ANSYS/LS-DYNA在海洋平臺打樁拒錘分析中的應用

劉 穎，王洪偉

（1.中國石油大學勝利學院，山東東營 257000；2.中石油海洋工程公司船舶事業部，天津 300451）

ANSYS/LS-DYNA在海洋平臺打樁拒錘分析中的應用

劉 穎1，王洪偉2

（1.中國石油大學勝利學院，山東東營 257000；2.中石油海洋工程公司船舶事業部，天津 300451）

在導管架平臺打樁過程中，由于施工條件或土壤特性突變等因素的影響會出現拒錘現象。拒錘時樁錘的動能幾乎全被鋼樁本身吸收，需對樁身的安全性進行分析。文章利用ANSYS/LS-DYNA軟件對樁體進行動力沖擊分析，通過軟件建立樁的分析模型，對拒錘時樁的受力狀況進行模擬，得出樁的應力分布及變形曲線。結果表明，ANSYS/LS-DYNA能很好地計算出打樁拒錘時樁的應力分布，為工程優化設計提供依據。

海洋平臺；鋼管樁；ANSYS/LS－DYNA軟件；打樁；拒錘；應力分析

0 引言

導管架平臺依靠樁基礎來支撐上部甲板結構及生活生產設施，一般采用開口鋼樁，通過沖擊錘打入海底。要求每根樁都要打到或接近設計的深度而不至于破壞。在打樁過程中，隨著打入深度的增加及土壤條件的不斷變化，當樁打入一定持力層而未到達設計貫入深度時，土壤特性的突變有可能使樁貫入152 mm（6 in）而錘擊數超過800次，從而產生拒錘現象。此外，海上打樁施工作業經常受天氣條件、接樁焊接、船只調度或者打樁錘更換等原因的影響，造成樁不能一次性貫入到設計深度。這種施工中的停錘少則幾個小時，多則幾天或者幾周，長時間的停錘必然引起土體固結，造成繼續打樁的困難或者拒錘的產生。當施工過程中拒錘時，樁錘的錘擊能量幾乎全被鋼樁本身吸收。由于錘擊能量較大，需對樁身的安全性進行分析。

1 關于LS-DYNA

LS-DYNA是軍用和民用相結合的通用結構分析非線性有限元軟件，是以顯式為主、隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，能夠模擬實物的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維結構的非線性動力沖擊問題。ANSYS/LS-DYNA將顯式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序強大的前后處理結合起來。用LS-DYNA的顯式算法能快速求解瞬時大變形動力學、大變形和多重非線性準靜態問題以及復雜的接觸碰撞問題。

沖擊問題是一類特殊的動力學問題。海洋平臺打樁過程中是利用樁錘的沖擊克服土壤對樁的阻力，使樁端沉到預定的設計深度或達到地基持力層。可見，打樁問題為典型的沖擊問題。鋼管樁在打樁過程中發生拒錘現象時容易發生縱向壓曲而破損，利用LS-DYNA的動力分析功能可以模擬拒錘時樁端、樁身及樁頂具體的應力分布狀況。

2 分析模型假設

打樁過程中，發生拒錘時樁體在錘擊作用下貫入152 mm而錘擊數超過800次，平均每錘擊進尺較小，樁側的土體發生擾動，樁側阻力較小。對模型簡化分析假設如下：

（1）由于土體擾動，忽略拒錘時樁側阻力。

（2）樁端的樁土作用為剛性接觸，打樁拒錘發生時，樁錘動能被樁體吸收，樁頭沒有進尺。

3LS-DYNA計算

與一般的CAE輔助分析程序操作過程相似，ANSYSY/LS-DYNA的顯式動力分析過程包括前處理、求解以及后處理三個基本操作環節。

3.1 前處理

在前處理器中，定義LS-DYNA顯式分析單元，從而激活一個LS-DYNA顯式分析。所選的模型為埕島油田某平臺預打加固樁，樁長54.3 m，樁徑1 200 mm，壁厚為24 mm、28 mm、30 mm的變壁厚開口鋼管樁 （見圖1）。

根據幾何參數在ANSYS中建立分析模型，對模型劃分單元網格，定義載荷數組，即載荷—時間變量數組。為模擬在打樁拒錘時的最不利條件，將模型下部單元約束。

3.2 分析選項設置及求解

在LS-DYNA中設置求解時間，將結果輸出文件的類型設置為ANSYS and LS-DYNA；設置殼單元厚度方向積分點輸出個數，將能量控制選項中的所有選項打開；設置完成指定分析的結束時間和各種求解控制參數，形成LS-DYNA計算程序的數據輸入文件，遞交LS-DYNA求解器進行計算。

3.3 計算分析

通過LS-PREPOST后處理程序讀入計算結果文件，在窗口中設置4個視圖，分別顯示變形、豎向速度、豎向變形和樁體應力分布 （見圖2）。

在程序中選擇所關注的節點進行分析，沿樁體豎向方向每隔0.5 m選擇一個節點，顯示各個節點的速度變化曲線和豎向變形曲線及應力變化曲線等。根據所選節點，分析距離樁頂和樁端不同節點的應力和變形情況 （圖3所示為節點8078的豎向變形隨時間的變化），對不同節點進行校核。校核后如不滿足設計要求，在命令流中更改樁段壁厚，再次進行計算，直到得出合理的設計壁厚。

在該工程分析中，打樁拒錘發生時對樁身影響最大的點在距離樁頂0.91 m的地方。多次更改鋼管樁壁厚計算，結果顯示將樁頂壁厚改為28 mm更合理、經濟，滿足施工安全要求。計算結果同時顯示在樁底的節點應力和變形也較大，在設計中應加大樁底下端2～3 m處的壁厚。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對打樁拒錘進行模擬計算，可以得到優化結果。

[1]羅傳信，王柳君，唐紅英，等.海洋樁基平臺[M].天津：天津大學出版社,1988.

[2]蘇宏陽，酈鎖林，曾進侖，等.基礎工程施工手冊[M].北京：中國計劃出版社，1996.

[3]商躍進.有限元原理與ANSYS應用指南[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]王靖濤.樁基應力波檢測理論及工程應用[M].北京：地震出版社，1999.

Application of ANSYS/LS-DYNA in Analysis of Piling-rejection in Offshore Jacket Platform

LIU Ying（Shengli School of Petroleum University of China,Dongying 257000,China）,WANG Hong-wei

Sometimes piling-rejection happens during piling operation in offshore jacket platform installation owing to abrupt changes of construction conditions or soil properties.In such case,the dynamic energy of hammer is almost completely absorbed by steel pile,the pile safety needs analyzing.The software ANSYS/LSDYNA is applied to analyze the dynamic impact on the pile.The force status of the pile under piling-rejection is simulated based on the pile modeling,and the curves of pile stress distribution and deformation are obtained.The results show that ANSYS/LS-DYNA is a powerful tool for piling optimization.

offshore platform;steel pipe pile;software ANSYS/LS-DYNA;piling;piling-rejection;stress analysis

TE951

B

1001－2206（2011）03－0025－02

劉 穎 （1980-），女，山東高青人，講師，2003年畢業于山東理工大學，現主要從事油氣田工程安全分析研究工作。

2010-05-10；

2010-11-30