半潛式生活服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(1.謝克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司 天津 300170； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

半潛式生活服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

喬曉國(guó)1，郭濤2

(1.謝克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司天津300170； 2.上海船舶工藝研究所，上海200032)

結(jié)合某半潛式生活服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，參考ABS和DNV船級(jí)社的相關(guān)海工規(guī)范，介紹半潛式平臺(tái)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)專業(yè)的工作內(nèi)容。闡述在設(shè)計(jì)初期結(jié)構(gòu)規(guī)范校核時(shí)設(shè)計(jì)水壓頭的選取方法；對(duì)比3種設(shè)計(jì)波選擇方法，推薦使用長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)法確定平臺(tái)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)波；比較不同設(shè)計(jì)波載荷對(duì)平臺(tái)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響，認(rèn)為斜浪方向的設(shè)計(jì)波對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要；總結(jié)平臺(tái)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域、易屈曲板架、疲勞熱點(diǎn)區(qū)域的位置，并指出基本的加強(qiáng)方向。

半潛式平臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；規(guī)范校核；設(shè)計(jì)波；疲勞

0 引 言

半潛式平臺(tái)由水下浮箱提供大部分浮力，通過(guò)若干立柱將上部結(jié)構(gòu)支撐在距離水面一定高度處。立柱的水線面較小，在波浪作用下產(chǎn)生的不平衡垂向力相對(duì)于靜水狀態(tài)時(shí)較小，可避免平臺(tái)產(chǎn)生較大的升沉、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)。立柱的側(cè)向投影面積較小，而側(cè)向投影面積較大的浮箱處于水線面以下十幾米的深度，因此，大部分波浪對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波頻側(cè)向力也相對(duì)較小，不會(huì)產(chǎn)生較大的波頻橫蕩、縱蕩或艏搖運(yùn)動(dòng)。半潛式平臺(tái)在深水海域有著廣泛的應(yīng)用，如油氣資源開(kāi)發(fā)、海底鋪管、海上起重、生活服務(wù)等方面，也可作為火箭發(fā)射平臺(tái)、遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)平臺(tái)使用。半潛式平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜循環(huán)的系統(tǒng)工程，本文結(jié)合某半潛式生活服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)階段的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探討。

1 半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

典型的半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)由立柱、水下浮箱和上部結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 半潛式平臺(tái)典型結(jié)構(gòu)

水下浮體有4條首尾相接的環(huán)形形式和左右雙浮箱外加橫撐的形式。環(huán)形形式適合用于長(zhǎng)期固定于錨地的生產(chǎn)平臺(tái)，而外加橫撐形式則適用于經(jīng)常改變作業(yè)區(qū)域的鉆井、生活服務(wù)、起重、鋪管等平臺(tái)。大部分半潛式平臺(tái)的立柱均為根，但有些平臺(tái)由于上部結(jié)構(gòu)縱向跨度較大、舷側(cè)的跨中布置有起重機(jī)、穩(wěn)性不足等原因，需要在左右舷跨中各增加1根立柱。上部結(jié)構(gòu)有桁架型結(jié)構(gòu)，也有箱型結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，桁架形式的上部結(jié)構(gòu)整體剛度較弱，主要用于下部浮體剛度較大的生產(chǎn)平臺(tái)上，而箱型的上部結(jié)構(gòu)不僅可以提供儲(chǔ)備浮力，而且強(qiáng)度較大，對(duì)于雙浮箱外加橫撐形式的平臺(tái)來(lái)說(shuō)是必須的。

2 總體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

半潛式生活服務(wù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要包含以下內(nèi)容：

(1) 結(jié)構(gòu)規(guī)范校核。最初階段根據(jù)平臺(tái)總體尺寸、分艙、設(shè)計(jì)吃水、甲板載荷以及初步結(jié)構(gòu)布置，根據(jù)規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)公式確定浮箱、立柱以及上部結(jié)構(gòu)的板材厚度、型材規(guī)格。確定平臺(tái)主體的大致重量，并反饋給總體專業(yè)，核算總體穩(wěn)性以及總體運(yùn)動(dòng)性能。

