大型結(jié)構(gòu)物浮托安裝過程碼頭承載力分析

李 林（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

?

大型結(jié)構(gòu)物浮托安裝過程碼頭承載力分析

李 林
（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

本文以荔灣3-1中心平臺為案例，運用有限元分析軟件ANSYS對5#滑道各部件，包括土體、樁土復(fù)合地基、滑道板、滑道塊以及駁船支撐結(jié)構(gòu)（DSF）建模，對場地的受力進行系統(tǒng)分析研究，總結(jié)一套行之有效的方法，為工程施工提供重要的技術(shù)支持。

浮托安裝；DSF；碼頭受力；有限元分析

引　言

深海采油結(jié)構(gòu)建造過程中，通過液壓裝置將結(jié)構(gòu)物的支撐轉(zhuǎn)移到DSF上，將大型結(jié)構(gòu)物的重量通過DSF直接作用到建造場地上，對建造場地乃至碼頭受力進行分析是建造過程的重要環(huán)節(jié)。荔灣 3-1項目青島場地5#滑道是支撐樁式大型滑道，本文針對這一實際情況，運用有限元分析軟件ANSYS對5#滑道各部件，包括碼頭、滑道板、滑道塊以及駁船支撐結(jié)構(gòu)（DSF）建模，對場地的受力進行系統(tǒng)分析研究，為結(jié)構(gòu)的安全建造提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　碼頭模型建模技術(shù)

對5#滑道的土模型進行建模分析，經(jīng)過鉆孔分析，得到的信息表明土體可以被分成4層，連同各層的參數(shù)如下所述。第1層的土體厚度值為35m，具有強度值φ=28°、c=35 kPa；第2層的相應(yīng)參數(shù)值為 45m、φ=20°、c=24 kPa；第 3層 4m、φ=4°、c=8 kPa；第4層4m、φ=10°、c=6 kPa。除此以外，所有土體層的變形模量值選取80 MPa，泊松比選取值0.25。在建立模型的過程中，采取對碼頭土體模型等比例放大的手段，以便于滑道的受力可以更好地被模擬，及滑道實際的長、寬、高等參數(shù)都被等比例地放大到2倍以上。建模過程采用Drucker-Prager plasticity準(zhǔn)則模擬土體的實際狀況，對建立的模型施加底面以及層面兩個位置的法向位移，強夯土地基的模擬使用SOLID 95實體單元。

2　碼頭滑道板建模技術(shù)

用 ANSYS軟件對碼頭滑道板進行有限元建模，在建模之前，分析滑道板的材料以及力學(xué)性能，碼頭滑道板是一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中混凝土的型號為C35。所以用SOLID 65單元對滑道板進行建模，采用這種單元進行建模的依據(jù)是滑道板的混凝土成分具有很好的抗壓性能，而它的抗拉性能較差，SOLID 65單元適用于這種拉壓性能不均勻的材料的模擬，通過使用SOLID 65單元，既能很好地建立滑道板中鋼筋的有限元模型，也能對滑道板拉裂以及壓潰的過程進行很好地模擬，設(shè)置材料的彈性模量值31.5 GPa，設(shè)置泊松比的值0.2，建立碼頭滑道板的ANSYS模型如圖1所示。

圖1　碼頭滑道板三維模型

3　大型結(jié)構(gòu)物與DSF有限元分析

建造完成后，對大型組塊上部結(jié)構(gòu)進行重量轉(zhuǎn)移，在這個過程中，大型組塊的上部結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)移到DSF結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于DSF結(jié)構(gòu)放置于滑道塊上，所以，大型組塊上部結(jié)構(gòu)的重量實際由滑道來承擔(dān)，對碼頭進行有限元建模分析，保證其力學(xué)性能的可靠性十分重要。

圖2　大型結(jié)構(gòu)物建造完成后總體情況

3.1DSF建模技術(shù)

采用 Beam 189來建立DSF的有限元模型，Beam 189是ANSYS中的一種梁單元。采用這種單元進行建模是因為DSF的主體由細長桿組成，并且Beam 189單元可以為用戶提供直觀可視的截面編輯功能，所以采用這種建模方式會使真?zhèn)€過程更加方便快捷。由于截面翹曲的存在，考慮 Beam 189的每個節(jié)點除空間6個自由度之外還會附加一個翹曲量，通過設(shè)置單元中KEYOPT（1）=1來表示。截面的設(shè)定除了自定義外，還可以采用軟件提供的梁截面庫，其中包含 11種形狀，通過輸入相應(yīng)參數(shù)可以快速地定義截面。

