高106.68 m自升式平臺(tái)的樁靴強(qiáng)度分析

張大朋，范 浩，白 勇，朱克強(qiáng)，劉科偉

1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058

2.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211

隨著人類對(duì)石油需求的不斷增加，陸地石油資源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，因此占全球石油資源總量約1/3的海洋石油資源成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1-5]。海洋平臺(tái)作為海上油氣開發(fā)的主要裝備，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。目前，對(duì)海洋石油資源的開發(fā)逐漸從淺海到深海，從簡(jiǎn)單地質(zhì)到復(fù)雜地質(zhì)擴(kuò)展，這要求海洋平臺(tái)能夠適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境，因此也對(duì)海洋裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高要求。

樁靴是支撐自升式平臺(tái)的最主要構(gòu)件之一，樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響平臺(tái)工作的安全性。板和加筋板是樁靴的主要構(gòu)件，當(dāng)受到的載荷超過一定值時(shí)，板和加筋板的破壞以及板的失穩(wěn)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終破壞。因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中需要同時(shí)考慮屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。本文結(jié)合某高度為106.68 m平臺(tái)的樁靴參數(shù)，通過必要簡(jiǎn)化，使用ABAQUS軟件，建立5種載荷作用條件下樁靴的靜力學(xué)分析模型，并進(jìn)行有限元計(jì)算。利用所得計(jì)算結(jié)果對(duì)樁靴的主要支撐構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，同時(shí)結(jié)合計(jì)算結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考意見。

1 有限元建模

自升式平臺(tái)帶有能夠自由升降的樁腿，作業(yè)時(shí)樁腿下伸到海底，站立在海床上，利用樁腿托起船殼，并使船殼底部離開海面一定的距離（氣隙）。自升式平臺(tái)由平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、樁腿及升降機(jī)構(gòu)組成，其中自升式鉆井平臺(tái)的主船體部分是一個(gè)水密結(jié)構(gòu)，用于承載設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)鉆井采油功能。當(dāng)其浮于海面上時(shí)，主船體部分產(chǎn)生的浮力用于平衡樁腿、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等的重力[6]。本文的研究對(duì)象是平臺(tái)的水下樁腿支撐結(jié)構(gòu)。

通常情況下，通過對(duì)實(shí)體建模進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，但在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于實(shí)體加入了構(gòu)件的板厚和桿件的截面厚度，導(dǎo)致對(duì)板厚進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，由此導(dǎo)致計(jì)算不易收斂。因此采用先利用Solidworks軟件建立樁靴殼單元幾何模型，而后導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，再在ABAQUS中設(shè)置結(jié)構(gòu)所需要的板厚和桿件截面的方法進(jìn)行計(jì)算[7-10]。采用有限元分析軟件劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)不連續(xù)的小構(gòu)件劃分網(wǎng)格較為困難。同時(shí)在分析過程中會(huì)增加計(jì)算時(shí)間和不收斂機(jī)率。因此在創(chuàng)建模型時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)開孔、肘板、樁靴與樁腿的過渡等部位做了必要簡(jiǎn)化。樁靴有限元分析模型如圖1所示。

圖1 樁靴有限元分析模型

2 樁靴所受的載荷

本文分析了5種載荷條件，包括預(yù)壓載工況、偏心工況、風(fēng)暴工況，其中預(yù)壓載工況包括3種不同的載荷形式。

2.1 預(yù)壓載工況

預(yù)壓載工況模擬樁靴逐漸進(jìn)入海床的情景，樁靴的底板與海床接觸的面積逐漸增加，本文取3種接觸直徑來模擬這個(gè)過程，支撐面積是繞中心分布的從最初最小滲透面積，到最終的埋置狀態(tài)面積。預(yù)壓載的3個(gè)工況分別為L(zhǎng)C1、LC2、LC3，與之對(duì)應(yīng)的接觸直徑為3.048、9.114、15.6 m。工況LC1到LC3所受的外載均為84 710 kN。

2.2 偏心工況

海底地貌變化多樣，樁靴與海床不可能完全接觸，時(shí)常出現(xiàn)樁靴一部分與海床接觸，另一部分沒有與海床接觸的偏心現(xiàn)象。為了模擬偏心現(xiàn)象對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，將樁靴承受到的最大支反力均勻加載在樁靴底部50%的受力面積上。其中最大支反力為84 710 kN。

2.3 風(fēng)暴工況

風(fēng)暴工況是指平臺(tái)在遭受極端惡劣環(huán)境作用的條件下，停止工作能夠自保的狀態(tài)。在風(fēng)暴工況中，樁靴受最大的垂向作用力、水平作用力以及最大的樁腿下導(dǎo)向處50%的彎矩。模擬風(fēng)暴工況下結(jié)構(gòu)所受的載荷見表1。

表1 風(fēng)暴工況載荷

3 結(jié)構(gòu)材料特征

由于平臺(tái)所處環(huán)境惡劣，所受載荷變化較大，對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，因此所選材料需要擁有足夠的強(qiáng)度。不同的板厚需要采用相應(yīng)強(qiáng)度的鋼材。其中對(duì)20 mm以下（包括20 mm）板厚的板材選用AH36型鋼，20～40 mm板厚的選用DH36型鋼，超過40 mm、小于100 mm板厚的選用EH36型鋼，而對(duì)于主要支撐構(gòu)件則選用EQ系列超高強(qiáng)度鋼。所選材料屬性見表2。