(2) 總體有限元分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范校核的結(jié)果建立平臺(tái)整體有限元模型，將不影響平臺(tái)總體剛度的結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及其他非液艙重量以質(zhì)量單元形式分布在模型中。使用設(shè)計(jì)波法計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，對(duì)超出許用應(yīng)力區(qū)域和板架屈曲能力不滿足要求的區(qū)域做相應(yīng)的加強(qiáng)。然后，使用譜分析法校核平臺(tái)承受高水平交變應(yīng)力區(qū)域的疲勞性能，并采用適當(dāng)方法進(jìn)行改善。最后對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行冗余分析。

2.1結(jié)構(gòu)規(guī)范校核

美國(guó)船級(jí)社(ABS)在移動(dòng)式海洋鉆井裝置(MODU)規(guī)范[1]里給出了承受不同類型載荷板架的規(guī)范校核公式。在結(jié)構(gòu)規(guī)范校核公式的諸多參數(shù)里，代表板架載荷的水壓頭的選擇相對(duì)復(fù)雜。非水密板架的水壓頭根據(jù)板架設(shè)計(jì)載荷除以7.05得到。水密板架水壓頭的選取則涉及到幾個(gè)概念：載重線、破艙水線、艙壁甲板、干舷甲板、溢流管高度，其中：載重線可以取最大設(shè)計(jì)吃水；破艙水線是校核完破艙穩(wěn)性得出的，在此之前可以取到主甲板高度；艙壁甲板是立柱最高一層水密甲板，一般都在上部結(jié)構(gòu)和立柱的連接處；干舷甲板可以認(rèn)為是主甲板；溢流管高度需要和配管專業(yè)核實(shí)各個(gè)液艙的布置，設(shè)計(jì)前期可以統(tǒng)一將溢流管放在主甲板上。

ABS將板架圍成艙室分為液艙和水密艙，各自規(guī)范校核的計(jì)算公式和水壓頭的選取不同。基本理念是在設(shè)計(jì)水壓頭作用下液艙板架不允許產(chǎn)生明顯變形，而普通水密艙的板架在設(shè)計(jì)水頭作用下則允許有明顯彈性變形，所以相同高度處的液艙板架都要比水密艙的板架強(qiáng)度大。立柱和下部浮體的外板計(jì)算公式與液艙相同，只是在水壓頭選取時(shí)需考慮破艙狀態(tài)的水壓力和波浪壓力。

挪威船級(jí)社(DNV)在海工標(biāo)準(zhǔn)[2-3]中給出的結(jié)構(gòu)規(guī)范校核公式不區(qū)分艙室類型，但是在設(shè)計(jì)壓力的選擇上給出了詳細(xì)的要求，在推薦做法[4]中對(duì)液艙及波浪壓力的選取規(guī)則有詳細(xì)的說(shuō)明，總體上與ABS相關(guān)規(guī)則類似。但是DNV采用的是載荷抗力系數(shù)法(LRFD)，與ABS的工作應(yīng)力法(WSD)有較大不同，2個(gè)規(guī)范的公式及參數(shù)可以相互參考和對(duì)比，但不能混用。

結(jié)構(gòu)規(guī)范校核只是得到平臺(tái)各處結(jié)構(gòu)的基本尺寸，由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度嚴(yán)重不均勻，在波浪條件下主體結(jié)構(gòu)連接處會(huì)產(chǎn)生超出材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力、板架屈曲性能和疲勞性能很難滿足要求，需要進(jìn)行詳細(xì)的水動(dòng)力計(jì)算及有限元分析，并對(duì)這些位置做相應(yīng)加強(qiáng)。

2.2設(shè)計(jì)波選取

圖2 關(guān)鍵載荷及相應(yīng)設(shè)計(jì)波浪向

由于半潛式平臺(tái)的濕表面比較復(fù)雜，一些周期長(zhǎng)的波浪并不一定在平臺(tái)強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中起控制作用，而幾種特定周期和入射角的波浪更可能在平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生顯著的水動(dòng)力載荷。該類型半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵水動(dòng)力載荷有：在橫撐內(nèi)部產(chǎn)生的最大拉力(Fy)，在平臺(tái)中縱剖面產(chǎn)生的最大扭矩(Ty)，在平臺(tái)中縱剖面產(chǎn)生的最大縱向剪切力(Sx)，在平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的最大加速度(Ax，Ay，Az)以及在中橫剖面產(chǎn)生的最大波浪彎矩(My)。ABS并沒(méi)有將Az列為關(guān)鍵載荷，而DNV雖然列出了Az，但是明確表示該項(xiàng)對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)不算是關(guān)鍵載荷，所以通常使用其余6個(gè)關(guān)鍵載荷選取設(shè)計(jì)波。關(guān)鍵載荷及相應(yīng)設(shè)計(jì)波浪向如圖2所示。

