高106.68 m自升式平臺的樁靴強度分析

張大朋，范 浩，白 勇，朱克強，劉科偉

1.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058

2.寧波大學海運學院，浙江寧波 315211

隨著人類對石油需求的不斷增加，陸地石油資源已經遠遠不能滿足需要，因此占全球石油資源總量約1/3的海洋石油資源成為關注的焦點[1-5]。海洋平臺作為海上油氣開發的主要裝備，在世界范圍內應用廣泛。目前，對海洋石油資源的開發逐漸從淺海到深海，從簡單地質到復雜地質擴展，這要求海洋平臺能夠適應更加惡劣的環境，因此也對海洋裝備的結構強度提出了更高要求。

樁靴是支撐自升式平臺的最主要構件之一，樁靴的結構強度影響平臺工作的安全性。板和加筋板是樁靴的主要構件，當受到的載荷超過一定值時，板和加筋板的破壞以及板的失穩將導致結構最終破壞。因此在結構強度校核中需要同時考慮屈服強度和屈曲強度。本文結合某高度為106.68 m平臺的樁靴參數，通過必要簡化，使用ABAQUS軟件，建立5種載荷作用條件下樁靴的靜力學分析模型，并進行有限元計算。利用所得計算結果對樁靴的主要支撐構件的屈服強度和屈曲強度進行校核，同時結合計算結果為優化設計提供參考意見。

1 有限元建模

自升式平臺帶有能夠自由升降的樁腿，作業時樁腿下伸到海底，站立在海床上，利用樁腿托起船殼，并使船殼底部離開海面一定的距離（氣隙）。自升式平臺由平臺主體結構、樁腿及升降機構組成，其中自升式鉆井平臺的主船體部分是一個水密結構，用于承載設備，以實現鉆井采油功能。當其浮于海面上時，主船體部分產生的浮力用于平衡樁腿、設備、結構等的重力[6]。本文的研究對象是平臺的水下樁腿支撐結構。

通常情況下，通過對實體建模進行靜力學計算，但在劃分網格時，由于實體加入了構件的板厚和桿件的截面厚度，導致對板厚進行網格劃分時容易出現錯誤，由此導致計算不易收斂。因此采用先利用Solidworks軟件建立樁靴殼單元幾何模型，而后導入有限元分析軟件ABAQUS中，再在ABAQUS中設置結構所需要的板厚和桿件截面的方法進行計算[7-10]。采用有限元分析軟件劃分網格時，對不連續的小構件劃分網格較為困難。同時在分析過程中會增加計算時間和不收斂機率。因此在創建模型時，對結構開孔、肘板、樁靴與樁腿的過渡等部位做了必要簡化。樁靴有限元分析模型如圖1所示。

圖1 樁靴有限元分析模型

2 樁靴所受的載荷

本文分析了5種載荷條件，包括預壓載工況、偏心工況、風暴工況，其中預壓載工況包括3種不同的載荷形式。

2.1 預壓載工況

預壓載工況模擬樁靴逐漸進入海床的情景，樁靴的底板與海床接觸的面積逐漸增加，本文取3種接觸直徑來模擬這個過程，支撐面積是繞中心分布的從最初最小滲透面積，到最終的埋置狀態面積。預壓載的3個工況分別為LC1、LC2、LC3，與之對應的接觸直徑為3.048、9.114、15.6 m。工況LC1到LC3所受的外載均為84 710 kN。

2.2 偏心工況

海底地貌變化多樣，樁靴與海床不可能完全接觸，時常出現樁靴一部分與海床接觸，另一部分沒有與海床接觸的偏心現象。為了模擬偏心現象對樁靴結構強度的影響，將樁靴承受到的最大支反力均勻加載在樁靴底部50%的受力面積上。其中最大支反力為84 710 kN。

2.3 風暴工況

風暴工況是指平臺在遭受極端惡劣環境作用的條件下，停止工作能夠自保的狀態。在風暴工況中，樁靴受最大的垂向作用力、水平作用力以及最大的樁腿下導向處50%的彎矩。模擬風暴工況下結構所受的載荷見表1。

表1 風暴工況載荷

3 結構材料特征

由于平臺所處環境惡劣，所受載荷變化較大，對于結構強度要求高，因此所選材料需要擁有足夠的強度。不同的板厚需要采用相應強度的鋼材。其中對20 mm以下（包括20 mm）板厚的板材選用AH36型鋼，20～40 mm板厚的選用DH36型鋼，超過40 mm、小于100 mm板厚的選用EH36型鋼，而對于主要支撐構件則選用EQ系列超高強度鋼。所選材料屬性見表2。

