海洋工程結構滑靴傳力有限元分析

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

圖1 滑靴在工程中的應用

海洋工程結構物一般先在陸地上的滑道進行預制、組對、總裝、調試，然后再裝船運輸到海上安裝。為減小滑道地基承載力，同時便于海洋工程結構物在裝船時的拖拉滑行，海洋工程結構物建造過程中通常需使用一種臨時結構物作為底部支撐，并完成滑移裝船工作。該支撐結構被稱作滑靴[1]，如圖1所示。海洋工程結構物與滑靴通過焊接連接，其重量通過滑靴傳遞至滑靴下的滑道墊塊，滑道墊塊再傳力至下面的滑道，滑道墊塊對滑道的作用力不可超過滑道的實際承載力。

隨著海洋石油工業和海洋工程技術的迅速發展，海洋工程結構物正朝著大型化邁進，由原來的幾百噸、幾千噸增加到現在的上萬噸。在實際工程項目中，經常出現滑靴支反力接近滑道承載力或超過滑道承載力的情況。為避免該問題，對滑靴傳力進行研究：一方面，防止實際支反力超過滑道承載力的情況出現，避免安全事故；另一方面，節省工程成本，避免將滑靴設計得過大、過強，浪費材料。

圖2 滑靴傳力示例

建立滑靴有限元計算模型，對常見的3種滑靴進行傳力分析，并與傳統手工計算方法作對比，得到使用不同結構形式的滑靴對滑道承載力的實際要求，有效減少海洋結構物在建造過程中的工程費用和項目風險，提升海洋工程制造水平，具有良好的工程應用前景。

1 傳統滑靴傳力分析

對于滑靴如何傳力，傳統的簡單算法有兩種：滑靴45°傳力、滑靴完全傳力，如圖2所示。

1.1 滑靴45°傳力

海洋工程結構物立柱對滑靴的作用力為F，立柱直徑D，滑靴總高度Hs(包括滑靴及其下墊木)，滑道墊塊高度Hc?；グ凑?5°進行力的傳遞，混凝土滑道墊塊也按照45°傳力，則力對滑道的有效作用長度L=D+2(Hs+Hc)。滑道承載力須不小于Q=F/L=F/[D+2(Hs+Hc)]，單位為t/m。

1.2 滑靴完全傳力

滑靴按照完全剛性考慮，滑靴底面長度為Ls，滑靴底面與滑道墊塊之間均勻傳力，混凝土滑道塊按照45°傳力，則力對滑道的有效作用長度L=Ls+2Hc。滑道承載力須不小于Q=F/L=F/(Ls+2Hc)，單位為t/m。

雖然滑靴由鋼板焊接制造而成，但也不是完全剛性結構，其整體剛度與其結構形式相關，因此上述兩種算法只能進行簡單的估算。

1.3 算例

對于某工程項目，海洋工程結構物立柱對滑靴的作用力為F=2 322.7 t，立柱直徑D=2 413 mm，滑道墊塊高度Hc=3.3 m。如果選用長度Ls=6.5 m、高度Hs=0.7 m的滑靴：根據滑靴45°傳力，則滑道承載力須不小于Q=223 t/m；按照滑靴完全傳力，則滑道承載力須不小于Q=177 t/m。根據滑道設計說明書，滑道實際承載力為210 t/m，故無法判定滑道承載力是否滿足此工程項目需求。

2 滑靴傳力有限元分析

有限元分析廣泛應用于工程項目的設計計算，利用有限元模擬可得到各類復雜結構物的應力-應變數據，進而可對結構物進行整體和局部強度評估、反力計算、優化設計等工作。

2.1 有限元模型建立

圖3 6.5 m長滑靴有限元模型

選取以往項目中常見的3種滑靴，其結構幾何尺寸如表1所示，建立有限元模型，如圖3～圖5所示。

表1 滑靴幾何尺寸

圖4 10.0 m長滑靴有限元模型 圖5 15.0 m長滑靴有限元模型

建立的三維全尺寸有限元模型包括滑靴、滑靴下墊木和海洋工程結構物的立柱。海洋工程結構物的上部重力載荷由立柱傳遞到滑靴，滑靴下墊木可分散上部載荷?；ゲ捎脷卧猄hell 63，材料為鋼材；立柱采用實體單元Solid 185，材料為鋼材；墊木采用實體單元Solid 185，材料為木材。材料參數[2]如表2所示。

表2 材料參數

2.2 載荷工況計算

海洋工程結構物立柱對滑靴的作用力F=22 762.541 kN，立柱直徑D=2 413 mm，利用有限元軟件對滑靴傳力進行分析[3]，得到第2.1節所述3種滑靴沿滑靴長度方向的支反力分布。由于滑道實際承載力單位為t/m，因此按每米長度進行支反力求和，得到此工況下各滑靴對滑道承載力的需求。各長度滑靴支反力分布和滑道承載力需求如圖6～圖11所示?？梢钥闯?，滑靴在立柱載荷作用下，沿長度方向的傳力變化不是按照45°的趨勢，也不是完全剛性的均勻傳力，而是滑靴中心區域受力最大，往兩端逐漸減小，滑靴結構不同，支反力減小的趨勢也不同。

圖6 6.5 m長滑靴支反力分布 圖7 使用6.5 m長滑靴時滑道承載力需求

圖8 10.0 m長滑靴支反力分布 圖9 使用10.0 m長滑靴時滑道承載力需求

圖10 15.0 m長滑靴支反力分布 圖11 使用15.0 m長滑靴時滑道承載力需求

提取各滑靴對滑道承載力需求的最大值，如表3所示。

表3 滑道承載力需求最大值

由于滑道實際承載力為210 t/m，6.5 m長滑靴對滑道的最大承載力需求為262 t/m，因此6.5 m長滑靴不能滿足此項目需求。10.0 m長滑靴和15.0 m長滑靴的滑道承載力需求均小于滑道實際承載力，均可滿足此項目需求。但是,15.0 m長滑靴較10.0 m長滑靴用料更多，需花費更多材料和人工成本，因此推薦使用10.0 m長滑靴。

3 結 論

本文通過建立滑靴有限元計算模型，對常見的3種滑靴進行傳力分析，并與傳統手工計算方法進行對比，結論如下：

(1) 滑靴傳力的有限元分析與傳統簡單傳力算法相比，可得到更真實的滑靴傳力趨勢。

(2) 滑靴既不是45°傳力也不是均勻傳力，滑靴支反力沿滑靴長度的分布與滑靴結構形式相關。

(3) 有限元計算分析表明，使用6.5 m長滑靴的承載力需求超過滑道實際承載力，6.5 m長滑靴不適用于此工程項目。

(4) 10.0 m長滑靴和15.0 m長滑靴均滿足此項目使用需求，但從經濟性方面考慮，推薦使用10.0 m長滑靴。

滑靴傳力的有限元分析在經濟性和安全性上均具有較大優勢，利于有效減少海洋結構物在建造過程中的工程費用和項目風險，提升海洋工程制造水平，其應用前景十分廣闊。