非對稱半潛式重型起吊平臺總體屈曲強(qiáng)度評估

李德江，李 磊，曹慶禺，邵 丹

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺264000）

0 引言

SSCV II平臺是世界上首座無橫撐并且非對稱結(jié)構(gòu)形式的半潛式海洋平臺。該平臺集海上重型起重作業(yè)、甲板貨物儲存及生活居住功能為一體，兩臺全回轉(zhuǎn)起重機(jī)全部位于右舷，單機(jī)起吊能力為1 800t，聯(lián)合起吊3 600t。作業(yè)海域包括西非和墨西哥灣，采用DP-3動力定位，并可滿足618人生活居住。

作為半潛式平臺安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度需要進(jìn)行評估，多家船級社均有專門的規(guī)范對屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核［1-3］。該文采用直接計算法對SSCVII平臺進(jìn)行多種工況強(qiáng)度計算，對結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行全面的評估，評估流程及評估的結(jié)果可為此類平臺的設(shè)計提供參考。

1 平臺的有限元模型

平臺為4立柱雙浮體結(jié)構(gòu)，由2個非對稱的浮體（主浮體和輔浮體），4個立柱和1個上船體組成，其主尺度見表1。

表1 平臺的主尺度

圖1 總體有限元模型

平臺有限元模型采用空間的板梁組合結(jié)構(gòu)。其中外殼板、艙壁、甲板、T型材的腹板等采用4節(jié)點(diǎn)殼單元，T型材的面板、扶強(qiáng)材等采用2節(jié)點(diǎn)梁單元，總體有限元模型如圖1所示。

為了反映真實的重量分布，需要根據(jù)重量報告、壓載報告、總布置圖和艙室布置圖來進(jìn)行調(diào)整重量分布。其中調(diào)整密度的方法一是用來調(diào)整因簡化建模而產(chǎn)生的質(zhì)量差，二是將設(shè)備、管路、電氣、舾裝等各專業(yè)的重量以及壓載重量均布到結(jié)構(gòu)上，采用集中質(zhì)量點(diǎn)的方法用來模擬大型設(shè)備。

2 總體強(qiáng)度的計算

2.1 計算工況

按照船級社的要求，需要對平臺可能遇到的所有情況進(jìn)行強(qiáng)度評估，包括靜水工況、風(fēng)暴自存工況、正常工作工況、拖航工況、破損工況。

靜水工況用來評估結(jié)構(gòu)處于最大吃水時的靜態(tài)強(qiáng)度；風(fēng)暴自存工況用來評估結(jié)構(gòu)遭遇百年一遇的風(fēng)浪時的強(qiáng)度；正常工作工況用來評估結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)時的強(qiáng)度，如居住工況和起吊工況，此時海況通常比較溫和；拖航工況用來評估結(jié)構(gòu)在自航遷移時的強(qiáng)度，此工況吃水較淺，波浪響應(yīng)較大，對水線附近的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)予以關(guān)注；破損工況用來評估結(jié)構(gòu)的冗余能力，指部分結(jié)構(gòu)破損后，其他結(jié)構(gòu)的承載能力，此時的波浪載荷按照1年期的海況進(jìn)行計算，通常約是百年海況的80%［4］。

2.2 計算載荷

直接計算中，將平臺承受的載荷分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，在后處理中將兩種載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行疊加。

靜態(tài)載荷包括平臺的自重，最大工作載荷，靜水浮力；動態(tài)載荷主要考慮波浪載荷的影響，而由風(fēng)和流引起的載荷，可看作是穩(wěn)定的載荷，并且對于總體強(qiáng)度的影響是可忽略的，所以這些載荷在總體強(qiáng)度分析中是不考慮的。

2.3 波浪載荷的計算

波浪載荷的計算采用設(shè)計波法，選用的特征載荷包括浮筒間的分離力，橫軸的扭矩，浮筒間的縱向剪切力，浮筒上的垂向波浪彎矩，甲板質(zhì)量的縱向加速度，甲板質(zhì)量的橫向加速度，甲板質(zhì)量的垂向加速度。

該類平臺由于無橫撐結(jié)構(gòu)，上船體對于橫浪引起的浮筒間的分離力載荷非常敏感，尤其是立柱和上船體的連接部位需要特殊考慮。實際計算結(jié)果也證明，對于無橫撐的結(jié)構(gòu)形式橫浪引起的分離力和分離彎矩是主導(dǎo)載荷。

3 屈曲強(qiáng)度評估

對于無橫撐的SSCVII，主要是由板、加筋板和加強(qiáng)筋組成。根據(jù)ABS規(guī)范，對板和加筋板的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3.1 屈曲失效模式

對于平板和加筋板的結(jié)構(gòu)形式，其屈曲失效模式包括三個層級：板的屈曲層級，加筋板的屈曲層級，強(qiáng)支撐的屈曲層級（如圖2所示）。

圖2 平板、加筋板失效模式

從可靠性的角度來看，沒有哪個層級的屈曲可以100%的防止，為了防止結(jié)構(gòu)整體性屈曲發(fā)生，在設(shè)計中要保證后一層級結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度要高于前一層級［1］。

3.2 設(shè)計剛度要求

通過設(shè)計板，加強(qiáng)筋以及強(qiáng)支撐之間的剛度（慣性矩）來避免后一層級先于前一層級發(fā)生屈曲，即避免強(qiáng)支撐先于加強(qiáng)筋屈曲，加強(qiáng)筋先于板發(fā)生屈曲。具體的剛度要求如下：

