導(dǎo)管架平臺裙樁套筒結(jié)構(gòu)局部強度有限元分析

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(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

淺水區(qū)域海上石油的開發(fā)主要采用導(dǎo)管架平臺。通過打樁灌漿與地基相連，將作用在組塊和導(dǎo)管架上的環(huán)境載荷傳遞到地基。其中樁又分為主樁和裙樁2種方式，對于水深稍淺的導(dǎo)管架平臺采用主樁結(jié)構(gòu)，樁通過導(dǎo)管架主腿打入地基，起到連接固定的作用[1]。對于水深略深的水域，通常采用裙樁的結(jié)構(gòu)形式。我國南海100 m以上水深的導(dǎo)管架基本都采用這種裙樁的結(jié)構(gòu)形式[2-4]。

裙樁是在1個主腿周邊設(shè)有多根樁，這樣的樁需要用到裙樁套筒。一般在導(dǎo)管架的4個角上各設(shè)1個裙樁套筒，由一組帶有喇叭口、長度為10～20 m的圓筒組成，圓管與主腿之間通過板相連。在載荷傳遞的過程中裙樁套筒起到了關(guān)鍵的作用[5]。

在導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中主要采用SACS作為分析校核軟件。但對于裙樁套筒，吊耳等局部構(gòu)件，SACS的考慮并不是很充分，尤其對于裙樁套筒，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計的相關(guān)計算比較繁瑣，仍考慮采用有限元分析的方法[6-7]。

1 裙樁套筒計算方法

1.1 基于ABAQUS的裙樁套筒計算步驟

采用ABAQUS進(jìn)行裙樁套筒的有限元分析，需要將SACS中整體模型計算的結(jié)果作為ABAQUS中局部模型的輸入邊界條件，由此能得到更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。由于ABAQUS中的局部模型是由SACS中的整體模型中截取出來的，因而恰當(dāng)選取模型截斷的邊界點能更好的模擬實際情況[8]。由于在SACS中整體計算的工況一般比較多，通常會多達(dá)幾十種，在ABAQUS局部模型計算時通常選取1、2種比較危險的工況作為校核。計算步驟如下。

1)在SACS中整體建模，計算所有相關(guān)工況，確定受力最大的裙樁套筒和工況。

2)在受力最大的裙樁套筒處選擇截斷點。

3)重新計算，提取最大工況下截斷點的邊界條件，包括位移和力等情況。

4)依據(jù)SACS中截斷的情況在ABAQUS中建立局部模型。

5)將提取的邊界條件依據(jù)坐標(biāo)的變化在ABAQUS中恢復(fù)，使得局部模型與實際情況一致。

6)在ABAQUS中進(jìn)行計算分析，判斷計算結(jié)果是否滿足要求。

在這一分析過程中，邊界條件的提取以及局部模型中邊界條件的還原直接決定了模型分析是否準(zhǔn)確[9-11]。

1.2 SACS中模型的邊界提取與ABAQUS中模型的邊界恢復(fù)

1.2.1 SACS中模型的邊界提取

在截取模型時，截斷點上的邊界條件主要有力和位移，兩者相互關(guān)聯(lián)，即在恢復(fù)邊界條件時恢復(fù)了力就不需要恢復(fù)位移，恢復(fù)了位移就不需要恢復(fù)力。提取力或者位移在理論上都是可以的，但需要考慮恢復(fù)哪一個更方便。因為在SACS和ABAQUS中的坐標(biāo)系是存在差異的。在SACS中，位移的坐標(biāo)系采用的是全局坐標(biāo)系，在建模時普遍采用的是Z向垂直朝上，如圖1所示。

在提取所有的位移都是在全局坐標(biāo)系下提取的。但在提取力時，SACS中采用的是局部坐標(biāo)系，SACS中桿件的局部坐標(biāo)系見圖2。

圖2 SACS局部坐標(biāo)

從圖2可以看出，X方向都是桿件的軸向，Y、Z方向按照右手法則來確定。其不同還不僅僅在于此，在SACS中桿件力方向的定義也與局部坐標(biāo)系和桿件的起止點有關(guān)系，其關(guān)系見圖3。

