自升式平臺獨立樁靴結構強度分析方法

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(1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010；2.遼寧陸海石油裝備研究有限公司，遼寧 盤錦 124010)

獨立式樁靴是自升式平臺的支撐結構，在最不利的組合載荷作用下，保證平臺的站立穩定性[1]。所謂的最不利組合載荷，是指自升式平臺在最大設計水深時，風、浪、流等環境載荷作用在同一方向上，并同時達到最大值，且要承受相應作業工況的可變載荷和固定載荷[2]。海洋平臺所受的風、浪、流載荷極其復雜。樁靴和地基的相互作用提供了平臺站立所需的支反力和抗滑力，同時也承受了環境載荷下樁腿傳遞過來的彎矩[3]。本文借助有限元軟件SESAM對樁靴在風、浪、流等環境載荷和自身重力作用下的結構強度分析方法進行研究，并得出具有工程指導意義的結論。

1 環境載荷計算

1.1 波浪載荷

自升式平臺在升起狀態時，波流載荷主要作用在尺寸較小的樁腿上。樁腿之間的距離比較大，相互影響比較小，故可以當作小尺寸孤立樁柱來考慮，可以采用Morison公式來計算波浪力[4]。根據各種波浪理論的適用范圍， 無因次波陡(H/gT2)和無因次相對水深(h/gT2) 值，選取與之相適應的水質點的速度和加速度的Stokes五階波理論計算。

(1)

1.2 海流載荷

海流方向為可能出現的對平臺危險性最大的方向，一般與波浪同向。應考慮作業海區流速的垂向分布[5]。在波浪存在時，應對無波浪時的流速垂向分布進行修正。海流載荷可按式(4)計算[6]。

(2)

式中：CD為拖曳力系數；v為設計海流流速；A為構件在與流速垂直平面上的投影面積。

1.3 風載荷計算

風壓p應按式(3)計算。

(3)

式中：vf為設計風速。

作用在構件上的風力F應按式(4)計算：

F=Ch×Cs×S×p

(4)

式中：p為風壓；S為平臺在正浮或傾斜狀態下受風構件的正投影面積；Ch為受風構件的高度系數，其值可根據構件高度h選取；Cs為受風構件形狀系數，其值可根據構件形狀選取，也可以根據風動試驗確定。

2 樁靴結構強度計算方法

2.1 中國船級社(CCS)方法

中國船級社規范[7]中關于樁靴計算分析時，考慮了所有的情況，以確定最危險的作用模式。對于載荷及組合，應考慮以下作用情況：

1) CCS.1。在預壓工況中，樁靴以及樁靴和樁腿連接的部件應設計成能承受最大的預壓載荷，并假設此載荷同心分布在樁靴與海底的最初接觸到樁靴完全貫入這一系列可能接觸面上。

2) CCS.2。在正常作業和自存工況中，樁靴以及樁靴與樁腿連接部件應設計成能承受最大的垂直反力和相應的水平載荷，以及平臺鉸支時整體分析中樁腿在下導軌彎矩的50%按照最不利的方向進行疊加的作用。

3) CCS.3。考慮樁靴可能遭受的底部不確定狀況，樁靴以及樁靴與樁腿連接部件還應能承受最大的垂直反力作用在底部一側50%的面積上產生的力和力矩的作用。

2.2 美國船級社(ABS)方法

美國船級社規范[8]規定，平臺在站立狀態時樁靴要承受來自樁腿傳遞過來的載荷，并且能夠把載荷有效的傳遞到土基礎上，且主要考慮下述工況：

1) ABS.1。預壓工況中，樁靴、樁靴與樁腿連接部件應能夠承受的最大預壓載荷作用在樁靴和土體接觸的區域，從最小的設計接觸面到全部的接觸過程，此方法與2.1節中CCS.1的分析方法相同。

2) ABS.2。在正常作業和自存工況中，樁靴、樁靴與樁腿連接部件應能夠承受最大垂向反力和相應的水平反力，并考慮樁腿在下導塊處35%的彎曲力矩，并且所有的載荷按照對樁靴結構強度最不利的方向加載。

3 算例分析

3.1 載荷計算

本文以渤海裝備遼河重工有限公司設計的CP-400型自升式鉆井平臺為例進行對比分析。該樁靴結構近似圓錐臺形。樁靴設計所承受的最大預壓載荷和在正常作業及自存工況的最大垂直反力為107 910 kN，正常作業工況和自存工況中樁靴承受的最大水平載荷為4 513 kN，樁腿在下導塊處的彎矩為681 648 kN·m

3.2 有限元模型

對結構進行有限元分析，首先要建立有限元模型。它是根據結構物的結構形式、受力情況、精度要求和計算的最終目的[9]，運用結構力學和有限元知識，對實際結構進行簡化，根據樁靴的結構特點，建模中采用了梁單元和板殼單元的適當組合，選用適當類型的單元加以模擬而得出的模型。自升式平臺的樁靴插入泥土中支承整個平臺。在比較真實反應結構受力情況的基礎上，對樁靴結構進行簡化，以便計算分析。由于樁靴大部分為板筋結構，因此選用板和梁單元進行模擬，在上部樁腿頂端施加鉸支作為邊界約束，整體有限元模型如圖1所示。

圖1 CP-400型平臺樁靴整體結構有限元模型

3.3 計算結果及分析

根據前述方法，經有限元分析可得幾種工況下的計算結果，并對其結構強度進行校核，結果匯總如表1。其中，σe為板單元中面等效應力，σz為梁構件單元單元合成應力，τ為板單元的剪應力。樁靴結構應力云圖如圖2。

圖2 CP-400型平臺樁靴整體結構等效應力云圖

表1 CP-400型平臺樁靴應力計算結果 MPa

從表1及圖2可以看出：

ABS和CCS在分析樁靴結構強度時，都考慮了預壓工況樁靴插樁過程，樁靴從最初接觸到全部與地基接觸并均勻受力，其方法是相同的。

正常作業和自存工況中，ABS和CCS規范要求加載和彎矩值不同。結構強度利用率，按CCS規范校核與按ABS規范校核進行比較，前者的利用率大11.4%。CCS規范考慮地基的不確定性因素，將最大垂直反力作用到樁靴底面的一側上。從計算結果知，此項對樁靴的強度要求最高。使得按照CCS規范較按照ABS規范校核結構利用率的最終結果大25%。

樁靴結構強度能夠同時滿足ABS和CCS規范要求，但從強度校核標準上看，CCS規范較ABS規范要求更加嚴格。

4 結論

1) 樁靴與海底初始接觸時，載荷作用在樁靴中心圓形區域的底板上，此區域的底板應加厚，內部結構應加強。

2) 在正常作業和自存工況中，ABS和CCS規范對加載彎矩值要求不同，但對樁靴整體結構強度校核結果影響較小。

3) 樁靴承受的最大垂直反力作用在樁靴底面的一側上，此載荷情況對結構強度要求最高。特別是樁靴棱輻板結構和樁靴與樁腿連接部件，應采用增加板厚的方法及選用高強度鋼材，提高承載能力。

4) 樁靴結構板厚較大，不易發生屈曲破壞，其屈服破壞為主要的結構失效形式。