筒形基礎屈曲強度及非線性有限元分析

郭小亮， 崔文濤

(天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384)

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筒形基礎屈曲強度及非線性有限元分析

郭小亮， 崔文濤

(天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384)

為解決筒基屈曲強度的問題，使筒形基礎得到更好發展，通過非線性有限元方法對于筒基的臨界屈曲強度進行了分析，并結合工程實踐對屈曲問題出現的原因進行了探討，為日后此類問題的解決提供了寶貴的經驗。

筒形基礎；海洋平臺；屈曲強度；非線性分析；有限元法

0 引言

筒形基礎也叫吸力樁，或者吸力錨，被稱之為吸力錨時一般是作為海上系泊基礎使用的，比如單點系泊，或者作為多點系泊代替抓力貓和長樁。筒形基礎在國外屬于相對成熟的技術，由于其安裝簡便快捷，結構重量大大減輕，因此已大量應用于各種類型的海洋平臺、單點、多點系泊及水下管匯等結構中，但在國內的應用也就是近二十幾年的時間，且技術發展還處于起步階段，很不成熟，幾乎沒有相應的規范標準可依。

近十年隨著筒形基礎在國內的發展，渤海和南海潿洲海域相繼有幾個筒形基礎平臺得到應用，例如曹妃甸18-1井口平臺、錦州9-3西井口平臺、渤中3-2隔水套管支撐井口和潿洲6-8井口平臺等。這幾個項目的成功應用使得筒形基礎得到了一定程度的推廣，也為其發展奠定了良好的基礎，但是項目的經驗和教訓值得研究和探討，其中一個問題就是筒形基礎的屈曲強度。

1 相關案例分析

2008年曹妃甸18-1井口平臺建造完成，由于安裝時筒形基礎卻未貫入到指定深度，因而當準備更換安裝位置再次安裝下部結構的時候，現場施工人員發現筒形基礎出現了嚴重的變形，不得已將整個平臺重新運回到碼頭，發生明顯變形的筒基也進行了更換。此次事故讓人們對于筒形基礎的發展前景十分擔憂，也為筒形基礎的推廣和應用蒙上了一層厚厚的陰影。

筒臂屈曲損壞照片、筒內筋板屈曲損壞照片分別如圖1、圖2所示。圖1中，下部基礎的筒基發生了嚴重的變形，筒壁成波浪形。圖2中，筒基內部沿著高度方向設置的防止屈曲的筋板也發生了嚴重的屈曲變形。從這2張圖可以看出，筒基的屈曲變形主要包含筒壁的屈曲和筒內高度方向筋板的屈曲這2種。由于筒蓋下方有很密的筋板，且筒蓋的厚度很厚，所以一般頂蓋不容易發生屈曲。筒壁屬于大直徑薄壁結構，雖然為了防止筒壁的屈曲，內部設置了通長的筋板，但筒基的筒壁和筋板仍然發生嚴重的變形，因此有必要對該結構形式進一步研究。

圖1 筒壁屈曲損壞照片

圖2 筒內筋板屈曲損壞照片

1.1 筒基貫入的整個過程

一般海底表面的泥土承載能力大都很差，筒基貫入初期，自重要遠大于貫入阻力，因此一開始不需要抽取負壓即可實現筒基的貫入，這個過程稱之為自重入泥，即僅依靠結構及筒基自身的重量就可以實現筒基初始貫入的過程。自重入泥還有一個重要的作用，它為接下來的貫入提供了一個可以抽取負壓的密閉空間。接著便是啟動泵閥系統抽取負壓。由于一開始筒基入泥比較淺，貫入的阻力比較小，因此所需要的負壓也較小。隨著貫入深度的加大，貫入的阻力也不斷加大。貫入完成的最后一刻，貫入阻力達到最大，但此時筒基已經大部分入泥，可以發生屈曲的范圍已經很小。從這個過程很難判別出哪個時刻是筒基最容易發生屈曲的時刻。

1.2 筒基的結構形式

該筒基直徑6 m，高度10 m，頂蓋處有高度1.5 m分布緊密的筋板，另外筒壁上有幾道沿高度通長布置的筋板，吸力樁內部結構如圖3所示。考慮到貫入阻力的問題，除了頂蓋外，筒基上沒有布置水平的筋板。筒基在設計時，最先考慮的是吸力樁頂蓋的強度，其次是筒壁的強度，最后才是筒壁內部筋板的強度，這種設計與各部分的強度也密切相關。因為頂蓋是平板，在水壓的作用下最容易發生屈曲破壞，筒壁是圓柱形，發生屈曲的可能性次之，筋板是沿著高度方向承受載荷，它與頂蓋和筒壁構成了T形梁的受力形式，因此最難發生屈曲。由此得出，在一般筒基結構的設計中，頂蓋的鋼板厚度最大，筒壁次之，筋板最薄。

圖3 吸力樁內部結構(單位：mm)