圖3 SACS中力力矩與局部坐標(biāo)系關(guān)系

需要注意以下幾點。

1)在桿件的起止點，軸向力在軸向壓縮時力為負(fù)，在軸向拉伸時力為正。

2)對于彎矩規(guī)定在桿件的起止點導(dǎo)致桿件中心向下偏斜時為正。

3)對于剪切力在桿件的起點，剪切力的正向與局部坐標(biāo)的正向相同，在桿件的止點剪切力的正向與局部坐標(biāo)的正向相反。

4)對于扭轉(zhuǎn)，在桿件的起止點都以朝向桿件外為正，否則為負(fù)。

考慮到在ABAQUS中通常采用的是全局坐標(biāo)系，見圖4，在SACS建模時，裙樁套筒往往是垂直的，與樁腿相連的截斷的斜撐往往是傾斜的，為在局部模型中施加邊界條件方便，選取在裙樁套筒的樁截斷點處提取桿件的力和彎矩，在斜撐的截斷點處提取截斷點的位移。這樣在ABAQUS中局部模型建模時，只要保證ABQUS中的全局坐標(biāo)系與SACS中的一致，就可以直接施加斜撐截斷點處的位移，樁截斷點處的桿件力和彎矩再依據(jù)坐標(biāo)情況轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)系施加。

圖4 SACS裙樁套筒的位置

1.2.2 ABAQUS中模型的邊界恢復(fù)

接下來將樁截斷點的力和彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)槿肿鴺?biāo)系下的力和彎矩。轉(zhuǎn)化過程中如下。

設(shè)桿件的局部坐標(biāo)系為X,Y,Z。P為軸向力，Vy和Vz為剪切力，Mx，My，Mz，分別為彎矩。需要轉(zhuǎn)化到的全局坐標(biāo)系為X′,Y′,Z′并且方向與局部坐標(biāo)系一致，F(xiàn)x′,Fy′,Fz′分別為3個方向的力，Mx′,My′,Mz′分別為3個方向的彎矩。

對于桿件的起點：

Fx′=-PFy′=VyFz′=Vz

Mx′=-MxMy′=MyMz′=-Mz

對于桿件的終點：

Fx′=PFy′=-VyFz′=-Vz

Mx′=MxMy′=-MyMz′=Mz

在完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化后就得到了全局坐標(biāo)系下截斷點的力和彎矩，直接施加到局部模型上就恢復(fù)了截斷初始的邊界條件。

1.3 ABAQUS中的模型計算

1.3.1 模型的組成

在ABAQUS裙樁套筒的模型計算中主要包括以下幾個部分。

裙樁套筒(見圖5)。裙樁套筒主要包括截斷的主腿，斜撐，上yoke板，下yoke板，剪切板，套筒等部分，均可采用4節(jié)點殼單元S4R。

圖5 裙樁套筒模型

樁。樁不作為主要的校核對象，僅作為施加邊界條件的加載目標(biāo)，可采用4節(jié)點殼單元S4R.。

水泥。用于連接樁和裙樁套筒的水泥漿不作為校核的對象，僅僅用于模擬整體的剛度以保證計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，可以采用8節(jié)點實體單元C3D8R。

1.3.2 構(gòu)件的組合

在樁，水泥，裙樁套筒都建模完成后，需要將模型裝配組合，使得構(gòu)件成為一個完整的模型，在ABAQUS中采用TIE做固定約束，見圖6。

圖6 ABAQUS中的TIE單元

1.3.3 邊界恢復(fù)

由于在SACS中提取的邊界條件都是從一個節(jié)點提取的，但是在ABAQUS中建模后成為了殼單元，在提取的節(jié)點上成了空間結(jié)構(gòu)，需要設(shè)法將節(jié)點上的力施加到截斷的環(huán)形面上，該步驟可以通過ABAQUS中的Coupling來實現(xiàn)(見圖7)。

圖7 ABAQUS中的Coupling單元

首先在截斷點的位置(截斷管柱的圓心)建立參考點，然后將參考點與管柱的截面耦合起來，最后將邊界條件施加到參考點上，那么參考點上的位移和力的情況就傳遞到了截斷管柱截面上。

