表面全通甲板，和23.4万平方米的上部舱室。

该浮式结构的下部多浮体3选择设有9个相同形状的、相互独立的、纵向布置的浮筒31(或称条状浮体)，为整个浮式结构提供浮力。举例来讲，如图所示，下部多浮体3每个浮筒31的横截面可设计为相同的带圆角矩形，每个浮筒31长度可为600米，高度可为11.5米，最大宽度可为8.8米，浮筒31之间的间距可为6米。9个浮筒31外边缘分布宽度可为130米，多浮体总共提供约546000立方米的排水体积。多浮体的水线面积之和可为47400平方米。浮式结构最大排水量约为335000吨，其中，自重约为175000吨，设计载重量约185000吨。当处于设计满载状态时的吃水约为7.7米，空载吃水约为4.7米。空载、满载吃水变化约2.9米。空载时浮式结构重心G距离静水面高度H约为23.4米。该浮式结构的多浮体在水平方向上的长度分布尺寸等于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的25倍、在宽度方向的分布尺寸等于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的5.56倍。

当设计波(为修正后的正弦波)高为22米，波长为621米时，浮体最大总纵弯矩预报值约为9.76E10NM。舯部最大结构应力约为220MP(许用应力为320MP)，结构总体挠度约1/500，满足“刚体”的条件。

第一方向的连接结构21为有园角的长方形中空的立柱体，其长度约10米、宽度约6米、高度约为28米。其单个横截面积可为60平方米，每个条状浮体上等距分布有12个第一方向的连接结构21，9个浮体共有108个，总计横截面积约为6048平方米，为多浮体水线面积的13％。

该浮式结构单个浮筒31的体积为60720立方米，浮式结构全重时的排水体积为335000立方米，所以将最外侧的6个浮筒31的内部空间全部填充轻质不吸水材料311，其排水体积约为364000立方米，大于浮式结构全重的等量水体积。

见图2所示，在每个浮筒31的艏部和艉部可以各设置有驱动装置及方向控制装置4，具体如图所示可为艏部尾部各一套电推进全回转舵桨，比如共有22台。为浮式结构的提供优良的驱动动力和全向控制能力。

另一具体实施方式(301)

1.综述

图6、图7及图8给出了一种超大型海上浮式结构的应用，该浮式结构被设计成适用于海上航行，且由18套全回转推进器4推进的海上大型浮式结构，可在露天上甲板或其它甲板装载大型物件、直升飞机、集装箱等，也可提供油料储备，冷藏货物储备，人员生活设施等。

2.结构形式

该浮式结构整体结构设计为分明的三个部分(参见图6、图7和图8)，即上部结构1、下部多浮体3、连接上部结构1和下部多浮体3的中间连接结构2。

1)上部结构1

该浮式结构上部结构1设计为一个具有两层甲板的结构(自甲板A至甲板B)的箱体结构，构成该浮式结构的强力甲板。上部结构1的长度为310米，宽90米，可以提供平整的全通上甲板，面积为27900平方米，供大型货物及大型集装箱仓储场地，直升机停泊，休闲运动场地(高尔夫等)以及货物临时堆放等。

在上部结构1中主要布置有：分油机舱、二氧化碳舱、机舱局部水基消防设备室、辅机设备、冷却水舱、日用淡水舱、饮用水舱、锚机液压机舱、污水处理装置室、污水舱、雨水净化装置室、海水淡化装置室、污水处理装置室、压缩机舱、液压泵间等。

2)下部多浮体3

该浮式结构设有9个相同形状的、相互独立的、流线型外形的、纵向布置的浮筒31，为整个浮式结构提供浮力。下部多浮体3每个浮筒31设计为相同的水滴形横剖面，每个浮筒31长度为310米，高度为7.5米，最大宽度为5米，浮体间距为5.5米。9个浮体总共提供84500吨的排水量，当处于设计满载状态时的吃水为6.0米，可以提供68000吨的排水量。

