300 ft自升式平臺(tái)在升起工況下樁腿強(qiáng)度分析

周海波

摘要：本文以某300ft自升式平臺(tái)為研究對(duì)象，基于DNV SESAM對(duì)其樁蹆進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。本文對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)建模，采用WAJAC計(jì)算波浪和流載荷的水動(dòng)力，風(fēng)載荷根據(jù)規(guī)范計(jì)算；采用單自由度方法對(duì)樁腿進(jìn)行強(qiáng)度分析，同時(shí)考慮動(dòng)力放大效應(yīng)以及二階P-delta效應(yīng)；計(jì)算出樁腿在升起工況下的最大應(yīng)力，并根據(jù)規(guī)范要求對(duì)樁腿進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)；樁腿強(qiáng)度；有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：U656 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2018）025-0338-02

一、平臺(tái)主要參數(shù)

本文計(jì)算選取的300ft自升式平臺(tái)（Jackup）是三角形主體、三條樁腿三角桁架式結(jié)構(gòu)，平臺(tái)主要參數(shù)包括：船體長(zhǎng)度、型寬、型深、樁腿橫向間距、樁腿縱向間距和設(shè)計(jì)升起空船重量，分別為62.72m、56.4m、7.75m、37.2m、35.84m、6700MT。樁腿的主要參數(shù)包括：樁腿最大承載、斜撐類(lèi)型、樁腿截距、弦桿距離、樁腿長(zhǎng)度和樁靴底部面積，分別為6000MT、Reversed K、7.5m、10m、135m、175m。

二、平臺(tái)結(jié)構(gòu)的建模

采用SESAM軟件的GeniE模塊建模，樁腿采用二維梁?jiǎn)卧M，主船體采用板和梁?jiǎn)卧M，并對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。為了模擬船體真實(shí)的剛度，只對(duì)高腹板的桁架結(jié)構(gòu)建模，分析樁腿強(qiáng)度不必對(duì)主船體進(jìn)行詳細(xì)建模，以減小網(wǎng)格數(shù)量，加快運(yùn)算時(shí)間。平臺(tái)的海底約束處理手段是將樁靴下表面上的結(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)支。樁腿和船體的連接采用釋放自由度的方法來(lái)模擬，泥土采用簡(jiǎn)支邊界條件。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明這類(lèi)方法可靠且合理，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。

三、平臺(tái)升起工況下的載荷設(shè)定

樁腿在升起工況中必須滿(mǎn)足自存和鉆井修井工況的強(qiáng)度要求。平臺(tái)升起工況的各個(gè)工況工作載荷包括環(huán)境條件，泥土條件，重量分布等。其中自存工況假設(shè)為50年一遇環(huán)境載荷。風(fēng)載荷的選取根據(jù)規(guī)范計(jì)算，浪向角從0度計(jì)算到180度。樁腿水動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算參考SNAME（4），同時(shí)考慮了海生物的生長(zhǎng)。拖曳力和慣性力系數(shù)的取值見(jiàn)下表1：

對(duì)于弦桿的水動(dòng)力系數(shù)，計(jì)算取三個(gè)弦桿水動(dòng)力系數(shù)的平均值，取各個(gè)浪向角水動(dòng)力系數(shù)的最大值。波浪理論采用斯托克斯5階波。

四、強(qiáng)度分析

在計(jì)算樁腿強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)平臺(tái)的固有周期和波浪頻率比較接近時(shí)候，單自由度方法（SDOF）分析結(jié)果過(guò)于保守，動(dòng)態(tài)放大載荷不可忽略；由于自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的特殊性水平剛度比較弱當(dāng)受較大的垂向載荷時(shí)則需要考慮P-delta，可以采用在主船體重心處加水平載荷的方法來(lái)模擬此二階效應(yīng)。

樁腿整體強(qiáng)度計(jì)算基于準(zhǔn)靜態(tài)分析方法，這種方法沒(méi)有直接考慮自升式平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此在分析過(guò)程中必須考慮額外的動(dòng)力放大載荷，這種動(dòng)態(tài)響應(yīng)貫穿整個(gè)自升的工況。在采用單自由度（SDOF）方法計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)引入動(dòng)力放大系數(shù)（DAF）以及慣性力。由于較大的軸向壓力，樁腿梁的側(cè)向彎曲剛度會(huì)減小，因此船體受到環(huán)境載荷的水平位移會(huì)增大。對(duì)上述風(fēng)載荷、波浪動(dòng)載荷分別按0度、30度、60度、90度、120度、150度、180度分配計(jì)算工況，同時(shí)考慮二階效應(yīng)水平載荷，并按上述角度分配計(jì)算工況，所得的計(jì)算工況組合同時(shí)考慮第一次計(jì)算一階位移，以及通過(guò)計(jì)算一階變形后再進(jìn)行第二次載荷組合，進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算。

五、強(qiáng)度校核及結(jié)果

1.弦桿強(qiáng)度校核

對(duì)于樁腿弦桿這種非圓管構(gòu)建強(qiáng)度校核參考AISC2005規(guī)范，采用雙對(duì)稱(chēng)或者單對(duì)稱(chēng)構(gòu)建承受彎矩和軸向力的校核公式。參考弦桿各個(gè)工況利用率最大的兩個(gè)梁?jiǎn)卧?guī)范校核參數(shù)，可以得到在自存1工況和正常修井工況，某些弦桿的利用率超過(guò)了1.0，因此必須對(duì)該位置的弦桿進(jìn)行加強(qiáng)。在保證齒條長(zhǎng)度和寬度不變的基礎(chǔ)上加厚了弦桿的板厚，將原來(lái)40mm的圓管壁厚加厚到55mm。

2.橫撐和斜撐強(qiáng)度校核

對(duì)于圓管校核采用API2005規(guī)范，對(duì)軸向受壓和彎矩的管狀構(gòu)件，必須在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的所有點(diǎn)滿(mǎn)足下面兩條公式：

橫撐和斜撐各個(gè)工況最大利用率的兩根梁的規(guī)范校核結(jié)果如下表6：

六、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自升式平臺(tái)進(jìn)行了有限元建模，其中對(duì)樁腿采用梁模型進(jìn)行了詳細(xì)建模，對(duì)于船體采用簡(jiǎn)化板和梁模型，工作載荷采用縮放密度和質(zhì)量點(diǎn)的方法來(lái)模擬。對(duì)平臺(tái)在升起工況下受到的風(fēng)、浪和流載荷進(jìn)行了合成，同時(shí)考慮了動(dòng)態(tài)放大載荷以及P-deha效應(yīng)的影響，計(jì)算得到樁腿的應(yīng)力后根據(jù)規(guī)范對(duì)樁腿進(jìn)行校核，完成了樁腿強(qiáng)度和屈曲的校核。經(jīng)過(guò)校核樁腿的強(qiáng)度和屈曲在風(fēng)暴自存和正常鉆井工況以及正常修井工況均滿(mǎn)足規(guī)范要求。