桁架式服務平臺樁腿疲勞壽命分析

鄭貞明，崔超朋，唐柳倫

(1.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州310030；2.上海韋迒船舶科技有限公司，上海 200021)

0 引言

近年來，我國海上自升式平臺的建造量逐漸增多。自升式生活服務平臺具有結構復雜、服役期長、工作環境惡劣等特點，樁腿在服役過程中受環境載荷的交變作用，很容易產生疲勞裂紋并產生一定的疲勞累計損傷，從而嚴重威脅整個平臺的安全。因此，對自升式平臺的樁腿進行準確合理的疲勞計算是十分必要的。

本文以90 m水深海上生活服務平臺為例，研究了譜疲勞分析方法，論述了桁架式樁腿疲勞計算的原理和流程。上述關鍵技術的研究對提升我國自主研發和設計桁架式樁腿的能力具有重大意義。

1 譜疲勞分析方法

疲勞破壞是海洋平臺的主要失效模式之一。目前，自升式平臺結構疲勞分析方法有2種：簡化疲勞分析法和譜疲勞分析法。簡化疲勞評估方法根據作用的應力范圍是低于或高于許用值來確定疲勞強度。譜疲勞分析法采用波能譜密度函數來描述每一個海況，通過動力分析方法求得平臺結構的應力傳遞函數和應力譜，并用概率統計的方法求出樁腿節點相應的應力范圍和應力循環次數，最后用邁因納準則計算疲勞累計損傷從而估算節點的疲勞壽命。譜疲勞分析法由于用統計的方法來描述每一個海況，反映了海況的隨機特性。本文采用譜疲勞計算方法進行計算。

1.1 海況的長期分布

本文采用中東地區的波浪散布圖進行疲勞分析，海況的長期分布可由有義波高

H

、平均波浪周期

T

(平均過零周期)和每個波高和周期的發生概率

P

得出。波浪長期分布參數見表1。

表1 波浪長期分布參數

1.2 波浪譜密度函數

對于完全發展的海況，選擇Pierson-Moskowitz譜進行分析計算。其表達式為

式中：

S

(

f

)為Pierson-Moskowitz譜的能量譜密度函數，m/Hz；

f

為頻率，Hz。

1.3 應力范圍響應譜

應力能量譜

S

(

f

)可通過應力傳遞函數

T

(

f

)和波浪散布圖中某一個短期海況的波浪譜密度函數

S

(

f

)得到，如下式所示：

S

(

f

)=|

T

(

f

)|

S

(

f

)

1.4 應用邁因納準則計算累積疲勞損傷

對于第

j

級海況和第

i

級應力范圍，一年的應力循環次數可通過下式計算：

n

=315 368×10

P

P

f

式中：

P

為第

i

級應力范圍出現的概率；

f

為第

j

級海況下的等效應力響應頻率。

1.5 焊接管節點的S-N曲線

焊接管節點的

S

-

N

曲線公式如下：lg

N

=lg

k

-

m

lg

S

式中：

N

為在應力范圍

S

作用下產生疲勞失效的預計循環數；lg

k

為

S

-

N

曲線在lg

N

軸上的截距；

m

為

S

-

N

曲線斜率的負倒數，一般在不至于引起混淆的情況下就稱為

S

-

N

曲線斜率,具體取值見表2。

表2 管節點的設計S-N曲線

1.6 厚度修正

結構節點的疲勞性能與結構厚度有關。對于同一應力范圍，隨著構件厚度的增加，接頭的抗疲勞性能會降低。工程中一般通過修正應力來解決板厚的影響。當厚度大于基準厚度時，應考慮尺度效應修正，修正公式如下：

S

=

S

(

t

/

t

)式中：

S

為許用應力范圍，MPa；

S

為由

S

-

N

曲線得出的許用應力，MPa；

t

為基準厚度，焊接管節點的

t

=16 mm；

t

為桿件厚度，mm。

2 疲勞計算方法和過程

本平臺的設計壽命為20 a，疲勞計算方法和過程如下：

(1)考慮了平臺服役在90 m水深下的樁腿的疲勞壽命，波浪周期的范圍取為0.8～14.0 s，并對浪向分別在0°、30°、60°、90°、120°、150° 和 180°時進行疲勞累積損傷分析。