在每个浮筒31的艏部和艉部各设置一套全回转舵桨，为浮式结构的提供优良的驱动动力和方向控制能力。

3)中间连接机构2

中间连接机构2主要包括多个第一方向的连接结构21。浮筒31与上部结构1之间用第一方向的连接结构21连接。第一方向的连接结构21包括竖直立柱以及倾斜的立柱，两者还可以构成整体桁架支撑结构。

3.主要尺度

4.功能

本浮式结构的结构形式设计为空间分布式，可以提供较大的内部存储空间和上层甲板面积，可以实现广泛的民事和特殊用途：

1)提供船舶靠泊(万吨级以下)、装卸功能(吊装、滚装、输送带装卸)。

2)提供岛屿开发建设条件保障；可靠泊船舶的种类包括：公务船、供应船、运输船、渔船、游艇等其它配套船舶。

3)提供物资储备、分理、转运功能，货物的总类可包括：干散货、集装箱、滚转货、大型结构间、冷藏货等。

4)提供对停泊岛屿的供电、物资提供、交通转运(因珊瑚岛礁桩基施工比较困难，考虑浮式栈桥形式等生活条件支持。

5)提供对海上船舶进行补给功能：可补充供给燃油、淡水、生活物资等,延长巡航作业周期、提高巡航频次与机动性。

6)提供对海上的通信基站作用，增大通信信号覆盖范围，为海警巡航维权船员及周边海域作业人员、渔民提供通信便利服务。

7)提供对浮式结构周边海域范围内海上作业船员及岛民的航行安全及救援保障功能：浮式结构上提供医疗中心、应急搜救(直升机、快速船)、救援功能。

8)提供海警出航船舶靠泊休整(娱乐健身房)、船员驻留条件保障。

9)提供直升机起降、通信、监测、雷达、导航、直升机机库(设置于甲板上)。

5.主要特征

该浮式结构符合实施例优选范围的特征如下：

1)该浮式结构下浮体水平布置9个条状浮体，各相邻浮体间距为5.5米。该浮式结构各浮体的总体积为82400立方米，大于满载时排水体积为66340立方米。浮式结构上部结构为箱型结构，中间连接结构包括竖直立柱、交叉斜撑(倾斜立柱)、横向水平杆件以及水平支撑组成的桁架结构。上述三个结构部分相互连接形成整体的超静定空间结构。

2)该浮式结构长度为310米，所以符合实施例中优选范围中外轮廓尺寸至少在一个方向上大于150米这一特征。

3)该浮式结构的单个浮体的高度为7.5米，宽度为5.0米，适用水域最大波高不低于23米，所以符合实施例中优选范围中单个浮体断面的最大高度尺寸小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸不大于断面最大高度尺寸的2倍的特征；相邻浮体之间的净间距为5.5米，符合实施例中优选范围中各相邻浮体之间的净间距大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮体的断面宽度尺寸的0.5倍这一特征。

4)该浮式结构各浮体的总体积为82400立方米，满载时排水体积为66340立方米，符合实施例中优选范围中各浮体的总体积小于浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍这一特征。

5)该浮式结构长度为310米(L)，宽度为90米(B)，空载时重心距离静水面的为14.5米(H)，具有上述实施例优选范围中水上浮式结构在水平方向上的长度及宽度分布等于或大于浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍这一特征。

6)该浮式结构配备有18台全回转推进器4，可以使浮式结构具有自航能力，并可通过调整全回转推进器5的方位角来控制浮式结构的航向。这一点符合上述实施例优选范围中所述水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置这一特征。

7)该浮式结构单个浮体的体积为9156立方米，浮式结构全重时的排水体积为66340立方米，所以将8个浮体的内部空间全部填充轻质不吸水材料311，其排水体积即大于浮式结构全重的等量水体积，即符合上述实施例优选范围中的特征。