設(shè)計(jì)波的選取方法有3種[1，5]：確定性波法，短期統(tǒng)計(jì)法，長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)法。無(wú)論哪種方法都需要事先確定平臺(tái)6個(gè)水動(dòng)力載荷的響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator, RAO)，即表征6個(gè)水動(dòng)力載荷在不同入射方向、不同頻率的單位波幅波浪作用下各相位的數(shù)值。

確定性波法里給定的環(huán)境參數(shù)是極限波陡和最大波高。根據(jù)線性波理論，波長(zhǎng)和周期、頻率、圓頻率均一一對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)波的浪向和波長(zhǎng)根據(jù)浮體總體尺度確定，結(jié)合極限波陡和最大波高可以確定6個(gè)關(guān)鍵水動(dòng)力載荷對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)波的浪向、周期和波幅。根據(jù)RAO即可確定這些水動(dòng)力載荷最大值及其對(duì)應(yīng)的波浪相位。

短期統(tǒng)計(jì)法里給定的環(huán)境參數(shù)是一個(gè)短期(一般為3小時(shí))海況，包含波浪譜型、有義波高和峰值周期(或跨零周期)。結(jié)合RAO可以得到不同浪向6個(gè)水動(dòng)力載荷的等效響應(yīng)水平，6個(gè)最大等效響應(yīng)水平對(duì)應(yīng)的浪向就是設(shè)計(jì)波浪向；用6個(gè)最大的等效響應(yīng)水平除以對(duì)應(yīng)浪向RAO的峰值即可得到設(shè)計(jì)波波幅；而每個(gè)RAO峰值對(duì)應(yīng)的頻率就是設(shè)計(jì)波的頻率。

長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)法里給定的環(huán)境參數(shù)是平臺(tái)適用海區(qū)的波浪散布圖和波浪譜型，體現(xiàn)了這些海區(qū)短期海況的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)情況。與短期統(tǒng)計(jì)法相比，長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)法在計(jì)算水動(dòng)力載荷的等效響應(yīng)水平時(shí)考慮了不同參數(shù)短期海況的出現(xiàn)概率，而其給出的等效響應(yīng)水平是對(duì)應(yīng)諸如一年一遇、十年一遇、百年一遇等不同概率的結(jié)果，其中設(shè)計(jì)波的浪向、波幅及頻率(波周期)計(jì)算方法與短期統(tǒng)計(jì)法相同。

此外，最終用于計(jì)算的6個(gè)設(shè)計(jì)波的相位角應(yīng)該是相差180°的2個(gè)值，類似于單殼船的中拱和中垂?fàn)顟B(tài)，所以一共有12組水動(dòng)力和加速度載荷用于總體強(qiáng)度計(jì)算。

半潛式生活服務(wù)平臺(tái)的總體工況比其他平臺(tái)簡(jiǎn)單，根據(jù)吃水從淺到深依次分為拖航(自航)工況、風(fēng)暴自存工況和作業(yè)工況。拖航(自航)工況的吃水比浮箱上表面低，使得航行阻力最?。蛔鳂I(yè)工況的吃水最深，此時(shí)平臺(tái)在波浪中的響應(yīng)最??；風(fēng)暴自存工況為了保證氣隙(波峰與上部結(jié)構(gòu)底部的距離)，在作業(yè)工況的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小吃水。在不同工況下，平臺(tái)的濕表面不同，平臺(tái)廣義質(zhì)量(質(zhì)量和三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)也不同，在計(jì)算12組水動(dòng)力載荷的RAO時(shí)需要3組不同的濕表面模型(橫撐可能用到莫里森摸型)、質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)模型。

在平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)里一般都會(huì)明確要求平臺(tái)的適用海區(qū)，并給出這些海區(qū)的波浪散布圖及譜型，在后期的局部強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)也需要平臺(tái)上一系列點(diǎn)在N年一遇海況下的加速度，在用譜疲勞方法對(duì)平臺(tái)總體疲勞性能進(jìn)行分析時(shí)也需要適用海區(qū)的波浪散布圖及譜型，所以長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)法使用更廣泛。由于平臺(tái)適用海區(qū)不只一個(gè)，不同海區(qū)只有設(shè)計(jì)波的波幅不同，其他參數(shù)都是一樣的在總體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)使用最大波幅即可。

