深水導(dǎo)管架分離式防沉板設(shè)計(jì)簡析

張樂 袁廷廷

摘 要：防沉板是樁基式平臺導(dǎo)管架部分重要的附屬構(gòu)件。在導(dǎo)管架坐底過程中，防沉板對導(dǎo)管架安裝過程中的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，其結(jié)構(gòu)形式的科學(xué)與否直接關(guān)系導(dǎo)管架的坐底過程能否順利進(jìn)行。根據(jù)防沉板與主結(jié)構(gòu)的聯(lián)系分為一體式防沉板和分離式防沉板兩種。本文以恩平海域某導(dǎo)管架為例，闡述了分離式防沉板設(shè)計(jì)的思路與計(jì)算過程，并對設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：深水；導(dǎo)管架；分離式防沉板；強(qiáng)度校核

中圖分類號：TE952 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0047-02

防沉板的主要作用是在導(dǎo)管架初始坐底時(shí)，提供支撐來阻止導(dǎo)管架下陷，一般在導(dǎo)管架插樁完畢后，完成其工作使命。由于在深水海域海床不平整度出現(xiàn)的可能性更大，因此，產(chǎn)生了通過導(dǎo)管架自身設(shè)置的主動(dòng)性調(diào)平構(gòu)造的設(shè)計(jì)理念，通常情況下采用防沉板底標(biāo)高入手解決，將防沉板脫離開已經(jīng)既定的導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)底層框架，根據(jù)海床傾角和平臺底部尺寸算出每一個(gè)角防沉板各自的海床理論標(biāo)高，然后防沉板用短柱或立梁與主結(jié)構(gòu)相連，形象地講，就是用平行于海床的斜底座來臨時(shí)支持平底的導(dǎo)管架。

本文旨在以我國南海海域某90m左右水深導(dǎo)管架防沉板設(shè)計(jì)為依托，闡述深海海域?qū)Ч芗芊蛛x式防沉板的設(shè)計(jì)思路與過程。

1 分離式防沉板設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 計(jì)算水深的選擇

根據(jù)導(dǎo)管架安裝位置海域的地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，得到平臺底部海床的平整度資料，如果水深差距比較大，則要考慮采用分離式的防沉板設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目中四個(gè)平臺角的高差最大0.4m，因此采用分離式防沉板進(jìn)行調(diào)平。此外，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，得到導(dǎo)管架安裝位置土質(zhì)資料，作為計(jì)算防沉板承載力的依據(jù)。

1.2 環(huán)境條件

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書，得到導(dǎo)管架坐底安裝過程中環(huán)境條件（見表1）。

海水中的流速采用定常流：表層流速0.6m/s，中層流速0.3m/s，底層流速0.3m/s。

2 分離式防沉板設(shè)計(jì)過程

2.1 計(jì)算模型

分離式防沉板，即防沉板自身成為一個(gè)結(jié)構(gòu)，通過豎向桿件和主結(jié)構(gòu)相連。防沉板的結(jié)構(gòu)采用最有效的三角形的形式，布置在距中心最遠(yuǎn)的四個(gè)角上，這樣既能滿足承載力的需求，還能夠提供最大的抗傾覆能力，防沉板布置和三維結(jié)構(gòu)，見圖1和圖2。四周采用直徑762mm的圓管，中間的十字撐采用直徑610mm的圓管，中間的支撐采用工字鋼，板厚10mm，鋼材質(zhì)為Q235。

圖2所示中支撐梁結(jié)構(gòu)的選型如下：主梁采用H300x300mm，次梁采用H300x150mm。

2.2 計(jì)算工況

防沉板的設(shè)計(jì)，需要滿足API規(guī)范[1]及設(shè)計(jì)規(guī)格書規(guī)定的穩(wěn)性，承載力，防沉板自身強(qiáng)度的要求。

2.2.1防沉板穩(wěn)性校核

采用最高天文潮水深，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)取1.0，目的是產(chǎn)生最大的傾覆荷載和最小的抗傾覆能力，這樣更為保守。

穩(wěn)性校核考慮的計(jì)算工況分為如下兩種：

（1）初步坐底工況下環(huán)境力作用；

（2）打樁工況下環(huán)境力的作用。

根據(jù)上面所述的環(huán)境條件和計(jì)算模型，得到每個(gè)工況下水平荷載的最大傾覆力矩，與結(jié)構(gòu)自身重力產(chǎn)生的抗傾覆力矩相比較，抗傾覆力矩/最大傾覆力矩>1.5，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2.2.2土壤承載力校核

采用最低天文潮水深，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)放大，主結(jié)構(gòu)重量放大1.03，附屬結(jié)構(gòu)放大1.05倍，產(chǎn)生最大的重力，使計(jì)算趨于保守。

