圓柱型樁腿的自升式平臺風(fēng)暴站位分析

尹秀鳳，杜之富

（煙臺來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

圓柱型樁腿的自升式平臺風(fēng)暴站位分析

尹秀鳳，杜之富

（煙臺來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000）

以四圓柱樁腿自升式氣體壓縮平臺為例，利用SACS軟件對圓柱型樁腿的自升式平臺風(fēng)暴站位工況進行分析，根據(jù)AISC規(guī)范校核樁腿強度，依據(jù)計算結(jié)果校核提升系統(tǒng)能力、樁靴承載能力、平臺抗傾覆能力等。對圓柱型樁腿的自升式平臺設(shè)計具有一定的參考價值。

自升式平臺；圓柱型樁腿；樁腿強度；抗傾能力；風(fēng)暴站位

0 引言

針對墨西哥國油公司（PEMEX）需求氣體壓縮模塊，煙臺來福士提供了四圓柱樁腿長方型船體自升式平臺，可提供更大的甲板面積，以便布置天然氣壓縮模塊；選擇圓柱形樁腿設(shè)計可有效縮短建造周期，滿足建造周期要求；選擇液壓插銷式升降系統(tǒng)，有利于工期控制，同時價格低廉。

目前，在國際上，自升式風(fēng)機安裝船多采用四圓柱型樁腿的自升式平臺，但風(fēng)機安裝船一次站位作業(yè)時間短，機動靈活，對環(huán)境和升降系統(tǒng)的要求相對不高。四圓柱樁腿自升式氣體壓縮平臺設(shè)計要滿足八年長期站位作業(yè)下的惡劣環(huán)境要求，對結(jié)構(gòu)和升降系統(tǒng)設(shè)計都具有很大挑戰(zhàn)。

平臺的主要參數(shù)：

1）主船體

長度：75 m；

寬度：50 m；

型深：7 m。

2）樁腿中心間距

船長方向：47 m；

船寬方向：42 m。

3）樁腿

型式：圓柱（帶銷孔）；

長度（包括樁靴）：112 m；

外徑：4.5 m；

壁厚：75 mm、85 mm和80 mm（樁腿下部）；

銷孔直徑：540 mm；

銷孔間距：1.6 m；

屈服強度：690 MPa（355 MPa樁腿下部）；

樁靴面結(jié)：約60 m2。

4）提升系統(tǒng)

數(shù)量：4套；

提升能力：3 200噸/腿；

預(yù)壓載支持能力：6 000噸/腿；

風(fēng)暴支持能力：6 000噸/腿。

1 風(fēng)暴站位分析

本文為圓柱型樁腿自升式平臺風(fēng)暴站位分析。風(fēng)暴站位分析主要是校核樁腿的整體強度、提升系統(tǒng)的能力、預(yù)壓載的能力和站立狀態(tài)的抗傾覆能力。

計算結(jié)果是樁腿和船體連接部分結(jié)構(gòu)、樁靴結(jié)構(gòu)及船體結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核依據(jù)。

1.1 計算方法

本文分析采用WSD方法，利用SACS軟件進行分析，但分析中不包括主船體強度的校核。在分析中考慮以下載荷：

1）重量；

2）風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷；

3）動態(tài)放大效應(yīng)；

4）P-delta。

經(jīng)過分析計算，其中環(huán)境載荷方向為0°、34°、42°、56°、90°，對以下幾個方面的校核有著非常重要的影響：

1）站立狀態(tài)的抗傾覆能力：由重量引起的回復(fù)力矩和環(huán)境引起的傾覆力矩的比值，要有一定的余量；

2）預(yù)壓載支持能力：提升系統(tǒng)的預(yù)壓載支持能力同平臺風(fēng)暴站位時的載荷比較；

3）樁靴的承載能力：最大樁靴承載能力同風(fēng)暴自存工況下的最大樁腿反力的比值，要有一定的余量；

4）樁腿強度：樁腿的屈服和屈曲強度校核；

5）提升能力校核：提升系統(tǒng)提升能力同提升重量的比值，要有一定的余量。

1.2 主要輸入

計算的輸入主要分成以下幾個部分，計算分析模型見圖1。

圖1 SACS分析模型

1.2.1 幾何輸入

1）樁腿間距；

2）船體的提升高度；

3）樁靴的入泥深度；

4）jack house的高度；

5）下導(dǎo)向的位置。

1.2.2 重量輸入

1）提升的重量及中心的水平位置；

2）樁腿的重量及浮力；

3）樁靴的重量。

1.2.3 結(jié)構(gòu)輸入

船體和樁腿的連接由下導(dǎo)向、上導(dǎo)向、插銷和jack house組成。其中上下導(dǎo)向和插銷假定為剛性梁，jack house根據(jù)結(jié)構(gòu)計算梁截面的屬性（假定板上型材的對板厚有25%的貢獻），見表1。