2.3平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

根據(jù)選取的設(shè)計(jì)波將相應(yīng)的水動(dòng)力及靜力載荷傳遞至結(jié)構(gòu)模型上，并在結(jié)構(gòu)模型上施加如DNV推薦做法要求的邊界約束，即可計(jì)算出在選定的12組設(shè)計(jì)波載荷作用下平臺(tái)內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，并據(jù)此判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。

目前，大部分有限元計(jì)算軟件依據(jù)線性理論，假定水動(dòng)力計(jì)算時(shí)濕表面不變化、平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形之后剛度矩陣不改變等。在結(jié)構(gòu)有限元線性求解之后得到平臺(tái)在靜水狀態(tài)和12組單位波幅設(shè)計(jì)波載荷作用下的應(yīng)力結(jié)果，在后處理階段通過(guò)線性疊加得到平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)力結(jié)果。

由于橫撐結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比較大，自身抗彎剛度和抗扭剛度較弱，致使左右兩側(cè)浮體的上部結(jié)構(gòu)連接在一起。圖3為半潛式平臺(tái)沿設(shè)計(jì)波方向的3個(gè)剖面，可以看出：半潛式平臺(tái)在這3個(gè)剖面的結(jié)構(gòu)剛度差別較大。來(lái)自艏部和艉部方向的設(shè)計(jì)波，即產(chǎn)生最大Ax和My的設(shè)計(jì)波使平臺(tái)產(chǎn)生左右舷對(duì)稱的縱搖運(yùn)動(dòng)，由于平臺(tái)兩側(cè)縱剖面的結(jié)構(gòu)剛度很大，所以這2組設(shè)計(jì)波在平臺(tái)內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力水平比較低。橫浪狀態(tài)的設(shè)計(jì)波，即產(chǎn)生最大Fy和Ay的設(shè)計(jì)波會(huì)讓平臺(tái)產(chǎn)生前后對(duì)稱的橫搖運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)橫剖面的開(kāi)口框架比縱向框架剛度小，2組設(shè)計(jì)波在立柱上下端和橫撐兩端產(chǎn)生的應(yīng)力較縱向設(shè)計(jì)波產(chǎn)生的應(yīng)力高。斜浪設(shè)計(jì)波，即產(chǎn)生最大Sx和Ty的設(shè)計(jì)波影響到平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度最弱的斜向剖面，會(huì)讓平臺(tái)整體沿主甲板對(duì)角線產(chǎn)生顯著的彎曲變形。同時(shí)在平臺(tái)中縱剖面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。由于上部結(jié)構(gòu)沿甲板對(duì)角線方向的抗扭剛度較小，導(dǎo)致立柱上下端和橫撐兩端附近結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生比其他載荷影響大的應(yīng)力?？偟脕?lái)說(shuō)，斜浪設(shè)計(jì)波是半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)載荷。

圖3 半潛式平臺(tái)的3個(gè)垂直剖面

大部分平臺(tái)主體采用高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度為315 MPa或355 MPa)建造，對(duì)于超出許用應(yīng)力范圍的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用增加過(guò)渡結(jié)構(gòu)或增加板厚的方式進(jìn)行加強(qiáng)，在立柱頂部、底部以及橫撐兩端的相鄰區(qū)域，板厚可達(dá)100 mm。應(yīng)盡量避免使用超高強(qiáng)鋼材(屈服強(qiáng)度超過(guò)400 MPa)進(jìn)行加強(qiáng)，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疲勞問(wèn)題。

圖4 上部結(jié)構(gòu)中最重要的橫向框架

由于平臺(tái)橫向框架剛度較弱，為避免后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，從平臺(tái)基本設(shè)計(jì)階段的艙室布置開(kāi)始，應(yīng)該保證上部結(jié)構(gòu)橫向框架的完整性。尤其在與立柱對(duì)應(yīng)位置(如圖4中虛線)的上部結(jié)構(gòu)橫艙壁不能被削弱，同一條橫艙壁上各層艙室門的開(kāi)口不應(yīng)集中位于同一橫向位置，也不能為大設(shè)備(如主機(jī)等)留下巨大的開(kāi)口。在橫艙壁靠近立柱內(nèi)側(cè)外板的位置(如圖4中黑點(diǎn))附近不應(yīng)布置任何開(kāi)口。

