基于有限元的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)強(qiáng)度分析

張 松，范曉飚，張 丹

（重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

如今，世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來(lái)能源的大量消耗，世界油氣儲(chǔ)量迅速減少，陸上石油資源緊缺問(wèn)題日漸突出，石油儼然成為世界海洋國(guó)家激烈爭(zhēng)奪的對(duì)象。為了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海洋強(qiáng)國(guó)的建設(shè)，必須大力開(kāi)發(fā)海洋油氣資源。勘探開(kāi)發(fā)海洋油氣需要的關(guān)鍵裝備之一就是筒型基礎(chǔ)平臺(tái)，本文通過(guò)對(duì)筒形基礎(chǔ)平臺(tái)的強(qiáng)度校核對(duì)其建造提供了一定的依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)形式及環(huán)境載荷

1.1 結(jié)構(gòu)形式

本文所研究的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)主要由基礎(chǔ)部分、立柱、十字支架及工作生活平臺(tái)4部分構(gòu)成。基礎(chǔ)部分包括基礎(chǔ)筒和筒柱，基礎(chǔ)深入水底泥土之中起到固定平臺(tái)的作用，立柱部分和基礎(chǔ)部分通過(guò)十字支架固定，平臺(tái)工作水深為8.4 m。

1.2 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷是由于直接和間接的自然環(huán)境作用而產(chǎn)生的、作用在結(jié)構(gòu)物上的載荷，本文研究的筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)環(huán)境載荷主要包括冰載荷、海流載荷和風(fēng)載荷。

1.2.1 冰載荷

冰浮在海面上，運(yùn)動(dòng)方向與海流的方向一致。考慮冰沿著與XOZ平面成0°、45°和90°夾角的方向與筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的立管發(fā)生作用。由于立管是對(duì)稱的圓柱形，故0°、45°和90°方向的冰力大小相同。

目前國(guó)內(nèi)外有很多計(jì)算冰載荷的方法，根據(jù)我國(guó)海域的實(shí)際情況，選用中國(guó)海洋石油總公司推薦的冰載荷計(jì)算公式，見(jiàn)式（1）。

式中：

m

為形狀系數(shù)，對(duì)圓形截面取0.9；

I

為嵌入系數(shù)；

f

為接觸系數(shù)；

σ

為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。對(duì)圓形截面的墩柱，嵌入系數(shù)

I

和接觸系數(shù)

f

的乘積為

式中：

D

為鋼管直徑，cm；

H

為冰厚度，cm。結(jié)合本筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的環(huán)境條件，鋼管直徑

D

＝106.7 cm，冰厚度

H

＝40 cm，單軸抗壓強(qiáng)度

σ

＝2.1 MPa。

1.2.2 風(fēng)載荷

風(fēng)力的大小與風(fēng)壓、受風(fēng)面積、結(jié)構(gòu)物高度和形狀有關(guān)。風(fēng)載荷可分為風(fēng)速方向上的水平風(fēng)力和垂直于風(fēng)速方向上的升力2部分。水平風(fēng)力計(jì)算公式為

式中：

C

為高度系數(shù)值；

C

為形狀系數(shù)值；

V

為風(fēng)速，按50年一遇計(jì)算；

A

為受風(fēng)面積。

1.2.3 流載荷

流荷載與水深、海水密度和波浪相位角有關(guān)，這里水深取為8.4 m，海水密度取為1 025 kg/m。將海流參數(shù)輸入ANSYS中，通過(guò)分析可知，在波浪相位角為60°時(shí)，波流耦合值達(dá)到最大。

1.2.4 工作載荷

工作載荷也稱使用載荷，它是指在理想的環(huán)境中（即沒(méi)有環(huán)境載荷），由于結(jié)構(gòu)的存在和使用而產(chǎn)生的載荷。筒型基礎(chǔ)平臺(tái)是立管平臺(tái)，立管的重量很小可以忽略，工作載荷主要是平臺(tái)的自重（含浮力），大小為1 397.7 kN。

1.2.5 載荷組合

根據(jù)平臺(tái)的對(duì)稱特征，考慮如下2種載荷組合，其中風(fēng)載荷、冰載荷和流載荷方向相同。

1）工況 1：風(fēng)載荷+冰載荷+流載荷+平臺(tái)自重+浮力（風(fēng)載荷、冰載荷和流載荷與

XOZ

平面成0°方向）。2）工況 2：風(fēng)載荷+冰載荷+流載荷+平臺(tái)自重+浮力（風(fēng)載荷、冰載荷和流載荷與

XOZ

平面成45°方向）。

2 建立有限元模型

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)泥面以下和水面以上部分使用Pipe16單元，泥面以上水面以下部分使用Pipe59單元，梁結(jié)構(gòu)使用Beam188單元。通過(guò)ANSYS建模并進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 受力分析

