超大型浮体结构的研究历史及意义
超大型浮体结构的研究历史及意义
胡金芝
河海大学交通学院（210098）
E-mail：hujinzhi_1980@126
摘要：海洋是一个尚未充分开发的资源宝库，随着人口的增长，陆地资源日渐紧张，人们开发海洋空间的需求和紧迫感日益增加，也就掀起了超大型浮体研究的热潮。本文简要介绍了超大型浮体的发展状况以及研究意义。
关键词：超大型浮体，海洋资源开发，海上空间利用
1．引言
人类很早以前就开始使用填海造地或者排水围垦等方法来利用海洋空间。然而，随着人口的急剧增长、屡屡爆发的能源危机让人们对海洋能源开发及利用的需求与紧迫感增大以及最接近陆地的海域都已被使用殆尽，人们的目光就不得不投向海洋的纵深方向。但利用深水海域，以前的填海造地以及排水围垦的方法不但花费大工期长，而且还会破坏生态环境的平衡，而人们需要的往往不是陆地，而是一个可以驻足的基地。
于是近年来，以有效利用海上空间和海洋资源开发为目的的各种超大型浮体结构（包括海上机场、海上工厂、大型浮桥、海上作业平台及浮动城市等）引起了世界的广泛关注，在日本、美国等地掀起了研究与应用的热潮。在我国，以上海交通大学海洋工程国家重点实验室为首的几家单位也联合进行了超大型浮体国家自然科学基金重点项目的研究[2][3][8]。
超大型浮体结构（Very Large Floating Structure）是指长、宽具有公里数量级、而高度为数米或数十米的长大扁平的钢结构，以区别于目前常见的尺度以百米计的大型船舶和海洋石油平台。超大型浮体结构由于其很小的高长比，使它成为不同于普通刚性浮体的柔性结构。它一般建在离岸几十米的开敞式海域，由相互联结的模块组成，并与系留装置、海域防护设施如防波堤等一起组成一个复合结构系统，作为开发利用及保卫海洋资源的基础设施使用。
超大型浮体主要应用于以下三个方面：⑴在合适的海域建立资源开发和科学研究基地、海上中转基地、海上机场等，以便大量开发和利用海洋资源；⑵当沿海城市缺乏合适的陆域时，可以把一些原本应该建在陆地上的设施，如核电站、废物处理厂等，移至或新建在近海海域，来降低城市噪音和环境污染；⑶在国际水域建立合适的军事基地，以期对某地区的政治、军事格局产生战略性影响[2][3][4][5][8][9]。
常见的超大型浮体有下列几种形式，有箱型（浮舟桥型）（Pontoon type,）、半潜水柱脚型（Semi-Submersible Column Footing Type,）及半潜水低船体型（Semi-Submersible Lower Hull Type,）。其
中箱型浮体构造简单，维护方便；半潜式浮体的构造则比较复杂，但其水动力性能比较好，适宜用在较恶劣的海洋环境中。目前日本对于箱形超大型浮体的研究比较多，而美国则是主要进行半潜式超大型浮体的研究[1]。
2．超大型浮体的研究历史
超大型浮体（VLFS）可以起到与陆地相同的作用，它的设置对某一区域的社会、经济活动以及政治、军事格局发挥及其重要的影响，这远不是航空母舰的作用所能比拟的。早在20世纪20年代就有建造超大型浮体作为飞机的中途加油站的设想，但限于当时的科技水平而未能实现。进入60年代后，对超大型浮体结构的可能应用前景的构想益发活跃起来，包括建设海上城市及海上军事基地等。然而，超大型浮体结构在国际上真正受到重视开始于
80年代后期，这以后陆续有关于超大型浮体结构环境载荷、运动以及结构弹性相应方面的研究，并在理论上有了比较实质性的理论进展，进而成为目前国际上比较热门的课题。不但从九十年代初期起已经开过有关该主题的三次国际研讨会，还成为其它一些著名国际会议如ISOPE（International Society of Offshore and Polar Engineers）、OMAE (Offshore Mechanics and Arctic Engineering)、ICHMT (International Conference on Hydroelasticity in Marine Technology)等的主要议题。许多国家都已开始研究并发展有关技术，其中研究最广泛、最深入的是日本和美国。
日本作为一个岛国，陆地资源匮乏，于是有效利用海洋空间一直成为日本政府十分重视的发展领域。日本早在1979年就对关西国际机场提出了浮动机场概念设计的建议，从1986年起，在日本开展了为期五年的半潜式浮动结构的海上试验，1995年阪神大地震后，日本政府更加体会到超大型浮体结构在防震抗震方面的优越性，于1995年由日本各部门联合资助70亿日元，由相关科研单位组成“超大型浮体技術研究组合”和“财团法人沿岸开发技術研究中心”，组织实施了“超大型浮体式海洋構造物研究开发”的大型研究计划，参加研究人员达千人，历时七年，分三个阶段对超大型浮体结构系统的各个方面进行了研究。包括第一阶段的对超大型浮体结构的环境影响评价、材料、设计载荷、浮体结构的力学特性、定位、海域控制、防灾对策、施工中的质量管理、维修管理及综合评价等方面进行了研究，并制定了相应的规范；第二阶段的超大型浮体用于海上机场的实证研究阶段，及第三阶段的超大型浮体综合安全性评价方法的研究和综合可靠性评价的调查研究。1996年还在日本Hayama召开了第二届超大型浮体结构的国际会议。目前日本正在研究把东京羽田机场改建成超大型浮体结构形式的可行性[2][3][4][5][40]。