表2 結(jié)構(gòu)選用材料屬性

4 屈服強(qiáng)度校核結(jié)果

選取樁靴的主要支撐構(gòu)件進(jìn)行分析，通過計(jì)算得出構(gòu)件在所有工況條件下的應(yīng)力值（見表3），并選取構(gòu)件在所有工況條件下的最大應(yīng)力值與結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)，比值小于1為合格。

表3 樁靴應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出，在預(yù)載工況中LC1工況條件下，樁靴主要支撐構(gòu)件的應(yīng)力值為最大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是，在預(yù)載工況條件下樁靴始終受垂直向下的載荷作用，而在樁靴剛開始接觸海床時(shí)樁靴與海床的接觸面積最小，使得海床對(duì)樁靴支撐面積最小，從而導(dǎo)致主要結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件應(yīng)力值最大。當(dāng)樁靴逐漸插入海床，樁靴底部與海床接觸逐漸增加，海床對(duì)樁靴的支撐面積也在增加，使得構(gòu)件的應(yīng)力值隨之下降。這說明在平臺(tái)坐入海底的過程中，樁靴剛開始接觸海床時(shí)的結(jié)構(gòu)受力最大。

從表3徑向艙壁一欄發(fā)現(xiàn)，徑向艙壁在5種載荷條件下的應(yīng)力值，較相同條件下的其他構(gòu)件應(yīng)力值都要大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：徑向艙壁支撐著樁靴的頂板和底板，此外環(huán)形艙壁1、環(huán)形艙壁2、環(huán)形艙壁3都與它相交，這使得徑向艙壁既承擔(dān)垂直方向的受力，又承擔(dān)水平方向的受力。因此徑向艙壁在所有工況條件下的應(yīng)力較其他構(gòu)件都大。

5 板的屈曲強(qiáng)度校核

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高強(qiáng)度鋼在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用變得十分廣泛。由于高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，使得以拉應(yīng)力為主要特征的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題不再成為主要影響因素，因而結(jié)構(gòu)在同等受力條件下，采用高強(qiáng)度鋼的結(jié)構(gòu)板厚大大減小。然而板厚的減小，使得由壓應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)，構(gòu)成對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全的挑戰(zhàn)。本文依據(jù)有關(guān)規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)高應(yīng)力區(qū)域的板和加筋板進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。

式中：σxmax為縱向最大壓應(yīng)力，N/mm2；σymax為橫向最大壓應(yīng)力，N/mm2；τ為邊緣切應(yīng)力，N/mm2；σcx為縱向臨界應(yīng)力，N/mm2；σcy為橫向臨界應(yīng)力，N/mm2；τc為邊緣臨界切應(yīng)力，N/mm2；η為最大許用強(qiáng)度利用系數(shù)，取0.8。屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果見表4。

6 樁靴主要構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

樁靴主要構(gòu)件的Mises應(yīng)力云圖見圖2～3。

從圖3（a）、（b）、（d）可以發(fā)現(xiàn)，在樁靴受力時(shí)，在構(gòu)件與構(gòu)件的接觸部位顏色較深，說明此處應(yīng)力值較大，當(dāng)遠(yuǎn)離接觸部位時(shí)，云圖顏色逐漸變淺，應(yīng)力值也逐漸下降。說明在同樣的載荷作用下，構(gòu)件邊緣部分和構(gòu)件與構(gòu)件接觸部分應(yīng)力較大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，相互接觸的構(gòu)件越多，應(yīng)力最大。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，平臺(tái)建造中最常使用對(duì)接接頭的焊接形式，而這種接頭形式使得焊趾處截面突變，結(jié)構(gòu)均勻性受到破壞。然而當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀出現(xiàn)急劇變化時(shí)，構(gòu)件局部應(yīng)力增加引起應(yīng)力集中。整個(gè)樁靴結(jié)構(gòu)是由不同厚度的板和桿件，通過焊接連接成一個(gè)整體的，而在構(gòu)件與構(gòu)件接觸部分，需要焊接的部分較其他部分較多，從而在這些區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中。觀察圖3（b）、（c）、（d） 發(fā)現(xiàn)，在環(huán)形艙壁的云圖中，顏色較深區(qū)域均按120°分布，與主要徑向艙壁分布一致。這說明徑向構(gòu)件是主要支撐構(gòu)件，并影響到與之相接處的板的應(yīng)力值。環(huán)形艙壁1～4的云圖顏色變化不明顯，說明環(huán)形艙壁所承擔(dān)的載荷較小。

圖2 樁靴頂板、底板構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

圖3 樁靴艙壁、底部三角形構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

7 結(jié)論

（1）從計(jì)算結(jié)果可得，所選主要支撐構(gòu)件在屈曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度方面都滿足規(guī)范要求。

（2）通過對(duì)比屈曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果得出：主要支撐構(gòu)件在多數(shù)載荷條件下所受作用力都較大，往往這些區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足要求，或者最大應(yīng)力值比許用應(yīng)力值小。同時(shí)在這些區(qū)域板的屈曲強(qiáng)度也較小，失穩(wěn)的可能性較大。

（3）通過屈曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果得到，高強(qiáng)度鋼的采用對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較大。

（4）由于樁靴受不均勻載荷作用，導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為普遍。根據(jù)應(yīng)力云圖分析，在環(huán)形艙壁與徑向艙壁相交的部位應(yīng)力較大。建議在該相交部位使用強(qiáng)度更高的材料，以及在該部位采用圓角過渡來減少應(yīng)力集中。

（5）樁靴外板由不同板厚和不同強(qiáng)度鋼拼接而成，在板與板過渡位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。