筒形基礎應用于海洋平臺上，技術人員一般最為關心的是貫入性能和承載能力，即筒基可以安裝到泥面以下指定的設計深度，同時保證平臺在位工況下能夠抵抗作業和極端條件下的環境載荷(風、波、流等，渤海等寒冷的海域還會有冰)、地震載荷、設備載荷、人員載荷等的考驗。設計中也會按照大直徑薄壁圓筒的理論對筒形基礎進行貫入屈曲分析，但僅限于理論公式的分析。不過從筒形基礎的結構來看，它并不完全屬于大直徑薄壁圓筒，因為筒形基礎一端開口，一端封閉。開口端的約束是由海底泥土提供的約束，并且隨著貫入深度的不同，土體對于筒基的約束也在不停的變化之中，因此想要模擬整個過程中筒基的屈曲強度的變化，并不是一件容易的事。查看圖1和圖2現場損壞的照片，考慮筒基貫入的整個過程，并結合其具體的結構形式，需要借助準確且直觀的三維數值模擬分析來找出筒基發生屈曲的真正原因。

2 屈曲計算分析

在進行計算分析之前需要確定約束形式和施加的載荷。

對于約束形式，前面已經提到，在貫入的整個過程中，約束是在不斷變化的，因為筒基的入泥在不斷的變化。再有就是筒基頂蓋和筒壁上的水壓隨著貫入深度的加深也在不斷的加大(泵閥系統提供)。可以選取其中幾個典型的時刻，比如開始抽取負壓的時刻、貫入的中間時刻和貫入即將結束的時刻。還可以再在這幾個時刻中增加幾個來保證分析的準確性，或者考慮一個比較簡單和相對保守的辦法，選取自重入泥時候的入泥深度，同時選取貫入過程中最大的貫入壓力來進行分析，這樣可以覆蓋貫入的整個過程。為了簡便，本文選用后者進行分析，保守考慮筒壁和頂蓋施加同樣的壓力，如圖4所示是計算分析的模型及約束形式。

圖4 筒基模型及約束條件

按照筒基的結構圖紙建立了三維有限元分析模型，采用shell單元進行模擬，分別賦予相應的實常數來模擬不同的板厚。建模與一般的有限元分析相似，此處不再敘述。因為要計算筒基的屈曲強度，因此必然用到非線性分析，且需要同時考慮材料非線性和幾何非線性。材料非線性可以通過設置材料屬性來實現，采用理想的彈塑性模型；幾何非線性需要打開大變形設置，通過收斂的設置來追蹤結構變形的過程，主要是找出結構臨界屈曲的應力值。非線性分析的過程可參考相應的有限元書籍獲得幫助。

因為非線性的分析是一個比較耗時的工作，而且很容易出現不收斂的情況，導致計算分析失敗，因此需要在非線性分析之前引入1個初始的缺陷，來加快收斂的過程。一般的做法是首先進行一個特征值的屈曲計算，獲得理論上的臨界屈曲應力，同時得到它的第1階模態。在第1階模態的基礎上引入1個微小的變形作為缺陷，用于觸發屈曲計算，加快計算的收斂。

接下來就是進行非線性有限元的分析，此處略去計算的過程，直接給出計算分析的結果。通過讀取筒壁上施加的載荷和筒壁徑向位移的數據繪制出1條曲線，如圖5所示。當出現壓力不增加而位移大幅增長的時候就可認為筒壁出現了屈曲，這個點即被認為是屈曲臨界點。圖中可以看出臨界屈曲應力約為0.28 MPa。

圖5 載荷位移曲線

此時查看筒基的應力和變形情況，如圖6、圖7圖所示。從圖中可以看出筒壁向內凹陷的位移也就只有5 cm，應力水平除了個別地方的應力集中點不能作為參考外，最大應力約為200 MPa，遠小于屈服強度。這說明屈曲剛剛發生的時候，筒壁還處于小變形和低應力狀態，只有屈曲真正發生了，產生了塑性變形時結構才進入大變形和高應力的狀態。

3 結論

曹妃甸筒基在現場貫入的壓力監測顯示，貫入壓力一直低于0.28 MPa，也就是說計算結果顯示筒基是不可能發生屈曲的，可能有其他的因素存在。現場的反饋是，發生最嚴重變形的筒基在貫入過程中出現了貫入困難的現象，考慮筒基下部可能存在異物增加了貫入阻力，而且此筒基相比其他筒基多1根中央立柱，該立柱的高度與筒基一致，它的存在大大增加了貫入的阻力。施工人員在發現貫入困難的時候沒有采取其他措施，而是繼續加大貫入壓力，這可能導致筒基內部的密封泥土發生了嚴重的滲流作用，土體對于筒基底部的環向約束大大減弱，這可以通過圖1觀測到，筒基底部變形最為嚴重。

圖6 屈曲發生時筒壁徑向位移云圖

圖7 屈曲發生時筒基等效應力云圖

通過上述的原因分析和有限元計算可以得出以下結論：

(1)屈曲臨界狀態時，筒基結構處于小變形、低應力的狀態，因此現場施工時需要嚴格控制貫入的壓力。

(2)貫入前應對現場仔細進行探摸，清理安裝位置的雜物。

(3)當貫入困難時應立即停止操作，分析清楚原因后再進行施工，或者更換安裝地點。

(4)筒基設計中應專門增加非線性的有限元分析，保證筒基具有足夠的屈曲強度。

(5)筒基應設置沿筒基高度布置的筋板，筋板的高度和間隔需要根據非線性有限元分析的結果進行調整。

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[3] 馮進,孫任俊,李娟.國外簡易平臺的設計與應用介紹[J].海洋石油,2009(4)：99-103.

2016-02-14

郭小亮(1982—)，男，工程師，從事海洋工程結構設計；崔文濤(1982—)，男，工程師，從事海洋工程結構設計。

TU476

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