DSF建模結(jié)果如圖3所示，設(shè)置材料的力學(xué)性能為密度7 850kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3。

圖3　DSF的有限元模型

3.2DSF與滑道MPC單元耦合模型

上部組塊重量全部轉(zhuǎn)移到 DSF上之后，由于DSF放置于道上，有必要對二者的連接進行建模分析，保證力學(xué)性能可靠性。DSF和滑道之間的連接為剛性固接，分別建立了DSF與滑道的有限元模型后，采用MPC 184單元進行耦合來模擬剛性固接。

MPC 184是一種多點約束單元，對于不同的的實際建模情況，MPC 184采用的約束的類型是不一樣的。如前所述DSF結(jié)構(gòu)和滑道兩個結(jié)構(gòu)之間的連接類型為剛性固連，在本節(jié)中，用MPC 184單元來模擬這種剛性約束進行建模，在此應(yīng)設(shè)KEYOPT（1）=0（默認值），該單元為剛性桿，具有兩個節(jié)點，只能沿三個方向平移，確保它是剛性固結(jié)。對于這種大應(yīng)變非線性問題，采用MPC 184單元進行求解十分適用。

圖4　DSF與滑塊耦合整體有限元模型

3.3碼頭受力分析

荔灣3-1組塊總重 28 337.04t，DSF重量為3 000t，取2.0安全系數(shù)，則總載荷為（28 337.04+3 000）×2=62 647.08t，載荷由DSF上部與組塊接觸的10個結(jié)點平均分擔(dān)。如圖5所示。

圖5　碼頭整體建模

約束施加如第1節(jié)所述，進行求解，得到的滑道整體受力情況如圖6。

圖6　大型結(jié)構(gòu)物碼頭整體有限元分析結(jié)果

重量轉(zhuǎn)移結(jié)束后承載上部組塊重量時，滑道受力的最大值 2 162 MPa，滿足抗壓強度設(shè)計值fc=17.50 MPa的要求，滑道最大沉降位移為2 249 mm，也處在安全范圍。

4　結(jié)　論

針對荔灣3-1中心平臺和DSF的實際情況，運用有限元分析軟件ANSYS對5#滑道各部件，包括碼頭、滑道板、滑道塊以及駁船支撐結(jié)構(gòu)（DSF）建模，并利用MPC 184單元將土和結(jié)構(gòu)模型進行有機連接，建立鋼土耦合模型，有效提高了分析計算精度，通過系統(tǒng)的計算，獲得了良好的計算數(shù)據(jù)，為工程的安全建造奠定基礎(chǔ)。

［1］李磊.在大荷載作用下人工挖孔灌注樁樁基承臺的設(shè)計與施工［J］.甘肅科技縱橫，2003，06：76-77.

［2］顧怡蓀.樁基承臺抗沖切及抗剪切承載力計算公式的建議［J］.鋼鐵廠設(shè)計，1995，（2）：51-59.

［3］黃來紅.懸挑腳手架設(shè)計計算與施工［J］.施工技術(shù)，2012，S1：164-167.

［4］李平，李磊，王媛媛，等.半潛式平臺空間剛架模型強度分析［J］.中國造船，2011，S1：179-181.

［5］陳學(xué)勇.非滑道區(qū)大型結(jié)構(gòu)物建造墊墩優(yōu)化及裝船受力分析研究［D］.天津大學(xué)，2009.

［6］楊公升，周學(xué)仲，李淑民，等.非滑道建造海洋鋼結(jié)構(gòu)與地基耦合分析建模技術(shù)［J］.港工技術(shù)，2010，05：42-45.

［7］龍慎久.考慮框—墻相互作用的填充墻框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2010.

［8］佘玥霞，李林，趙江達，等.大型鋼結(jié)構(gòu)可視化有限元建模分析研究［J］.港工技術(shù)，2009，06：23-25.

Large Structure Weight Transfer Process Building Ground Stress Analysis

Li Lin
（Offshore Oil Engineering （Qingdao） Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266520，China）

The paper puts the Central platform in Liwan 3-1 project as a case，and applies the finite element analysis software ANSYS to build finite element models of soil condition，pillar soil-compound foundation，slide-road boards，slide-road blocks and DSF in 5#slide，and make a composite analysis of the site's stress situation.With the analysis，the paper will summarized an effective mode for engineering construction and provide theory and technique support.

float-over installation； DSF； forces of wharf； finite element analysis

U655.4

A

1004-9592（2016）04-0035-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160409

2016.05.15

十二五國家重大專項：南海深水油氣開發(fā)示范工程（2011ZX05056）

李林（1983-），男，工程師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)建造工作。