(2)選取了樁腿所有的節點進行疲勞強度分析。動態放大系數、應力集中系數和

P

-

D

效應在計算中都有考慮。

2.1 樁腿疲勞分析有限元模型

樁腿疲勞分析有限元模型見圖1。平臺船長82.3 m，型寬44 m，型深6.5 m，水深90 m，氣隙10 m，入泥深度3 m，樁靴底部鉸支。

圖1 樁腿疲勞分析有限元模型

2.2 疲勞載荷

2.2.1 固定載荷

本平臺的最大舉升重量為117 243 kN，其中包括了船體重量87 813 kN和可變載荷29 430 kN。同時，在分析中還考慮了樁腿和樁靴的重量，他們的重量分別為26 782 kN和6 278 kN。

2.2.2 拖曳力系數

水動力載荷大小取決于自升式平臺樁腿主弦桿、斜撐桿、水平撐桿和內水平撐桿。主弦桿間距為9 500 mm，水平撐桿和斜撐桿管徑為220 mm，內水平撐桿管徑為168.3 mm。具體形式見圖2和圖3。

圖2 桁架式樁腿

圖3 弦桿截面

波浪載荷將被離散為一系列的載荷點作用在有限元模型上，通過施加的波浪載荷可以得到計算所需的力和傾覆力矩。波浪載荷是通過莫里森方程計算得到的，所應用的波浪理論為艾利波理論。等效的樁腿拖曳力系數

C

和慣性力系數

C

根據

SNAME

T&RB

5-5規范求得，分別為：

C

=3.07，

C

=2.86。

2.2.3 循環載荷

疲勞損傷主要是由作用在結構上的循環載荷所引起的，因此在疲勞計算中，不考慮浮力、重力等的非循環載荷。通常認為，風載荷、流載荷的頻率要遠遠大于波浪載荷的頻率，因此風載荷和流載荷的影響可以忽略不計，在疲勞計算中只考慮波浪載荷作用下的疲勞損傷。

2.2.4 動態放大系數

用SACS軟件對90 m水深下的模型進行模態計算，計算結果為：自振周期為10.8 s(考慮

P

-

D

效應)，阻尼系數取7%。

2.2.5 應力集中系數

對于管節點，還需要考慮應力集中系數的影響。應力集中系數的大小與節點的幾何形狀、載荷的加載方式有關。本文根據

API

RP

2

A

-

WSD

，

OCTOBER

2007規范使用Efthymiou公式來估算管節點應力集中系數的大小。

2.3 累計損傷

本文選取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°這7個不同浪向進行了疲勞累積損傷分析，總損傷參考規范《海洋工程結構物疲勞強度評估指南》2.2.2中的公式計算如下：

疲勞壽命為：

Y

=1

/D

式中：

D

為疲勞總損傷；

n

為應力范圍

S

的實際循環次數；

N

為結構在應力范圍

S

的恒幅交變應力作用下達到破壞所需的循環次數；

Y

為疲勞壽命，a。

2.4 計算結果及評估

從疲勞的計算結果看，其疲勞壽命最短的位置在下導向的附近區域。經過計算，90 m水深下疲勞壽命為73.7 a，滿足規范對疲勞壽命的要求。

3 結論

本文介紹了自升式服務平臺桁架樁腿結構的譜疲勞分析方法，使用SACS軟件建立了疲勞分析的簡化模型，基于累計損傷理論校核了樁腿的疲勞壽命。得到發下結論：

(1)疲勞的分析區域樁腿和平臺船體下部的連接位置與樁腿和樁靴的連接位置為疲勞關鍵區域，合理確定疲勞分析區域，能夠有效提高計算效率。

(2)該自升式平臺桁架樁腿和平臺船體下部的連接區疲勞壽命最短。