海洋平臺樁和隔水套管的自由站立穩(wěn)定性分析的工程實(shí)踐探討

王宏光周健狀

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300352；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300352）

海洋平臺樁和隔水套管的自由站立穩(wěn)定性分析的工程實(shí)踐探討

王宏光1周健狀2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300352；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300352）

自由站立穩(wěn)定性分析是海洋平臺樁和隔水套管的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。本文結(jié)合海洋工程的設(shè)計(jì)實(shí)例，研究了自由站立穩(wěn)定性分析中變截面樁、頂端預(yù)留長度，貫入深度和傾斜角度等問題的具體處理方法及建議，探討了工程實(shí)踐的注意事項(xiàng)，與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，具有可操作性和指導(dǎo)意義。

海洋平臺 樁 隔水套管 自由站立 工程實(shí)踐

1 引言

樁的自由站立穩(wěn)定性分析，是要考慮接樁的長度必須保證當(dāng)樁錘放在樁頂端時(shí)樁的應(yīng)力要滿足要求［1］。樁的自由站立穩(wěn)定性分析，同承載力分析、可打入性分析以及樁身強(qiáng)度分析聯(lián)合構(gòu)成了樁基設(shè)計(jì)的內(nèi)容［2］?？紤]到剛樁和隔水套管直徑大、壁厚薄、樁超長和貫入深的特點(diǎn)［3］，以及樁錘重量很大，自由站立穩(wěn)定性分析往往作為決定分段長度的控制工況，尤為重要。

海洋工程實(shí)踐中，自由站立穩(wěn)定性分析的設(shè)計(jì)依據(jù)是API RP 2A規(guī)范，基于經(jīng)典理想長柱彈性屈曲理論。規(guī)范中較為詳盡的給出了有關(guān)許用應(yīng)力和組合應(yīng)力的計(jì)算方法，但是具體到工程實(shí)踐中仍有諸多細(xì)節(jié)需要設(shè)計(jì)人員斟酌處理，以最大程度滿足工程實(shí)際的安全性和操作便捷性。

2 自由站立穩(wěn)定性分析原理

自由站立穩(wěn)定性分析，考慮導(dǎo)管架腿頂端及以上的樁段，認(rèn)為該樁段下部在與導(dǎo)管架腿頂端接觸的位置固定約束，上部是自由端，簡化為理想受壓細(xì)長桿件，做危險(xiǎn)截面的靜態(tài)的承重校核，考慮適當(dāng)?shù)挠行чL度系數(shù)及折減系數(shù)［4］。所受荷載來自該樁段自重、樁錘自重、錘帽自重與傾斜角度引起的軸向力和彎矩。通常，所校核的危險(xiǎn)截面發(fā)生在接樁完成時(shí)刻，危險(xiǎn)截面的位置位于導(dǎo)管架腿頂端或者變截面處。自由站立示意圖1所示，樁或者隔水套管的自由站立穩(wěn)定性分析的主要內(nèi)容如下。

2.1 軸力和彎矩的計(jì)算

軸向力 P的計(jì)算公式如下：

Ph是與樁錘相關(guān)的重量，包括錘自身，錘帽等；Ppi是第段樁的自重，i= 1，...n，針對變截面情況。對非變截面自由站立段，n=1；α是計(jì)算自由站立段的傾斜角度。

彎矩 M的計(jì)算公式如下：

Mh是樁錘產(chǎn)生的彎矩； Mp是自由站立樁段產(chǎn)生的彎矩； Mhα是樁段在計(jì)算傾斜角度下產(chǎn)生的彎矩； Mh2%是樁段在2%的錘和樁重垂直于軸線作用下產(chǎn)生的彎矩［api］； lh是樁錘的長度； lp是樁段的總長度； lpi針對變截面情況，是第 i段樁的長度。

2.2 許用軸向壓縮應(yīng)力

對于徑厚比 /Dt小于或等于60的構(gòu)件，許用軸向壓縮應(yīng)力aF計(jì)算公式如下［5］：

E是楊氏模量，MPa； K是有效長度系數(shù)，取2.1； l是無支撐長度，m； r是回轉(zhuǎn)半徑，m。

2.3 歐拉應(yīng)力

歐拉應(yīng)力只能適用于彈性范圍，即要求crσ 不超過比例極限pσ，即于是，歐拉公式的適用范圍是柔度是 λ ≥ λp的壓桿，即大柔度桿，細(xì)長桿［6］。對應(yīng)于上式，當(dāng)Kl/r ≥ Cc時(shí)，桿件失穩(wěn)破壞，歐拉應(yīng)力 Fe= Fa；當(dāng) K l/r ＜ Cc時(shí)，桿件非失穩(wěn)破壞，不存在歐拉應(yīng)力。

2.4 許用彎曲應(yīng)力

許用彎曲應(yīng)力，bF，按照下式計(jì)算：

2.5 組合應(yīng)力

受到壓彎聯(lián)合作用的圓管，沿著其軸線的各個(gè)點(diǎn)應(yīng)滿足以下兩式：

3 工程實(shí)踐的注意事項(xiàng)

