基于ANSYS的海上新型施工平臺安全性分析

陳　震

(浙江頭門港投資開發有限公司，浙江　臨海　317000)

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基于ANSYS的海上新型施工平臺安全性分析

陳震

(浙江頭門港投資開發有限公司，浙江臨海317000)

陳震(1979—)，工程師，研究方向：工程管理。

摘要：海上施工平臺可降低施工過程的難度，提高工作效率。文章結合臺州市臨海區跨海大橋施工項目，采用ANSYS有限元軟件建立海上新型施工平臺仿真模型，分析安裝工藝和材質對施工平臺強度的影響。結果表明，無論是工作平臺還是鉆孔平臺，其強度皆符合要求，可確保施工過程中的安全性和穩定性。

關鍵詞：跨海大橋；ANSYS；新型施工平臺；安全性；穩定性

0引言

隨著我國公路系統的逐漸完善，規劃建造跨海大橋是國家發展完善交通公路體系的重要步驟。海上多功能平臺是一種多功能的大型海上施工設備，可以有效解決施工過程中出現的問題，提升整體施工效率。但在實際工程中常常需要驗算施工平臺的安全性，為提高效率，可使用有限元分析方法對其進行分析。

有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解。即利用數學近似的方法對真實物理系統(幾何和載荷工況)進行

模擬。該法利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。

目前的主流有限元分析軟件之一是ANSYS(見圖1)。ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業領域：航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等。

圖1　ANSYS軟件分析結果示意圖

1有限元分析方法的應用概述

有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，還能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

有限元分析法與其他求解邊值問題近似方法的根本區別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函數”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解(往往是困難的)滿足整個定義域邊界條件的允許函數的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數定義在簡單幾何形狀(如二維問題中的三角形或任意四邊形)的單元域上(分片函數)，且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優于其他近似方法的原因之一[1-2]。

2工程概況

臺州中心港區疏港公路一期白沙至頭門段工程是臺州臨海港區三大工程之一，起點為臨海市上盤鎮白沙村附近，與現有的東海大道相平交，樁號K0+000，總體走向西東向，經白沙、麂晴山、大竹山、至路線終點頭門島，樁號K15+608.341與頭門島港區施工陸島碼頭相接，路線全長15.608 km，如圖2所示。該項目一共分成6個合同段，本次主要承擔2個部分的施工項目：大竹山跨海特大橋合同段，起訖樁號K6+909.5～K9+454.9，路線全長2.545 km，含大竹山跨海特大橋和兩頭高壓電纜管線涵2道，上部結構4×(2×16)m+3×16 m預應力混凝土剛架橋+5×(6×50) m預應力混凝土連續箱梁+95 m+170 m+95 m預應力混凝土連續剛構+2×(5×50) m預應力混凝土連續箱梁，下部結構采用矩形截面花瓶式實體墩，圓形承臺鋼管樁基礎及矩形承臺鉆孔灌注樁基礎，通航孔主墩為八邊形承臺鉆孔灌注樁基礎；頭門島跨海大橋合同段，起訖樁號K9+786.1～K12+951，路線全長3.165 km，含頭門島跨海特大橋和兩頭高壓電纜管線涵2道，上部結構8×(6×50) m+3×(5×50) m預應力混凝土連續箱梁，下部結構采用現澆花瓶形實體墩，圓形承臺鋼管樁基礎和矩形承臺鉆孔灌注樁基礎[3]。

本項目施工平臺包括兩個部分：工作平臺、鉆孔平臺。平臺采用鋼管樁桁架平臺結構形式，整個標高+6.000。工作平臺用于堆放施工所需的設備和材料，并為樁基和下部結構的施工提供操作平臺。工作平臺長度為15 m、寬為11 m，可存放泥漿分離器、鉆機等物品。鉆孔平臺結構較為復雜，主要進行水下鉆孔、打樁、填平。