表1 jack house梁屬性

四個樁腿間的船體結(jié)構(gòu)是梁單元模型，其梁的屬性根據(jù)船體結(jié)構(gòu)，每個梁類似為箱型結(jié)構(gòu)并計算其截面屬性（假定板上型材的對板厚有 40%的貢獻），具體船體梁屬性見表2。

樁腿的有效截面剛度是考慮了銷孔后的截面。樁腿的截面屬性見表3。

表2 船體梁屬性

表3 樁腿屬性

1.2.4 環(huán)境載荷方向

考慮環(huán)境載荷方向（0°，34°，42°，56°，90°），見圖2。

圖2 環(huán)境載荷方向

1.2.5 風(fēng)載荷

船體和水面以上的樁腿所受的風(fēng)載荷計算是根據(jù)ABS規(guī)范計算的，其大小是由風(fēng)壓和樁腿受風(fēng)的投影面積的乘積得到的。

式中，V為風(fēng)速，m/s；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)；A為樁腿的受風(fēng)面積，m2。風(fēng)載荷的大小見表4。

表4 風(fēng)載荷大小

1.2.6 浪流載荷

浪流載荷是通過SACS軟件的Sea state模塊自動計算的。根據(jù)水深、波高和周期數(shù)據(jù)選擇確定的規(guī)則波的分析方法。載荷大小是基于莫里森公式計算的。垂直作用于構(gòu)件長度dz上的波浪力dF是正比于水質(zhì)點速度平方的拖拽力和正比于水質(zhì)點加速度的慣性力之和：

式中，ρ為水的質(zhì)量密度；U為dz長度上垂直于構(gòu)件軸線方向的水質(zhì)點速度；U為在dz長度上垂直于構(gòu)建軸線方向的水質(zhì)點加速度；CD為拖拽力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；D為構(gòu)件截面的寬度或者直徑；A為構(gòu)件截面的面結(jié)。

因為水質(zhì)點速度和加速度決定于所選用的波浪理論，所以計算波浪載荷大小CD和CM的大小尤為重要，影響CD的因素有截面的形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)、海流對拖拽力的影響等等，影響CM的因素有截面的形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)等等。根據(jù)SNAME和DNV規(guī)范的規(guī)定，基于光滑情況下的CD和CM的大小分別為0.65和2.0?？紤]截面形狀、粗糙度和雷諾數(shù)、KC數(shù)等的影響計算C的大小。

式中，k為粗糙高度；D為構(gòu)件直徑；Um為最大質(zhì)地速度；T為波浪周期；U為質(zhì)點速度；ν為水的運動黏度。

數(shù)粗糙度對拖拽力系影響的關(guān)系式為：

式中，CDs為光滑構(gòu)件的拖拽力系數(shù)；CDr為粗糙構(gòu)件的拖拽力系數(shù)。

KC數(shù)對拖拽力系數(shù)的影響關(guān)系式：

KC數(shù)對慣性力系數(shù)的影響關(guān)系式：

式中，CD=0.65（光滑構(gòu)件）；CD=1.05（光滑構(gòu)件）。

考慮粗糙度和KC數(shù)的拖拽力系數(shù)和慣性力系數(shù)計算結(jié)果見表5。波浪力大小見表6。

1.2.7 動態(tài)放大效應(yīng)（慣性力）

本分析考慮動態(tài)放大效應(yīng)是通過施加額外的水平力和傾覆力矩與模型。其計算方法如下：

式中，?=Tn/T，Tn為平臺的固有周期，T為波浪周期；ζ為阻尼系數(shù)。

表5 拖拽力系數(shù)和慣性力系數(shù)

表6 波浪力

力臂為整個平臺的質(zhì)量重心到約束點的垂直距離。平臺的固有周期是利用SACS軟件中的模態(tài)分析模塊計算得到的。慣性力的大小見表7。

表7 慣性力

1.2.8 P-delta效應(yīng)

在垂向載荷和船體的水平位移的共同作用下會產(chǎn)生彎矩的作用，從而增加樁靴處的反支力和下導(dǎo)向出的彎矩。P-delta彎矩是通過平臺的側(cè)向剛度的效應(yīng)，再手工計算，其計算數(shù)值見表8。

表8 P-delta moment

1.2.9 邊界條件

根據(jù)規(guī)范的要求如果入泥深度大于樁靴的高度，則邊界取為樁靴高度的一半。并考慮海底基礎(chǔ)對樁腿的旋轉(zhuǎn)約束作用，根據(jù)ABS規(guī)范中規(guī)定允許的最大旋轉(zhuǎn)剛度為：