针对上述实施方式，说明如下：

A.本发明提出的水上浮式结构可具有相当大的总体尺度。

在可常规作业的4-5级海况下，波浪谱峰周期对应的波长长度小于约100米，浮式结构的摇摆幅度主要与波长和浮式结构总长之比有关，为了保持浮式结构纵向具有较好的运动响应，限定浮式结构长度方向尺度大于150米。从而，浮式结构在作业环境下可以大型化，并且稳定。

在极端海况下，设计波高达到22米，波长为621米时，本发明的主尺度达到600米的水上浮式结构仍能保证满足各项规范衡准，同时，满足“刚体”的条件。

B.示例了水上浮式结构多浮体的总体积，储备浮力及吃水线位置的实施方式。

由于要求各浮体排水体积之和大于所述水上浮式结构满载状态时的排水体积，同时又限制了浮体的剖面尺度，因此，下浮体必然呈现总高度小，数量多，总体为扁平形态的分布，其水线面积将远大于常规船舶和海洋浮式平台。

示例了多浮体的总体积不大于水上浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍。因此，水上浮式结构满载时，浮体的储备浮力不大于全重的1倍。当浮体断面一致时，吃水线在浮体高度范围以内；如果储备浮力为水上浮式结构全重的约1倍，则显然吃水线在浮体约1/2高度处。显然，在可变载荷作用下，相比常规船舶，浮式结构的吃水变化要小很多；由于常规船舶为大水线面结构，相对常规船舶而言，本发明的浮式结构则是“超大水线面”结构。

C.浮体的总体积分散在多个体积较小的浮体上。

示例了单个浮体断面的最大高度尺寸小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸不大于断面最大高度尺寸的2倍；示例了多浮体层各相邻浮体之间的净间距大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮体的断面宽度尺寸的0.5倍。通常最大波高约30米，因而单个浮体断面的最大高度尺寸不大于约15米，最大宽度尺寸不大于约30米，相邻浮体之间的净间距大于约15米。浮体断面尺寸小，每个浮体的体积就较小，因而浮体应有一定的总长度和数量，才能具有一定的总体积。同时要求各个浮体是分散布置的，浮体间距的作用在于保证波浪在浮体间流动顺畅，以释放波浪的动能。示例了单个浮体断面主尺度远小于最大波高主尺度时(如0.5倍)，在最大波高时，部分波浪将越过浮体，部分浮体将脱离波浪，波浪载荷随着波高的增加将不再线性增大，即浮式结构波浪载荷对波高的响应出现了非线性现象。从而可以大幅度降低大波浪时浮式结构的波浪载荷。另外，静吃水线设计在浮体上半部，在较大的波高时，波浪会越过浮体上皮，使得浮体瞬时失去的浮力数值与重力数值不相等，浮体必须发生一定程度的竖直方向的下沉(下潜)，才能达到新的平衡状态，新的平衡状态下，由于波浪的动能会随着水深的增大而减小，因此，波浪载荷相对原始状态而言将进一步减小。

同时，小的浮体使得浮式结构整体吃水很浅。分散浮体为波浪越过浮体创造了流体运动的条件。同时，使得水线面积分散分布，具备很大的复原力以及复原力矩，能够保证结构具有较好的稳性。当多个小浮体分散布置，联合作用时，可以提供足够的排水体积和超大的水线面积，所以在同样载重的条件下，空载和满载工况下，吃水变化很小，因此，可以具有极高的稳性，可以不需要配置大容量的压载舱。条状浮体是指细长的浮体结构，其一方面的作用是，可以自然成为浮式结构整体结构的一部分受力部件，其另一方面的作用是，有利于减小航行阻力，并保证在的较小的湿表面长宽比的条件下仍能实现航向的稳定性。

D.中间连接结构中的第一方向的连接结构为浮体式连接结构。

示例了中间连接结构中的第一方向的连接结构为浮体式连接结构，提供储备浮力，保证了浮体向上分布的连续性，在出现意外大倾角(一侧条状浮体全部入水)时复原力臂仍为正值。保证了极端情况下，水上浮式结构仍能具有足够大稳性安全冗余，从而维持可靠的抗倾覆能力。