同日本一样，美国对超大型浮体结构的研究也处于逐渐升温中，继1985年在日本召开了海洋空间利用国际会议后，美国国家科学基金会资助夏威夷大学开始超大型浮式结构研究计划，从事超大型浮体结构动力特性的理论与试验研究。1991年和1999年在夏威夷先后召开了首届和第三届超大型浮体结构国际会议。在1997年，美国海军研究机构就提出了四种超大型浮体结构模块，分别是绞接半潜式、柔性半潜式、独立半潜式以及混凝土半潜式。美国Weidlinger设计院也曾为纽约4号机场设计了浮动海上机场方案
（3600米×1680米）。1992年美国国防部启动可移动式离岸基地研究计划，这已经成为21世纪美国海军三个核心运作观念之一，离岸式海上基地成为最具有可行性的海上基地，因为美国的海上基地主要是作为机场使用。作为这种多功能的浮动的可自行的军事后勤基地，目前正在组织多方面的专家从事活动式海上机场的开发研究。
除此之外，近来韩国也积极地推进超大型浮体结构的研究计划，挪威、英国等也有一些专家在从事超大型浮体结构的动态特性研究。
在我国，吴有生院士在八十年代后期最早接触到这一新概念，并一直致力于这方面的研究工作，八十年代初就提出了三维水弹性理论，从九十年代初就与美国夏威夷大学合作共同研究超大型浮体结构的水弹性响应问题。上海交通大学的刘应中、缪国平等教授也早在八十年代末就开始了多立柱式超大型浮体结构在风浪中的受力分析研究。2000年，吴有生院士与上海交通大学的崔维成、李润培、刘应中等教授一起申请到了国家自然科学基金“超大型浮式结构物的动力特性研究”的重点项目，为我国在超大型浮体结构的研究提供了理论和实验方面的有效成果。
由于超大型浮体自身是极为扁平的巨型柔性结构，弹性变形十分显著，结构的变形将改变流场，这就成为一个典型的流固耦合问题，因此逐步发展起了水弹性力学。目前世界上很
多对于超大型浮体的研究都是关于其所受波浪绕射及辐射力。
3．我国研究超大型浮体的意义
占地球总面积2/3以上的浩瀚海洋里，不但蕴藏着及其丰富的海底矿产资源、海洋动力资源、海水化学资源以及海洋生物资源等，还蕴藏着及其丰富的海洋空间资源。经济的发展、人口的增长引起陆地能源的日益紧张，于是海洋开发将形成如海洋油气工业、海洋化学工业、深海采矿业等一批新兴产业，而海洋空间的有效利用还将形成新的海上机场、海上城市等。而海洋也将成为未来经济社会发展所需能源的最后索取处
我国人口众多、陆上资源及陆地空间都很有限，但我国拥有18000多公里海岸线、6000多个岛屿和数百万平方公里海域，在大陆架和专属经济区，我国还拥有勘探开发自然资源的权利和管辖权，海洋资源十分丰富。但目前我国对这些资源的开发和利用程度还很低，因此研制和开发超大型浮体对促进我国海洋资源、海上空间的利用以及经济的可持续发展有着极为深远的战略意义。国际上从八十年代末已经开展了相当规模的研究工作，为我国的研制工作提供了一个很好的基础。当前，只有抓住机遇、密切注视和跟踪世界上这方面研究和开发的前沿发展，对超大型浮体可能面临的各类理论和技术问题作既有广度又有深度的分析、研究和探索，进行自主方案开发，我们才不至于在未来大规模的海洋开发和国际竞争中处于劣势。
综上所述，二十一世纪，中国的希望在海洋，作为一个具有丰富海洋资源的大国，超大型浮体的研究对于我国未来的深海资源开发和海洋工程的发展都具有重要的意义。
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The research condition and significance of VLFS
Hu Jinzhi
Traffic College of Hohai University, Nanjing (210098)
Abstract
The resourceful ocean has not been exploited adequately. With the increasing of population and decreasing of land resource, the requirement of utilizing ocean space has become popular. So many countries begin to developing the VLFS. The research condition and significance of VLFS has been brief introduced in this paper.
Keywords: VLFS, exploration of ocean resources, utilization of ocean space.

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