表2 結構選用材料屬性

4 屈服強度校核結果

選取樁靴的主要支撐構件進行分析，通過計算得出構件在所有工況條件下的應力值（見表3），并選取構件在所有工況條件下的最大應力值與結構材料的許用應力值進行比對，比值小于1為合格。

表3 樁靴應力計算結果

從表3可以看出，在預載工況中LC1工況條件下，樁靴主要支撐構件的應力值為最大，產生這一現象的主要原因是，在預載工況條件下樁靴始終受垂直向下的載荷作用，而在樁靴剛開始接觸海床時樁靴與海床的接觸面積最小，使得海床對樁靴支撐面積最小，從而導致主要結構支撐構件應力值最大。當樁靴逐漸插入海床，樁靴底部與海床接觸逐漸增加，海床對樁靴的支撐面積也在增加，使得構件的應力值隨之下降。這說明在平臺坐入海底的過程中，樁靴剛開始接觸海床時的結構受力最大。

從表3徑向艙壁一欄發現，徑向艙壁在5種載荷條件下的應力值，較相同條件下的其他構件應力值都要大。產生這一現象的主要原因是：徑向艙壁支撐著樁靴的頂板和底板，此外環形艙壁1、環形艙壁2、環形艙壁3都與它相交，這使得徑向艙壁既承擔垂直方向的受力，又承擔水平方向的受力。因此徑向艙壁在所有工況條件下的應力較其他構件都大。

5 板的屈曲強度校核

隨著技術的不斷進步，高強度鋼在海洋平臺上的應用變得十分廣泛。由于高強度鋼的應用，使得以拉應力為主要特征的結構強度問題不再成為主要影響因素，因而結構在同等受力條件下，采用高強度鋼的結構板厚大大減小。然而板厚的減小，使得由壓應力引起的結構容易失穩，構成對結構整體安全的挑戰。本文依據有關規范給出的經驗公式，對高應力區域的板和加筋板進行屈曲強度校核。

式中：σxmax為縱向最大壓應力，N/mm2；σymax為橫向最大壓應力，N/mm2；τ為邊緣切應力，N/mm2；σcx為縱向臨界應力，N/mm2；σcy為橫向臨界應力，N/mm2；τc為邊緣臨界切應力，N/mm2；η為最大許用強度利用系數，取0.8。屈曲強度校核結果見表4。

6 樁靴主要構件Mises應力云圖

樁靴主要構件的Mises應力云圖見圖2～3。

從圖3（a）、（b）、（d）可以發現，在樁靴受力時，在構件與構件的接觸部位顏色較深，說明此處應力值較大，當遠離接觸部位時，云圖顏色逐漸變淺，應力值也逐漸下降。說明在同樣的載荷作用下，構件邊緣部分和構件與構件接觸部分應力較大，同時發現，相互接觸的構件越多，應力最大。分析產生這種現象的原因是，平臺建造中最常使用對接接頭的焊接形式，而這種接頭形式使得焊趾處截面突變，結構均勻性受到破壞。然而當結構形狀出現急劇變化時，構件局部應力增加引起應力集中。整個樁靴結構是由不同厚度的板和桿件，通過焊接連接成一個整體的，而在構件與構件接觸部分，需要焊接的部分較其他部分較多，從而在這些區域易產生應力集中。觀察圖3（b）、（c）、（d） 發現，在環形艙壁的云圖中，顏色較深區域均按120°分布，與主要徑向艙壁分布一致。這說明徑向構件是主要支撐構件，并影響到與之相接處的板的應力值。環形艙壁1～4的云圖顏色變化不明顯，說明環形艙壁所承擔的載荷較小。

圖2 樁靴頂板、底板構件Mises應力云圖

圖3 樁靴艙壁、底部三角形構件Mises應力云圖

7 結論

（1）從計算結果可得，所選主要支撐構件在屈曲強度和屈服強度方面都滿足規范要求。

（2）通過對比屈曲強度和屈服強度計算結果得出：主要支撐構件在多數載荷條件下所受作用力都較大，往往這些區域結構強度不能滿足要求，或者最大應力值比許用應力值小。同時在這些區域板的屈曲強度也較小，失穩的可能性較大。

（3）通過屈曲強度計算結果得到，高強度鋼的采用對結構穩定性的影響較大。

（4）由于樁靴受不均勻載荷作用，導致應力集中的現象較為普遍。根據應力云圖分析，在環形艙壁與徑向艙壁相交的部位應力較大。建議在該相交部位使用強度更高的材料，以及在該部位采用圓角過渡來減少應力集中。

（5）樁靴外板由不同板厚和不同強度鋼拼接而成，在板與板過渡位置易出現應力集中現象。