E.所述大型水上浮式结构在水平方向上的分布尺度等于或大于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面距离的4倍。

参照图9至图10所示，大型水上浮式结构在水平方向上的长度及宽度分布等于或大于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面距离的4倍。相当于是浮体在宽度方向的尺度大于水上浮式结构空载时重心距离静水面距离的4倍，这就使得浮式结构横向剖面整体为超扁平形态。如图9所示，浮式结构多浮体的静水吃水线以及多浮体两个最外侧的点至重心的两条边形成一个稳定的三角形，该三角形的夹角最大为27度。在大风浪中，最大波陡为1/7，对应的波浪倾角为16度，在最不利工况下，浮式结构横向置于波浪的波面上，仍能确保浮式结构在风倾力矩和波浪载荷作用下不倾覆。

在各种角度的浅滩搁浅时，由于稳定三角形的限制，能够确保浮式结构不倾覆。图10为浮式结构搁浅在较大坡度角的浅滩上时(比如小于20度的坡度角)，浮式结构不倾覆的原理示意。

F.水上浮式结构具有机动性能和调整艏向能力。

示例了水上浮式结构配备有驱动装置及方向控制装置，具体可在多浮体的各浮体的艏部与艉部布置多个全回转推进器，这些推进器前后距离很大并可以全向转动，在产生全向推力的同时可跟据需要产生巨大的偏转力矩。

具体还可在水上浮式结构上设置帆、直推推进器和舵等来实现。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内做出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种大型水上浮式结构，其特征在于，包括下部多浮体、上部结构和中间连接结构；

所述下部多浮体包括三个以上水平布置的条状浮体，各浮体间隔一定距离，各浮体排水体积之和大于所述水上浮式结构满载状态时的排水体积；

所述上部结构为框架结构或者箱体结构；

所述中间连接结构至少包括第一方向的连接结构，所述第一方向与水平面相交；所述第一方向的连接结构包括多个向上延伸的提供储备浮力的浮体，所述第一方向的连接结构对应单个所述条状浮体连接有三个以上，所述第一方向的连接结构的各浮体在水平方向上的截面宽度均小于对应的所述条状浮体的宽度；所述中间连接结构与所述下部多浮体以及所述上部结构相互连接。

2.根据权利要求1所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述下部多浮体的外轮廓尺寸至少在一个方向上大于150米。

3.根据权利要求1所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述下部多浮体中的单个浮体断面的最大高度尺寸小于适用水域最大波高尺寸的1/2，最大宽度尺寸不大于断面最大高度尺寸的2倍；所述多浮体各相邻浮体之间的净间距大于相邻两个浮体中宽度尺寸较大的浮体的断面宽度尺寸的0.5倍。

4.根据权利要求1所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述下部多浮体中各浮体的总体积小于浮式结构满载时全重的等量水体积的2倍。

5.根据权利要求1所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述大型水上浮式结构的下部多浮体，在水平方向上的长度及宽度分布尺寸等于或大于所述水上浮式结构空载时重心距离静水面高度的4倍。

6.根据权利要求1至5任一项所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述水上浮式结构安装有驱动装置及方向控制装置。

7.根据权利要求6所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述下部多浮体中位于外侧的部分浮体内部形成有多个水密隔舱，或者内部填充轻质不吸水材料，上述部分浮体的排水体积之和大于该浮式结构满载时的等量水体积；以及/或者，所述中间连接结构位于外侧的部分浮体内部形成有多个水密隔舱，或者内部填充轻质不吸水材料。

8.根据权利要求1至5任一项所述的大型水上浮式结构，其特征在于，所述第一方向的连接结构水平方向上的整体截面积约为所述下部多浮体的静吃水处水线面积的10％至30％。