海洋平臺樁和隔水套管的自由站立穩定性分析的工程實踐探討

王宏光周健狀

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300352；2.中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300352）

海洋平臺樁和隔水套管的自由站立穩定性分析的工程實踐探討

王宏光1周健狀2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300352；2.中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300352）

自由站立穩定性分析是海洋平臺樁和隔水套管的重要設計內容。本文結合海洋工程的設計實例，研究了自由站立穩定性分析中變截面樁、頂端預留長度，貫入深度和傾斜角度等問題的具體處理方法及建議，探討了工程實踐的注意事項，與工程實踐結合緊密，具有可操作性和指導意義。

海洋平臺 樁 隔水套管 自由站立 工程實踐

1 引言

樁的自由站立穩定性分析，是要考慮接樁的長度必須保證當樁錘放在樁頂端時樁的應力要滿足要求［1］。樁的自由站立穩定性分析，同承載力分析、可打入性分析以及樁身強度分析聯合構成了樁基設計的內容［2］?？紤]到剛樁和隔水套管直徑大、壁厚薄、樁超長和貫入深的特點［3］，以及樁錘重量很大，自由站立穩定性分析往往作為決定分段長度的控制工況，尤為重要。

海洋工程實踐中，自由站立穩定性分析的設計依據是API RP 2A規范，基于經典理想長柱彈性屈曲理論。規范中較為詳盡的給出了有關許用應力和組合應力的計算方法，但是具體到工程實踐中仍有諸多細節需要設計人員斟酌處理，以最大程度滿足工程實際的安全性和操作便捷性。

2 自由站立穩定性分析原理

自由站立穩定性分析，考慮導管架腿頂端及以上的樁段，認為該樁段下部在與導管架腿頂端接觸的位置固定約束，上部是自由端，簡化為理想受壓細長桿件，做危險截面的靜態的承重校核，考慮適當的有效長度系數及折減系數［4］。所受荷載來自該樁段自重、樁錘自重、錘帽自重與傾斜角度引起的軸向力和彎矩。通常，所校核的危險截面發生在接樁完成時刻，危險截面的位置位于導管架腿頂端或者變截面處。自由站立示意圖1所示，樁或者隔水套管的自由站立穩定性分析的主要內容如下。

2.1 軸力和彎矩的計算

軸向力 P的計算公式如下：

Ph是與樁錘相關的重量，包括錘自身，錘帽等；Ppi是第段樁的自重，i= 1，...n，針對變截面情況。對非變截面自由站立段，n=1；α是計算自由站立段的傾斜角度。

彎矩 M的計算公式如下：

Mh是樁錘產生的彎矩； Mp是自由站立樁段產生的彎矩； Mhα是樁段在計算傾斜角度下產生的彎矩； Mh2%是樁段在2%的錘和樁重垂直于軸線作用下產生的彎矩［api］； lh是樁錘的長度； lp是樁段的總長度； lpi針對變截面情況，是第 i段樁的長度。

2.2 許用軸向壓縮應力

對于徑厚比 /Dt小于或等于60的構件，許用軸向壓縮應力aF計算公式如下［5］：

E是楊氏模量，MPa； K是有效長度系數，取2.1； l是無支撐長度，m； r是回轉半徑，m。

2.3 歐拉應力

歐拉應力只能適用于彈性范圍，即要求crσ 不超過比例極限pσ，即于是，歐拉公式的適用范圍是柔度是 λ ≥ λp的壓桿，即大柔度桿，細長桿［6］。對應于上式，當Kl/r ≥ Cc時，桿件失穩破壞，歐拉應力 Fe= Fa；當 K l/r ＜ Cc時，桿件非失穩破壞，不存在歐拉應力。