圖2　橋梁施工布置圖

3有限元分析

本文利用ANSYS有限元軟件對項目采用的新型平臺機構的強度進行分析，并根據臨海區的風、浪、流等自然環境設置最不利載荷組成，對鉆孔平臺正常工作工況下的結構強度進行計算仿真分析，分析平臺的強度。將平臺整體劃分成3個大單元建模仿真：船體、樁腿、樁靴。樁靴采用SHELL63單元模擬樁靴的內、外側板和頂、底板和BEAM188單元模擬板材內部的骨材，如圖3所示。船體的建模類似于樁靴，船體中的骨材等采用BEAM188單元模擬，而板橋單元則選用SHELL163進行模擬仿真，如圖4所示。樁腿的建模較為復雜，通過長時間的研究和討論，本文決定采用PIPE59單元將BEAM188代表的板材的骨材連接起來，模擬水流的波流性，如圖5～6所示。需要注意的是，PIPE59單元只能模擬水下淤泥面之上的波流性，因此在設置PIPE59單元時，不能同時將兩個端點放在水下淤泥面之下。

圖3　樁靴有限元模型圖

圖4　船體有限元模型圖

圖5　樁腿有限元模型細節圖

圖6　樁腿有限元模型整體圖

海洋天氣復雜多變，其海面下的狀態更加復雜。復雜的受力狀況對新型平臺的強度分析和設計狀態提出了較高的要求[4]。因此，在仿真分析過程中應考慮水流載荷、風力載荷和波浪載荷對平臺強度的影響，提高施工過程的安全性。水的深度不同，對物體的作用力也不同。為了使仿真結構更加精確，本文采用Airy波理論、Stokes三階波理論和Stokes五階波理論對不同深度下的波浪載荷進行模擬。采用以上理論時未考慮海流和波流聯合作用時對物體的受力，因此應額外考慮海流作用力。新型平臺暴露在海風上，風力載荷直接影響平臺的強度和穩定性，因此在仿真計算過程中應考慮風力載荷。本文主要考慮參數如表1所示。由于水的流動是從四周流動的，在計算過程中應考慮0°、60°、90°、120°和180°方向上載荷的大小，選出最不利的相位角。

表1　新型平臺結構有限元分析指標結果表

4仿真結果

波浪相位角與波流入射角的關系曲線如圖7所示。由圖7可見，不同波流入射角所對應的最不利的波浪相位角值。仿真計算結果如表1所示，可以看出當波流入射角為120°時，即波浪相位角為35°時，主船體、轉體和樁腿出現了最大應力；主船體的最大應力出現在鉆孔工作臺上，板材處的最大值為289 MPa，小于規定的324 MPa，型材處的最大值為281 MPa，小于限定值288 MPa；樁體、樁腿部

分的最大應力出現在樁腿底端與樁靴連接處，其值為241 MPa，遠遠小于標準值552 MPa，皆符合要求。

圖7　波浪相位角與波流入射角的關系曲線圖

5結語

海洋的自然環境較為復雜，因此跨海大橋的建造較為困難。但施工平臺以其安全性高、平穩性好的優勢，降低了施工過程的難度，提高了工作效率。不同的海洋環境，其安裝工藝有所不同。本文結合臨海市跨海大橋的施工項目，利用ANSYS有限元軟件分析了安裝工藝和材質對施工平臺強度的影響。分析結果表明，無論是工作平臺還是鉆孔平臺，其強度皆符合要求，可確保施工工程中的安全性和穩定性。

參考文獻

[1]杜忠志.杭州灣跨海大橋承臺施工技術[J].石家莊鐵道學院學報，2005(6)：50-53.

[2]姜晨光，賀勇，彭建國，等.跨海大橋結構安全自動監測技術研究[J].公路，2006(1)：1-5.

[3]甘勁.海上多功能工作平臺結構設計關鍵技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[4]李維洲.跨海大橋深水樁基礎防船撞能力及安全評估研究[D].西安：長安大學，2014.

Safety Analysis of New Offshore Construction Platform Based on ANSYS

CHEN Zhen

(Zhejiang Toumen Port Investment and Development Co.，Ltd.，Linhai，Zhejiang，317000)

Abstract：The offshore construction platform can reduce the difficulty of construction process and im-prove the work efficiency.Combining Linhai District Sea-crossing Bridge construction project in Taizhou，this article established the new offshore construction platform simulation model by using ANSYS finite element software，and analyzed the impact of installation technology and materials on the construction platform strength.The results showed that both the working platform and drilling platform can meet the strength requirements，and can ensure the safety and stability of construction process.

Keywords：Sea-crossing bridge；ANSYS；New construction platform；Safety；Stability

收稿日期：2016-01-29

文章編號：1673-4874(2016)02-0101-04

中圖分類號：U615.1

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.023

作者簡介