式中，I為樁腿的等效慣性矩；A為樁腿的等效截面面積；As為樁腿的等效剪切面積；L為船底板到海底的樁腿長度（包括入泥），但Lmin=4.35（I/As）0.5；E為樁腿材料的彈性模量；Fg=1.0。Y為迎風(fēng)面的樁腿和背風(fēng)面的樁腿之間的距離。

本文計算中考慮海底基礎(chǔ)對樁腿的旋轉(zhuǎn)約束作用的剛度取為50%Krs，max。

1.3 風(fēng)暴站位工況條件

風(fēng)暴站位工況如表9所示。

表9 風(fēng)暴站位工況

本文中的計算基于表9的風(fēng)暴站位條件。

1.4 計算結(jié)果校核

1.4.1 樁腿的整體強度

對于樁腿這樣的受壓和彎的細長桿件，通常穩(wěn)定性和強度條件校核。

本文的分析利用SACS軟件內(nèi)嵌的API RP2A和AISC，由于考慮了環(huán)境載荷，所以許用應(yīng)力增加1/3。其樁腿強度滿足規(guī)范要求，最大UC為0.98。

根據(jù)AISC規(guī)范和API規(guī)范，計算如下。

1）桿件的許用壓應(yīng)力Fa為：

2）桿件的許用彎曲應(yīng)力Fb為：

3）許用剪切應(yīng)力：

4）承受壓彎載荷的構(gòu)件的強度校核，需滿足以下要求：

1.4.2 平臺的整體抗傾覆能力校核

此校核是用抗傾安全系數(shù)來表示的，即最大風(fēng)暴時平臺本身所具有的扶正力矩除以風(fēng)浪等外力對平臺產(chǎn)生的傾覆力矩的比值。ABS要求最小的安全系數(shù)是1.1。經(jīng)過計算（見表10）抗傾覆能力滿足規(guī)范要求。

1.4.3 樁靴承載能力校核

經(jīng)過計算，風(fēng)暴站位時，樁靴處的最大支反力為5 730 t，小于樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計許用的最大載荷6 000 t。因此，滿足設(shè)計要求。

1.4.4 提升能力校核

提升系統(tǒng)是平臺設(shè)計的重要部件，因此需滿足平臺的各設(shè)計工況的要求。由于平臺風(fēng)暴自存的設(shè)計提升重量為11 200 t，小于提升系統(tǒng)的提升能力12 800 t；風(fēng)暴自存的支持載荷為4 730 t，小于提升系統(tǒng)的風(fēng)暴支持能力6 000 t。因此提升系統(tǒng)滿足風(fēng)暴自存工況的要求。

表10 總的載荷和抗傾覆系數(shù)

2 結(jié)論

本文通過對四圓柱樁腿自升式氣體壓縮平臺的風(fēng)暴站位分析的計算，建立合理的有限元模型是非常關(guān)鍵的。通過這個實例計算分析過程，結(jié)論如下：

根據(jù)平臺的實際結(jié)構(gòu)，建立等效的計算模型反映結(jié)構(gòu)的實際特性。

在進行簡化處理時，不能把結(jié)構(gòu)簡單的模擬成剛性結(jié)構(gòu)，要考慮實際的載荷傳遞。比如船體結(jié)構(gòu)、簡化成幾個梁，但要根據(jù)船體結(jié)構(gòu)的截面進行計算得到船體梁的截面屬性。

載荷施加要考慮固定載荷、可變載荷、風(fēng)載荷、浪流載荷、慣性力和P-delta效應(yīng)。確定大直徑圓柱樁腿的水動力系數(shù)，準(zhǔn)確計算樁腿上的浪流載荷。

用SACS軟件對四圓柱型樁腿的自升式壓縮機平臺進行風(fēng)暴站位分析，確定環(huán)境載荷計算方向，計算了風(fēng)載荷、船體梁的截面屬性、樁腿的水動力系數(shù)和動態(tài)放大系數(shù)。計算結(jié)果表明，樁腿強度滿足規(guī)范要求；平臺的抗傾覆能力滿足規(guī)范要求；樁靴承載能力和提升系統(tǒng)的能力滿足設(shè)計要求。

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Storm in Place Analysis of Jack-up Platform with Cylindrical Leg

Yin Xiu-feng，Du Zhi-fu
（Yantai CIMC Raffles Offshore Co.，Ltd.，Shandong Yantai 264000，China ）

The paper analyzes the condition of the storm in place of jack-up platform with cylindrical legs by SACS software，taking the jack-up gas compression platform with four cylindrical legs as an example.The overall strength of the legs is checked according to AISC rules.And according to the calculation result，the jacking system capacity，spudcan bearing capacity and the overturning stability of the unit are verified.It has some reference value for the design of jack-up platform with cylindrical legs.

jack-up platform； cylindrical leg； overall strength of leg； overturning stability； storm in place

P77；TE951

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.003

尹秀鳳（1979—），女，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。