2 PY34-1CEP裙樁套筒計算實例

2.1 SACS中整體計算情況與模型截取

PY34-1CEP在SACS中的整體模型以及裙樁套筒的分布見圖8。

圖8 SACS中整體模型以及裙樁套筒的分布

整體計算主要考慮32種工況，分4類。

①1201—1208 操作工況;

②2201—2208 極端風(fēng)暴工況;

③3201—3208 操作+內(nèi)波工況;

④3211—3218 極端風(fēng)暴+內(nèi)波工況。

其中3216工況1號裙樁套筒的樁頭力最大，選取該工況下1號裙樁套筒作為局部分析對象。在整體模型中截斷情況見圖9。

樁由PLA1，PLA2，PLA3，PLA4 4點截斷，斜撐由KA1X,K001,K12X,JA1X,J12X截斷，主腿由5A1L截斷。截斷點處的力和彎矩見表1。

提取斜撐和主腿截斷點的位移與轉(zhuǎn)角見表2。

表1 截斷點的力和彎矩

圖9 1號裙樁套筒的截斷點

2.2 ABAQUS中樁腿連接模型

依照SACS的全局坐標(biāo)在ABAQUS中建立裙樁套筒的局部模型，模型包括裙樁套筒、樁、水泥。組合得到ABAQUS中裙樁套筒整體模型。其中參考點與截斷點的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 參考點與截斷點的對應(yīng)關(guān)系

鋼材材料屬性：彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

水泥材料屬性：彈性模量為1.51×1010Pa，泊松比為0.22，密度為1 000 kg/m3。

2.3 ABAQUS中的邊界條件恢復(fù)

依照上述方法，截斷點的位移和轉(zhuǎn)角條件可以直接施加。將截斷樁頭的力和彎矩轉(zhuǎn)化到全局坐標(biāo)系下，得到全局坐標(biāo)系下截斷點的力和彎矩，見表4。

由于在樁頭的截斷處距離裙樁套筒的下yoke板很近，為了防止在計算時造成應(yīng)力集中，在ABAQUS建模時將樁的模型從樁的截斷點處延長了9.15 m，因此根據(jù)力的平移原理，施加到樁頭的力不發(fā)生變化，彎矩依據(jù)延長的距離可以計算得到。實際在ABAQUS中施加到樁頭的力和彎矩如表5所示。

2.4 計算結(jié)果分析

計算得到整個裙樁套筒的應(yīng)力分布，見表6、7。

表6 裙樁套筒的應(yīng)力(包含熱點應(yīng)力)

表7 裙樁套筒的應(yīng)力(不包含熱點應(yīng)力)

由表6、7可見，模型大部分結(jié)構(gòu)強度都符合要求，但是下yoke板強度還是不夠，因此下yoke板局部板厚應(yīng)適當(dāng)加厚。相關(guān)的應(yīng)力分布見圖10。

圖10 模型相關(guān)部分應(yīng)力分布

從以上的計算結(jié)果可以看到裙樁套筒各個部分的Mises應(yīng)力除了局部熱點應(yīng)力之外都滿足材料的強度要求，說明在設(shè)計的最危險工況條件下，裙樁套筒的強度能夠瞞足設(shè)計條件的要求。

3 結(jié)論

1)可以采用有限元軟件ABAQUS來進(jìn)行裙樁套筒的計算分析，其校核的關(guān)鍵是找到截斷的邊界條件，并設(shè)法在局部模型中正確恢復(fù)邊界條件。

2)在SACS計算時考慮所有的工況，為了減少局部分析的工作量，可以采用樁頭力的大小來判斷危險工況。

3)在SACS中邊界提取中需要考慮到局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的關(guān)系，在ABAQUS中建立的模型全局坐標(biāo)系應(yīng)該保證與SACS中的一致。并且提取斜撐截斷點的位移條件，提取樁頭截斷點的力和力矩條件，避免過多的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。

4)由于SACS的節(jié)點力條件與局部坐標(biāo)系和桿件的起止點都有關(guān)系，在ABAQUS進(jìn)行邊界恢復(fù)時需要依據(jù)實際情況進(jìn)行坐標(biāo)變換。