2.4 許用彎曲應力

許用彎曲應力，bF，按照下式計算：

2.5 組合應力

受到壓彎聯合作用的圓管，沿著其軸線的各個點應滿足以下兩式：

3 工程實踐的注意事項

3.1 變截面樁

對于自由站立段存在變截面的情況，危險截面數量可能不止一個，需要分別校核。圖2所示，左圖和右圖分別對應兩種接樁情況。左圖在55mm壁厚處接樁，右圖在70mm壁厚處接樁?？紤]薄弱截面和承受荷載最大兩個因素，危險截面如箭頭所示。左圖危險截面在導管架腿頂端，右圖危險截面在導管架腿頂端和自由站立樁段上壁厚變薄處。另外，由公式（7）（8）可知，計算許用軸向壓縮應力以及歐拉應力時，需要輸入如下兩個參數，桿件長度 l以及回轉半徑 r。對于變截面的自由站立樁段，應采用自由站立樁段的總長度，以及當前校核截面的回轉半徑。

3.2 樁端預留長度

指的是前一段樁的預留長度，即前一段樁打樁完成時，其樁頂（包括切割余量）距離導管架腿頂端的距離。工程實踐中的樁端預留長度，對于首段樁，取首段樁吊耳下部到首段樁頂的長度再加0.5m，對于非首段樁，取樁錘錘套的長度再加0.5m～1.0m，并兼顧預計打入位置時的預留長度。

3.3 樁的貫入深度

工程打樁中，通常需要兩個打樁錘，一大一小，小錘作為主打樁錘，大錘作為備用錘。自由站立穩定性分析要求，各個樁段分別使用兩個錘，組合應力均滿足規范要求。樁貫入深度，指當前樁段安裝完成之后，未經預計樁錘擊打之前，下沉的長度。工程上可保守考慮取0。對于首段樁，當其插入到導管架腿中時，首段樁會在樁和錘及錘帽的自重作用下沉入泥面以下一定深度，自由站立計算中應予以考慮，并注意樁錘輕放，防止溜樁。對于非首段樁，當某段樁大樁錘自由站立不滿足要求，而小樁錘自由站立滿足規范要求時，在大樁錘自由站立計算中，考慮可以給出適當的貫入深度，使自由站立應力滿足要求。該方法認為，該段樁的貫入深度之前用小樁錘打樁，而貫入深度之后可以考慮使用大樁錘。

3.4 樁傾斜角度

樁的計算傾斜角度，取樁的設計傾斜角度加上0.55度，其中，包括0.25度樁和腿軸線偏差角度+0.30度導管架腿軸線和設計偏差角度。這是工程實踐考慮設計偏差的保守做法。

3.5 隔水套管的自由站立穩定性分析

隔水套管和樁的自由站立穩定性分析方法和原則一致，因此上述樁的自由站立穩定性分析原理和注意事項同樣適用于隔水套管。區別在于，隔水套管的壁厚通常是常量，外徑相對較小。因此在計算其所受的彎矩和軸向力時，無需像樁計算時考慮變截面的特殊性。

4 結語

基于樁和隔水套管自由站立穩定性分析的工程實踐，給出針對變截面管徑、頂端預留長度、貫入深度以及傾斜角度修正的具體操作方法，可操作性強，對規范理論和工程實踐的結合具有重要參考意義。對工程中需要考慮的主要問題進行闡述，尤其是貫入深度調整，可有效解決備用錘條件下的自由站立分析中應力過大的問題，對工程設計有推廣價值。工程上，自由站立穩定性分析尚需結合可打入性分析、承載力分析和樁身強度校核，進行樁基設計和優化。

［1］海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程平臺結構設計［S］. 2009.08.

［2］張建勇.錦州20_2氣田BOP平臺樁基設計［J］.科技傳播，2012（05）∶90-91.

［3］劉潤.海洋工程中樁身自由站立穩定性影響因素分析［J］.海洋工程，2006（3）∶6-13.

［4］陳波.樁基平臺樁的可打入性和自由站立強度分析［J］.中國海上油氣，2001（6）∶1-5.

［5］Planning， designing， and constructing fixed offshore platforms working stress design［S］.American Petroleum Institute，2014.

［6］王世斌，亢一瀾.材料力學［M］.高等教育出版社，2008∶253-255.

王宏光（1981—），男，黑龍江海林人，本科，工程師，研究方向：海洋石油工程結構專業設計管理。周健狀（1989—），女，吉林長春人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：海洋石油工程的結構設計。