（1）加強(qiáng)筋的剛度要不小于i0

式中：i0為加強(qiáng)筋的最小慣性矩要求；s為加強(qiáng)筋和扶強(qiáng)材的間距；t為加強(qiáng)筋和扶強(qiáng)材所支撐板的厚度；v為泊松比取0.3；γ0為幾何系數(shù)。

（2）強(qiáng)支撐的剛度要滿足式（2）要求

式中：IG為支撐加強(qiáng)筋的強(qiáng)支撐的慣性矩（考慮有效帶板）；i0為用式（1）計算的慣性矩；B為強(qiáng)支撐的跨距；l為加強(qiáng)筋的跨距。

（3）腹板上扶強(qiáng)材的剛度要滿足（3）式要求

式中：Ie為腹板上扶強(qiáng)材的慣性矩（考慮有效帶板）；l為扶強(qiáng)材的跨距；t為腹板的板厚；s為扶強(qiáng)材的間距。

3.3 加強(qiáng)筋的局部屈曲

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為了避免加強(qiáng)筋發(fā)生局部屈曲，對其腹板的高厚比和面板折邊的寬厚比有一定的要求。如果設(shè)計不滿足下述要求，則需要校核加強(qiáng)筋的局部屈曲。對于面板的要求見式（4）

式中：b2為面板折邊寬度；tf為面板板厚；E為材料彈性模量；σ0為材料的屈服強(qiáng)度。

對于腹板的要求，角鋼和T型材見式（5），球扁鋼見式（6），扁鋼見式（7）

式中：dw為腹板的高度；tw為腹板的厚度。

3.4 平板層級的屈曲

該層級需要校核板的屈曲強(qiáng)度，極限強(qiáng)度以及板承受側(cè)向壓力強(qiáng)度的能力。

（1）板的屈曲強(qiáng)度

式中：σxmax，σymax分別為縱向和橫向最大的壓應(yīng)力；τ為剪應(yīng)力；σcx，σcy，τc分別為縱向和橫向的單軸壓力下的臨界強(qiáng)度和剪應(yīng)力的臨界強(qiáng)度；η為最大的許用強(qiáng)度利用系數(shù)，靜載工況下取0.6，組合工況取0.8。

（2）板的極限強(qiáng)度

式中：σux，σuy，τu分別為縱向和橫向的單軸壓力下的極限強(qiáng)度和剪應(yīng)力的極限強(qiáng)度；φ為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

（3）板的側(cè)向壓力強(qiáng)度

式中：qu為板上所受的側(cè)向壓力，應(yīng)不大于側(cè)壓的計算值，從公式（10）中可以看出，該計算值與板面內(nèi)的應(yīng)力水平有關(guān)，即σe為等效應(yīng)力；α為板格的長寬比。

3.5 加筋板層級的屈曲

該層級需要校核加強(qiáng)筋及附連帶板的柱屈曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度。

（1）柱屈曲強(qiáng)度

式中：σa，σb分別為軸向壓力和彎曲應(yīng)力；Cm為彎矩調(diào)整系數(shù)，通稱取0.75；σCA為臨界屈曲應(yīng)力；σE（C）為歐拉屈曲應(yīng)力。

（2）扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度

式中：σCT為臨界扭轉(zhuǎn)屈曲應(yīng)力。

3.6 強(qiáng)支撐的屈曲

該層級校核強(qiáng)支撐的屈曲強(qiáng)度。通常設(shè)計中用防傾肘板來避免強(qiáng)支撐發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲，同時如果強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)的長細(xì)比λ＞0.5的，則需要按照公式（11）來校核柱屈曲強(qiáng)度。對于強(qiáng)支撐的腹板則需要按照公式（8）來進(jìn)行校核。

4 評估結(jié)果

以風(fēng)暴自存下的結(jié)果來對總體屈曲強(qiáng)度進(jìn)行評估，通過后處理程序?qū)ζ脚_所有板格進(jìn)行屈曲強(qiáng)度的計算。在左舷輔助浮體的外殼上，選取一部分的板格作為示例，進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核，板格尺寸見表2、表3，載荷情況見表4，校核結(jié)果見表5～表7。在表格中，側(cè)壓和應(yīng)力的單位是MPa。

圖3 屈曲結(jié)果

表2 屈曲校核的板格尺寸

表3 板格的強(qiáng)支撐

表6 板和加筋板的屈曲校核結(jié)果（利用率）

表7 T型材的局部屈曲校核結(jié)果（利用率）

5 結(jié)語

通過直接計算法對非對稱且無橫撐結(jié)構(gòu)形式的半潛式平臺進(jìn)行了總體屈曲強(qiáng)度評估，計算工況包括了靜水工況，風(fēng)暴自存工況、正常工作工況、拖航工況下、破損工況五種工況。可以得到以下結(jié)論：（1）直接計算法和屈曲強(qiáng)度校核方法符合船級社要求，可為同類平臺分析提供參考；（2）對于下浮體，按照壓頭設(shè)計出的結(jié)構(gòu)尺寸通常大大超過屈曲剛度的要求；（3）對平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核時，需要考慮側(cè)壓，板的極限強(qiáng)度，加強(qiáng)筋的屈曲強(qiáng)度以及強(qiáng)支撐的屈曲強(qiáng)度；（4）可通過編寫后處理程序?qū)λ衅桨灏甯襁M(jìn)行屈曲強(qiáng)度評估。

［1］ABS.Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structure［S］.2007.

［2］DNV.Buckling Strength of Plated Structure［S］.2002.

［3］CCS.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［S］.2005.

［4］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］.2008.