在相同海況下，平臺(tái)吃水越淺，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大，在相同海況的設(shè)計(jì)波作用下，結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力水平也越高。尤其是在拖航工況下，水線面面積、水線面慣性矩都較大，而此時(shí)平臺(tái)的廣義質(zhì)量最小，在與作業(yè)工況的海況下平臺(tái)將產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較高的應(yīng)力。半潛式平臺(tái)拖航工況的設(shè)計(jì)波波幅較小，根據(jù)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)得到的可拖航海況的有義波高也較小，在超過(guò)允許海況時(shí)，需要將平臺(tái)壓載至較大吃水狀態(tài)等待，限制了半潛式平臺(tái)在特定海區(qū)可拖航的時(shí)間比例，增加運(yùn)營(yíng)成本。半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)工況是深吃水的作業(yè)狀態(tài)，淺吃水的拖航性能則在很大程度上被削弱。為此，有的平臺(tái)為了快速部署或維修而采用干拖的形式進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

2.4板架屈曲問(wèn)題

根據(jù)有限元計(jì)算得到平臺(tái)各工況下的應(yīng)力分布，結(jié)合相應(yīng)船級(jí)社關(guān)于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)屈曲性能評(píng)估的規(guī)范[6-8]校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)板架的屈曲強(qiáng)度。僅根據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范校核設(shè)計(jì)出來(lái)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)有大面積區(qū)域會(huì)發(fā)生板架屈曲，這些區(qū)域包括上部結(jié)構(gòu)主甲板、上部結(jié)構(gòu)底板、圖4中黑點(diǎn)位置的橫縱艙壁、立柱前后外板的上半部分、立柱內(nèi)側(cè)外板的下半部分以及下部附體側(cè)面與立柱相連的部分。前3個(gè)部位板架內(nèi)部壓應(yīng)力方向沿橫向，所以這些部位的加強(qiáng)筋應(yīng)沿橫向布置；后3個(gè)部位的板架壓應(yīng)力方向沿垂向分布，這些區(qū)域的加強(qiáng)筋方向應(yīng)沿垂向布置。板架屈曲區(qū)域需要通過(guò)增加板厚或者增加加強(qiáng)筋數(shù)量進(jìn)行加強(qiáng)，同樣由于疲勞問(wèn)題的原因，板架屈曲的加強(qiáng)不推薦使用超高強(qiáng)鋼材。

2.5疲勞問(wèn)題

半潛式平臺(tái)在強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果里高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力分布中，由于波浪作用產(chǎn)生的交變應(yīng)力占大部分，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疲勞問(wèn)題。由于疲勞壽命與結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度無(wú)關(guān)，如果前面的平臺(tái)在高應(yīng)力區(qū)域的加強(qiáng)使用了超高強(qiáng)鋼材，則板厚較薄，交變應(yīng)力較高，結(jié)構(gòu)疲勞壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響。

ABS和DNV在各自的規(guī)范[9]和推薦做法[10]里推薦使用譜疲勞方法對(duì)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估。譜疲勞分析需要計(jì)算至少24個(gè)浪向、一系列單位波幅規(guī)則波作用到平臺(tái)上產(chǎn)生的水動(dòng)壓力和平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)加速度，并將水動(dòng)壓力和加速度傳遞給平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)部在任意浪向、任意周期的單位波幅規(guī)則波作用下的應(yīng)力值。然后結(jié)合波浪散布圖、海浪譜型、各部位板厚、S-N曲線、設(shè)計(jì)壽命、安全系數(shù)等信息評(píng)估疲勞損傷，并反算疲勞壽命。

規(guī)范中對(duì)安全系數(shù)的選擇方法十分詳盡，需要注意對(duì)于雙浮箱外加橫撐形式的半潛式平臺(tái)，需定期進(jìn)行安全檢驗(yàn)，其安全系數(shù)可以取1。實(shí)際上該型半潛式平臺(tái)的疲勞安全系數(shù)取2或3很難滿足設(shè)計(jì)要求，而半潛式生產(chǎn)平臺(tái)下部環(huán)形浮箱的結(jié)構(gòu)剛度很大，相應(yīng)的交變應(yīng)力較低，水下關(guān)鍵部位的疲勞安全系數(shù)可以取10。