計(jì)算土壤承載力考慮如下三種工況：

（1）靜水工況，不與環(huán)境力組合；

（2）自重與坐底工況下環(huán)境力組合作用；

（3）自重與打樁工況下環(huán)境力組合作用。

通過項(xiàng)目規(guī)格書了解到，海床上單位面積土壤承載力計(jì)算公式為：

qu=24.3×Sr×B （1）

式中，

qu：海床上單位面積土壤承載力， kPa

B：防沉板寬度或半徑， m

Sr：地基形狀系數(shù)。對矩形地基來說，按照如下公式取值，

Sr=1-0.4（B/L） （2）

對形狀為三角形的防沉板，L取最長邊，B應(yīng)該取最長邊對應(yīng)的最短的高。

根據(jù)海洋工程計(jì)算軟件得到每個(gè)工況下，不同防沉板對應(yīng)的垂向壓力載荷，單位面積土壤極限承載力qu與垂向壓力荷載之σc比，即為承載力安全系數(shù)。參考規(guī)范，其校核衡準(zhǔn)如下：

（1）自重工況：qu/σc >2.0；

（2）自重與環(huán)境力組合工況：qu/σc >1.5。

2.2.3防沉板強(qiáng)度校核

對模型中模擬出來的防沉板結(jié)構(gòu)如圓管，工字鋼，可以采取在計(jì)算軟件中校核，將第二步中土壤承載力計(jì)算得到的防沉板最大垂向荷載σc加載到防沉板的桿件上，校核防沉板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

對于不能在模型中校核的結(jié)構(gòu)，比如一些小梁和板的強(qiáng)度，需要通過手算來校核，定義好材料屬性，如材料抗彎屈服強(qiáng)度，截面抗彎模量，支撐間距離等，截面承受的最大載荷與抗彎強(qiáng)度之比<1.0，即可滿足要求[2]。

2.3 其他需要考慮的問題

（1）防沉板靜水壓潰問題，由于導(dǎo)管架所處水深較深，這樣就要求對防沉板自身密封桿件也進(jìn)行靜水壓潰校核。

（2）防沉板波浪拍擊強(qiáng)度校核，尤其對于滑移下水導(dǎo)管架，入水瞬間，其自身的下滑速度及波浪的運(yùn)動(dòng)速度，將會導(dǎo)致波浪對構(gòu)件的拍擊，對于防沉板這種與水面瞬間接觸面積較大的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的拍擊力更是不能忽視，因此，也需要進(jìn)行波浪拍擊強(qiáng)度校核[3]。

（3）防沉板坐底能力校核，由于深水導(dǎo)管架多為裙樁套筒結(jié)構(gòu)，套筒的底部標(biāo)高普遍比防沉板標(biāo)高要低一些，此時(shí)，就要校核導(dǎo)管架的坐底能力，防止群樁套筒插入土中不夠深，防沉板不能坐底情況的發(fā)生。需要單獨(dú)計(jì)算群樁套筒的承載能力，與導(dǎo)管架在水中的重力對比， 如果計(jì)算得到裙樁套筒的承載力遠(yuǎn)小于導(dǎo)管架自身的重力，則導(dǎo)管架可以正常坐底。

（4）關(guān)注防沉板與主結(jié)構(gòu)相連的桿件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，防沉板與主結(jié)構(gòu)通過豎桿相連接，在坐底過程中，防沉板作為附屬構(gòu)件，其承擔(dān)的支反力會通過連接豎桿傳遞到主結(jié)構(gòu)上，這樣，對底層主結(jié)構(gòu)連接位置便形成了集中應(yīng)力，通常需要通過截面加強(qiáng)來滿足強(qiáng)度需求。

3 結(jié)語

綜上所述，分離式防沉板與一體式防沉板設(shè)計(jì)的最大的區(qū)別在于與主結(jié)構(gòu)的連接方式，分離式防沉板是單獨(dú)的一個(gè)結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)管架主體通過豎向桿件連接，可以通過調(diào)整豎向桿件長度來消除海底不平度的影響。這是其優(yōu)點(diǎn)，然而，缺點(diǎn)是當(dāng)防沉板單獨(dú)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)，用鋼量增加了，自身強(qiáng)度滿足的同時(shí)，需要對與主結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)進(jìn)行局部加強(qiáng)。除此之外，詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程卻是相同的，本文只是簡單闡述了防沉板設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的具體內(nèi)容，現(xiàn)實(shí)中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況和需求來選取不同的防沉板形式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] API-RP-2A–WSD， Recommended Practice for Planning and Constructing Fixed Offshore Platforms – Working Stress Design， 21st Edition， 2007.

[2] AISC， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition.

[3] DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， April 2007.