海洋工程結(jié)構(gòu)滑靴傳力有限元分析

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

圖1 滑靴在工程中的應(yīng)用

海洋工程結(jié)構(gòu)物一般先在陸地上的滑道進行預(yù)制、組對、總裝、調(diào)試，然后再裝船運輸?shù)胶Ｉ习惭b。為減小滑道地基承載力，同時便于海洋工程結(jié)構(gòu)物在裝船時的拖拉滑行，海洋工程結(jié)構(gòu)物建造過程中通常需使用一種臨時結(jié)構(gòu)物作為底部支撐，并完成滑移裝船工作。該支撐結(jié)構(gòu)被稱作滑靴[1]，如圖1所示。海洋工程結(jié)構(gòu)物與滑靴通過焊接連接，其重量通過滑靴傳遞至滑靴下的滑道墊塊，滑道墊塊再傳力至下面的滑道，滑道墊塊對滑道的作用力不可超過滑道的實際承載力。

隨著海洋石油工業(yè)和海洋工程技術(shù)的迅速發(fā)展，海洋工程結(jié)構(gòu)物正朝著大型化邁進，由原來的幾百噸、幾千噸增加到現(xiàn)在的上萬噸。在實際工程項目中，經(jīng)常出現(xiàn)滑靴支反力接近滑道承載力或超過滑道承載力的情況。為避免該問題，對滑靴傳力進行研究：一方面，防止實際支反力超過滑道承載力的情況出現(xiàn)，避免安全事故；另一方面，節(jié)省工程成本，避免將滑靴設(shè)計得過大、過強，浪費材料。

圖2 滑靴傳力示例

建立滑靴有限元計算模型，對常見的3種滑靴進行傳力分析，并與傳統(tǒng)手工計算方法作對比，得到使用不同結(jié)構(gòu)形式的滑靴對滑道承載力的實際要求，有效減少海洋結(jié)構(gòu)物在建造過程中的工程費用和項目風(fēng)險，提升海洋工程制造水平，具有良好的工程應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)滑靴傳力分析

對于滑靴如何傳力，傳統(tǒng)的簡單算法有兩種：滑靴45°傳力、滑靴完全傳力，如圖2所示。

1.1 滑靴45°傳力

海洋工程結(jié)構(gòu)物立柱對滑靴的作用力為F，立柱直徑D，滑靴總高度Hs(包括滑靴及其下墊木)，滑道墊塊高度Hc。滑靴按照45°進行力的傳遞，混凝土滑道墊塊也按照45°傳力，則力對滑道的有效作用長度L=D+2(Hs+Hc)?；莱休d力須不小于Q=F/L=F/[D+2(Hs+Hc)]，單位為t/m。

1.2 滑靴完全傳力

滑靴按照完全剛性考慮，滑靴底面長度為Ls，滑靴底面與滑道墊塊之間均勻傳力，混凝土滑道塊按照45°傳力，則力對滑道的有效作用長度L=Ls+2Hc?；莱休d力須不小于Q=F/L=F/(Ls+2Hc)，單位為t/m。

雖然滑靴由鋼板焊接制造而成，但也不是完全剛性結(jié)構(gòu)，其整體剛度與其結(jié)構(gòu)形式相關(guān)，因此上述兩種算法只能進行簡單的估算。

1.3 算例

對于某工程項目，海洋工程結(jié)構(gòu)物立柱對滑靴的作用力為F=2 322.7 t，立柱直徑D=2 413 mm，滑道墊塊高度Hc=3.3 m。如果選用長度Ls=6.5 m、高度Hs=0.7 m的滑靴：根據(jù)滑靴45°傳力，則滑道承載力須不小于Q=223 t/m；按照滑靴完全傳力，則滑道承載力須不小于Q=177 t/m。根據(jù)滑道設(shè)計說明書，滑道實際承載力為210 t/m，故無法判定滑道承載力是否滿足此工程項目需求。