3.1 筒型基礎(chǔ)平臺(tái)受力分析

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)所處水域環(huán)境一般比較復(fù)雜，受到多種類型的載荷同時(shí)作用。為保證平臺(tái)的安全性，在受力分析時(shí)應(yīng)對(duì)載荷最不利組合的工況進(jìn)行分析。

1）工況1

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的位移情況見(jiàn)圖 1，水平合位移為2.1049 cm。在靜力分析中，甲板梁的位移不能超過(guò)其長(zhǎng)度的1/300。本平臺(tái)取筒基的間距為甲板梁的長(zhǎng)度，即12 m。因?yàn)?.104 9 cm＜4 cm，故平臺(tái)的靜位移滿足要求。

圖1 筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的位移情況（0°）

2）工況2

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的位移情況見(jiàn)圖 2，水平合位移為2.066 cm。因?yàn)?.066 cm＜4 cm，故平臺(tái)的靜位移滿足要求。

圖2 筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的位移情況（45°）

3.2 平臺(tái)應(yīng)力分布云圖

工況2條件下，各構(gòu)件的軸向應(yīng)力圖和十字支架的彎曲應(yīng)力圖分別見(jiàn)圖3～圖8。

圖3 立柱（水面以上）軸向應(yīng)力圖

圖4 立柱（水面以下）軸向應(yīng)力圖

圖5 筒柱（泥面以下）軸向應(yīng)力圖

圖6 筒柱（泥面以上）軸向應(yīng)力圖

圖7 基礎(chǔ)筒軸向應(yīng)力圖

圖8 十字支架彎曲應(yīng)力圖

4 強(qiáng)度校核

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)在載荷作用下，應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體受力分析，求得各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力，然后按照結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的要求，根據(jù)規(guī)范對(duì)應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算。強(qiáng)度校核包括軸向應(yīng)力校核、剪應(yīng)力校核以及折算應(yīng)力校核。

4.1 強(qiáng)度理論

軸向應(yīng)力計(jì)算公式及需滿足的強(qiáng)度條件分別見(jiàn)式（4）和式（5）。

式（4）和式（5）中：

σ

為軸向應(yīng)力，N/m；

N

為軸向力，N；

A

為桿截面積，m；

M

為繞

x

軸的彎矩，N·m；

M

為繞

y

軸的彎矩，N·m；

W

為抗彎剖面模數(shù)，m；

σ

為鋼材屈服強(qiáng)度，N/m；[

σ

]為許用應(yīng)力，N/m。

剪應(yīng)力計(jì)算公式及需滿足的強(qiáng)度條件分別見(jiàn)式（6）和式（7）。

式（6）和式（7）中：

τ

為剪應(yīng)力，N/m；

D

為截面平均直徑，m；

t

為截面管壁厚，m；

Q

為

x

方向的剪力，N；

Q

為

y

方向的剪力，N；

T

為扭矩，N·m；[

τ

]為許用應(yīng)力，N/m。

4.2 立柱、筒柱和基礎(chǔ)筒的強(qiáng)度校核

工況1條件下，各構(gòu)件軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的最大輸出結(jié)果如表3所示。軸向應(yīng)力與軸向許用應(yīng)力的應(yīng)力比均小于 1，說(shuō)明筒柱、立柱和基礎(chǔ)筒的軸向應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。剪應(yīng)力與許用剪應(yīng)力的應(yīng)力比均小于1，說(shuō)明筒柱、立柱和基礎(chǔ)筒的剪應(yīng)力同樣也滿足強(qiáng)度要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。采用同樣方法對(duì)工況2進(jìn)行強(qiáng)度校核，同樣得到滿足校核要求的結(jié)論。

表3 工況1條件下，各構(gòu)件軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的最大輸出結(jié)果

4.3 十字支架的強(qiáng)度校核

工況1和工況2條件下，十字支架強(qiáng)度校核最大輸出結(jié)果見(jiàn)表4，最大等效應(yīng)力,和最大彎曲應(yīng)力均小于許用應(yīng)力189 MPa。因此，十字支架滿足強(qiáng)度要求。

表4 工況1條件下，各構(gòu)件軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的最大輸出結(jié)果

5 結(jié)論

1）對(duì)筒型基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，其分析結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)載荷波浪相位角為 60°、冰載荷和風(fēng)載荷作用方向?yàn)?°時(shí)位移最大（2.104 9 cm），滿足位移要求。

2）基礎(chǔ)筒、筒柱、十字支架和立柱上各構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足強(qiáng)度規(guī)范要求，并具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

3）由于該筒型基礎(chǔ)平臺(tái)是立管式平臺(tái)，上部結(jié)構(gòu)重量偏小，同時(shí)平臺(tái)的水深相對(duì)較淺，因此平臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)整體性的失穩(wěn)問(wèn)題。