增加板厚、增加過(guò)渡結(jié)構(gòu)、改變板材接縫位置或方向可降低垂直于焊縫方向的主應(yīng)力。對(duì)焊縫根部進(jìn)行適當(dāng)打磨或錘擊延緩疲勞裂紋的生成，但是不推薦在新造平臺(tái)上使用此類方法來(lái)滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命。

2.6結(jié)構(gòu)冗余

雙浮體加橫撐類型的半潛式平臺(tái)還需要考慮結(jié)構(gòu)冗余。該分析考慮其中任意一根橫撐斷掉之后，校核平臺(tái)是否能在風(fēng)暴海況下保證剩余結(jié)構(gòu)的完整性。該工況的應(yīng)力安全系數(shù)可以取1。其計(jì)算流程與總體強(qiáng)度計(jì)算相同，但不需要校核疲勞損傷。

3 重量控制

由于半潛式平臺(tái)作業(yè)工況水線面較小，使得其對(duì)重量控制比較敏感?？紤]后期結(jié)構(gòu)加強(qiáng)需將最初的結(jié)構(gòu)規(guī)范校核給出的結(jié)構(gòu)重量額外增加20%。將估算結(jié)構(gòu)重量反饋給總體專業(yè)重新核算穩(wěn)性，若不滿足，則需要調(diào)整平臺(tái)整體尺度，這樣可能需修改艙室和結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)規(guī)范校核需要重新修改，并估算重量反饋給總體專業(yè)。這樣的循環(huán)在剛開(kāi)始階段會(huì)重復(fù)多次，甚至到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段仍然會(huì)出現(xiàn)重量失去控制而不需要在每個(gè)立柱外側(cè)附加1個(gè)水密艙來(lái)保證總體穩(wěn)性滿足要求的情況。所以，在整個(gè)半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)重量的控制一定要充分重視，所有結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范要求的前提下盡量?jī)?yōu)化，減輕重量。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，對(duì)半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)ABS和DNV的相關(guān)規(guī)范，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以相互參考，對(duì)比使用。本文結(jié)合某半潛式生活服務(wù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，闡述半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)工作結(jié)構(gòu)專業(yè)的主要內(nèi)容、設(shè)計(jì)流程、符合規(guī)范要求的設(shè)計(jì)方法，分享一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為其他平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供參考。

[ 1 ] ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S]. 2014.

[ 2 ] DNV. Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method): DNV-OS-C101[S]. 2011.

[ 3 ] DNV. Structural Design of Column Stabilized Units (LRFD Method): DNV-OS-C103 [S]. 2012.[ 4 ] DNV. Column-Stabilized Units: DNV-RP-C103 [S]. 2012.

[ 5 ] DNV. Environmental Conditions and Environmental Loads: DNV-RP-C205 [S]. 2010.

[ 6 ] ABS. Commentary on the Guide for Buckling & Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures [S]. 2011.

[ 7] DNV. Buckling Strength of Plated Structures: DNV-RP-C201[S]. 2012.

[ 8 ] DNV. Buckling Strength of Shells: DNV-RP-C202[S]. 2010.

[ 9 ] ABS. Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures[S]. 2014.

[10] DNV. Fatigue Design of Offshore Steel Structures: DNV-RP-C203[S]. 2011.

StructureDesignofSemi-SubmersibleAccommodationPlatform

QIAO Xiaoguo1， GUO Tao2

(1.Sixtee Engineering Groups Pte. Ltd., Tianjin 300170， China; 2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

Combined with design progress of a semi-submersible accommodation platform, the working scope and procedure of the structure design of semi-submersible platform are introduced refering to relevant offshore rules of ABS and DNV. Selecting method of water head in rule scantling analysis in the preliminary design stage is proposed. It is suggested to use long-term statistic method to select the design wave for the global structure design by comparing the 3 methods of design wave selecting. Effect of different design wave acting on the platform is compared. It is considered that the quarter sea design wave is the most critical for the structure design. Positions of high stress area, easily buckled panel and fatigue hot spot area are summarized, and the basic reinforced method is pointed out.

semi-submersible platform; structure design; rule scantling; design wave; fatigue

2016-07-12

喬曉國(guó)(1985-)，男，工程師

1001-4500(2017)04-0014-05

F416.22

： A