3.1 變截面樁

對于自由站立段存在變截面的情況，危險(xiǎn)截面數(shù)量可能不止一個(gè)，需要分別校核。圖2所示，左圖和右圖分別對應(yīng)兩種接樁情況。左圖在55mm壁厚處接樁，右圖在70mm壁厚處接樁?？紤]薄弱截面和承受荷載最大兩個(gè)因素，危險(xiǎn)截面如箭頭所示。左圖危險(xiǎn)截面在導(dǎo)管架腿頂端，右圖危險(xiǎn)截面在導(dǎo)管架腿頂端和自由站立樁段上壁厚變薄處。另外，由公式（7）（8）可知，計(jì)算許用軸向壓縮應(yīng)力以及歐拉應(yīng)力時(shí)，需要輸入如下兩個(gè)參數(shù)，桿件長度 l以及回轉(zhuǎn)半徑 r。對于變截面的自由站立樁段，應(yīng)采用自由站立樁段的總長度，以及當(dāng)前校核截面的回轉(zhuǎn)半徑。

3.2 樁端預(yù)留長度

指的是前一段樁的預(yù)留長度，即前一段樁打樁完成時(shí)，其樁頂（包括切割余量）距離導(dǎo)管架腿頂端的距離。工程實(shí)踐中的樁端預(yù)留長度，對于首段樁，取首段樁吊耳下部到首段樁頂?shù)拈L度再加0.5m，對于非首段樁，取樁錘錘套的長度再加0.5m～1.0m，并兼顧預(yù)計(jì)打入位置時(shí)的預(yù)留長度。

3.3 樁的貫入深度

工程打樁中，通常需要兩個(gè)打樁錘，一大一小，小錘作為主打樁錘，大錘作為備用錘。自由站立穩(wěn)定性分析要求，各個(gè)樁段分別使用兩個(gè)錘，組合應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。樁貫入深度，指當(dāng)前樁段安裝完成之后，未經(jīng)預(yù)計(jì)樁錘擊打之前，下沉的長度。工程上可保守考慮取0。對于首段樁，當(dāng)其插入到導(dǎo)管架腿中時(shí)，首段樁會(huì)在樁和錘及錘帽的自重作用下沉入泥面以下一定深度，自由站立計(jì)算中應(yīng)予以考慮，并注意樁錘輕放，防止溜樁。對于非首段樁，當(dāng)某段樁大樁錘自由站立不滿足要求，而小樁錘自由站立滿足規(guī)范要求時(shí)，在大樁錘自由站立計(jì)算中，考慮可以給出適當(dāng)?shù)呢炄肷疃?，使自由站立?yīng)力滿足要求。該方法認(rèn)為，該段樁的貫入深度之前用小樁錘打樁，而貫入深度之后可以考慮使用大樁錘。

3.4 樁傾斜角度

樁的計(jì)算傾斜角度，取樁的設(shè)計(jì)傾斜角度加上0.55度，其中，包括0.25度樁和腿軸線偏差角度+0.30度導(dǎo)管架腿軸線和設(shè)計(jì)偏差角度。這是工程實(shí)踐考慮設(shè)計(jì)偏差的保守做法。

3.5 隔水套管的自由站立穩(wěn)定性分析

隔水套管和樁的自由站立穩(wěn)定性分析方法和原則一致，因此上述樁的自由站立穩(wěn)定性分析原理和注意事項(xiàng)同樣適用于隔水套管。區(qū)別在于，隔水套管的壁厚通常是常量，外徑相對較小。因此在計(jì)算其所受的彎矩和軸向力時(shí)，無需像樁計(jì)算時(shí)考慮變截面的特殊性。

4 結(jié)語

基于樁和隔水套管自由站立穩(wěn)定性分析的工程實(shí)踐，給出針對變截面管徑、頂端預(yù)留長度、貫入深度以及傾斜角度修正的具體操作方法，可操作性強(qiáng)，對規(guī)范理論和工程實(shí)踐的結(jié)合具有重要參考意義。對工程中需要考慮的主要問題進(jìn)行闡述，尤其是貫入深度調(diào)整，可有效解決備用錘條件下的自由站立分析中應(yīng)力過大的問題，對工程設(shè)計(jì)有推廣價(jià)值。工程上，自由站立穩(wěn)定性分析尚需結(jié)合可打入性分析、承載力分析和樁身強(qiáng)度校核，進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

［1］海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì).海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［S］. 2009.08.

［2］張建勇.錦州20_2氣田BOP平臺樁基設(shè)計(jì)［J］.科技傳播，2012（05）∶90-91.

［3］劉潤.海洋工程中樁身自由站立穩(wěn)定性影響因素分析［J］.海洋工程，2006（3）∶6-13.

［4］陳波.樁基平臺樁的可打入性和自由站立強(qiáng)度分析［J］.中國海上油氣，2001（6）∶1-5.

［5］Planning， designing， and constructing fixed offshore platforms working stress design［S］.American Petroleum Institute，2014.

［6］王世斌，亢一瀾.材料力學(xué)［M］.高等教育出版社，2008∶253-255.

王宏光（1981—），男，黑龍江海林人，本科，工程師，研究方向：海洋石油工程結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)管理。周健狀（1989—），女，吉林長春人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：海洋石油工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。