2 滑靴傳力有限元分析

有限元分析廣泛應(yīng)用于工程項目的設(shè)計計算，利用有限元模擬可得到各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，進而可對結(jié)構(gòu)物進行整體和局部強度評估、反力計算、優(yōu)化設(shè)計等工作。

2.1 有限元模型建立

圖3 6.5 m長滑靴有限元模型

選取以往項目中常見的3種滑靴，其結(jié)構(gòu)幾何尺寸如表1所示，建立有限元模型，如圖3～圖5所示。

表1 滑靴幾何尺寸

圖4 10.0 m長滑靴有限元模型 圖5 15.0 m長滑靴有限元模型

建立的三維全尺寸有限元模型包括滑靴、滑靴下墊木和海洋工程結(jié)構(gòu)物的立柱。海洋工程結(jié)構(gòu)物的上部重力載荷由立柱傳遞到滑靴，滑靴下墊木可分散上部載荷。滑靴采用殼單元Shell 63，材料為鋼材；立柱采用實體單元Solid 185，材料為鋼材；墊木采用實體單元Solid 185，材料為木材。材料參數(shù)[2]如表2所示。

表2 材料參數(shù)

2.2 載荷工況計算

海洋工程結(jié)構(gòu)物立柱對滑靴的作用力F=22 762.541 kN，立柱直徑D=2 413 mm，利用有限元軟件對滑靴傳力進行分析[3]，得到第2.1節(jié)所述3種滑靴沿滑靴長度方向的支反力分布。由于滑道實際承載力單位為t/m，因此按每米長度進行支反力求和，得到此工況下各滑靴對滑道承載力的需求。各長度滑靴支反力分布和滑道承載力需求如圖6～圖11所示?？梢钥闯?，滑靴在立柱載荷作用下，沿長度方向的傳力變化不是按照45°的趨勢，也不是完全剛性的均勻傳力，而是滑靴中心區(qū)域受力最大，往兩端逐漸減小，滑靴結(jié)構(gòu)不同，支反力減小的趨勢也不同。

圖6 6.5 m長滑靴支反力分布 圖7 使用6.5 m長滑靴時滑道承載力需求

圖8 10.0 m長滑靴支反力分布 圖9 使用10.0 m長滑靴時滑道承載力需求

圖10 15.0 m長滑靴支反力分布 圖11 使用15.0 m長滑靴時滑道承載力需求

提取各滑靴對滑道承載力需求的最大值，如表3所示。

表3 滑道承載力需求最大值

由于滑道實際承載力為210 t/m，6.5 m長滑靴對滑道的最大承載力需求為262 t/m，因此6.5 m長滑靴不能滿足此項目需求。10.0 m長滑靴和15.0 m長滑靴的滑道承載力需求均小于滑道實際承載力，均可滿足此項目需求。但是,15.0 m長滑靴較10.0 m長滑靴用料更多，需花費更多材料和人工成本，因此推薦使用10.0 m長滑靴。

3 結(jié) 論

本文通過建立滑靴有限元計算模型，對常見的3種滑靴進行傳力分析，并與傳統(tǒng)手工計算方法進行對比，結(jié)論如下：

(1) 滑靴傳力的有限元分析與傳統(tǒng)簡單傳力算法相比，可得到更真實的滑靴傳力趨勢。

(2) 滑靴既不是45°傳力也不是均勻傳力，滑靴支反力沿滑靴長度的分布與滑靴結(jié)構(gòu)形式相關(guān)。

(3) 有限元計算分析表明，使用6.5 m長滑靴的承載力需求超過滑道實際承載力，6.5 m長滑靴不適用于此工程項目。

(4) 10.0 m長滑靴和15.0 m長滑靴均滿足此項目使用需求，但從經(jīng)濟性方面考慮，推薦使用10.0 m長滑靴。

滑靴傳力的有限元分析在經(jīng)濟性和安全性上均具有較大優(yōu)勢，利于有效減少海洋結(jié)構(gòu)物在建造過程中的工程費用和項目風(fēng)險，提升海洋工程制造水平，其應(yīng)用前景十分廣闊。