自升式平臺風(fēng)暴自存狀態(tài)樁腿強(qiáng)度計(jì)算分析

武少波，王初龍

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海200231）

0 引言

自升式平臺作為一種可移動式海洋結(jié)構(gòu)物，具有定位能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好、海上適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，在大陸架海域油氣資源的勘探與開發(fā)中占有重要地位。許多對作業(yè)狀態(tài)站立穩(wěn)性要求較高的風(fēng)力發(fā)電安裝平臺也采用自升式平臺結(jié)構(gòu)。

自升式平臺在服役期間受到風(fēng)、浪、流等多種復(fù)雜環(huán)境載荷的聯(lián)合作用[2]，由于環(huán)境載荷的復(fù)雜性，對平臺結(jié)構(gòu)的安全性也提出了很高的要求。自升式平臺主要由平臺主體、樁腿、升降機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、生活設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)備等組成[3]。樁腿是自升式平臺的關(guān)鍵部件，樁腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到平臺的整體安全性，需要對樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析[4]。

本文以上海中遠(yuǎn)船務(wù)設(shè)計(jì)制造的K5-MOPU自升式平臺為研究對象，基于ABS MODU等相關(guān)規(guī)范[5]相關(guān)要求，利用SACS有限元軟件對樁腿在風(fēng)暴自存狀態(tài)下的環(huán)境載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析與校核，可以為相似工程提供借鑒。

1 計(jì)算模型簡介

本文以K5-MOPU自升式平臺為研究對象，平臺主體為四樁腿矩形布置形式，平臺樁腿為桁架式結(jié)構(gòu)。平臺的主要參數(shù)如表所示。

在進(jìn)行SACS有限元計(jì)算分析模型建模時，除樁腿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)采用彈簧單元模擬外，其他結(jié)構(gòu)均采用梁單元進(jìn)行模擬，有限元模型如圖1所示，邊界條件為簡支。

表1 平臺主尺度（單位：m）

圖1 平臺有限元模型圖

2 計(jì)算工況與載荷

自升式平臺的主要工作工況包括：作業(yè)工況、遷航工況、升降工況和風(fēng)暴自存工況。一般情況下，平臺在風(fēng)暴自存工況下受到的外載荷最大，平臺結(jié)構(gòu)最為危險(xiǎn)，因此本文選取風(fēng)暴自存工況作為研究對象。風(fēng)暴自存工況主要環(huán)境參數(shù)見表。風(fēng)暴自存狀態(tài)自升式平臺承受的載荷可分為環(huán)境載荷和重量載荷2大類。

表2 環(huán)境參數(shù)

2.1 重量載荷

重量載荷主要包括空船重量、固定載荷、可變載荷和設(shè)備載荷。重量載荷見表，計(jì)算分析時，重量載荷以均布壓力的形式施加在平臺主體上。

表3 重量載荷

2.2 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷包括風(fēng)、浪、流載荷，參照ABS MODU規(guī)范和SNAME規(guī)范環(huán)境載荷計(jì)算要求?？紤]平臺結(jié)構(gòu)的對稱特點(diǎn)，計(jì)算時選取 0o、30o、60o、90o、120o、150o和180o作為計(jì)算工況。

1）風(fēng)載荷

風(fēng)載荷計(jì)算時，計(jì)算風(fēng)壓按照式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：P為風(fēng)載荷，N/m2；Vk為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)。

作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷為

式中：P為計(jì)算風(fēng)壓，N/m2；A為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)投影面積，m2。

2）波浪載荷

樁腿受到的波浪載荷按照莫里森公式，采用斯托克斯5階波理論進(jìn)行計(jì)算。

式中：Fw為單位長度波浪力，kN/m；FD為單位長度拖曳力，kN/m；FI為單位長度慣性力，kN/m。分別按照式（4）和式（5）進(jìn)行計(jì)算，波浪繞射力忽略不計(jì)。

式中：C為系數(shù)，取1.025；D為構(gòu)件寬度，m；CD為拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；un為波速（構(gòu)件法線方向），m/s；αn為波浪加速度（構(gòu)件法線方向），m/s2。

3）海流載荷

海流載荷通過將流速與波速疊加，共同代入到莫里森公式中進(jìn)行計(jì)算。

2.3 動態(tài)放大因子

自升式平臺在波浪和海流等動態(tài)環(huán)境載荷作用下會發(fā)生振動響應(yīng)，自升式平臺動力響應(yīng)的理論分析方法主要有時域分析法、頻域分析法和動力放大系數(shù)法[6]。本文參考SNAME[7]規(guī)范采用動態(tài)放大因子法研究平臺在外載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)。動態(tài)放大因子采用SDOF法將平臺簡化為單自由度系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見式（6）。

式中：Ω為平臺自然頻率與波浪頻率之比，Ω=Tn/T，其中 Tn為平臺振動周期，T為波浪周期；ξ為阻尼因子。

2.4 P-Δ效應(yīng)

樁腿強(qiáng)度計(jì)算分析時，需要考慮平臺側(cè)向位移產(chǎn)生的二次彎矩，即P-Δ效應(yīng)。

式中：W為平臺重量，N；Δ為平臺側(cè)向位移，m。

等效 P-Δ力 FP-□=MP-□/l，其中 l為計(jì)算樁腿長度，m。

根據(jù)以上方法，分別計(jì)算風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，載荷計(jì)算結(jié)果見圖2和圖3，并將載荷按計(jì)算工況分別施加在平臺有限元模型上。

圖2 環(huán)境載荷基礎(chǔ)剪力

圖3 環(huán)境載荷傾覆力矩

3 計(jì)算結(jié)果分析與校核

根據(jù)規(guī)范要求，需要分別對樁腿屈服強(qiáng)度、鎖緊裝置承載能力、地基承載能力和預(yù)壓載能力以及平臺的抗傾穩(wěn)性進(jìn)行校核。

3.1 樁腿屈服強(qiáng)度校核

根據(jù)AISC[8]規(guī)范樁腿屈服強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)，對不同浪向角工況下樁腿結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行校核，樁腿結(jié)構(gòu)最大屈服強(qiáng)度利用率見表。

樁腿最大屈服強(qiáng)度利用率值出現(xiàn)在 0°浪向角工況，該工況下環(huán)境載荷也是所有工況中最大的，在此工況下，樁腿屈服強(qiáng)服滿足要求。

3.2 地基承載能力和預(yù)壓載能力校核

為防止在樁腿產(chǎn)生不均勻下沉導(dǎo)致的平臺傾斜或傾覆事故的產(chǎn)生，需要對平臺地基的預(yù)壓載能力進(jìn)行校核，平臺單個樁腿預(yù)壓載力為79640Kn。預(yù)壓載能力校核結(jié)果見表5。

表5 預(yù)壓載能力校核

除了對預(yù)加載能力進(jìn)行校核以外，還需要對平臺地基剪切承載能力進(jìn)行校核，各工況地基剪切承載能力校核結(jié)果見圖4。

表4 樁腿強(qiáng)度校核

圖4 地基剪切承載能力校核曲線

計(jì)算結(jié)果表明在各計(jì)算工況作用下，地基承載能力和預(yù)加載能力均滿足要求。其中在 30°浪向角工況下，平臺地基承受載荷最大。

3.3 鎖緊裝置承載能力校核

樁腿和平臺主體連接的鎖緊裝置直接關(guān)系到平臺的安全，按照規(guī)范要求，需要對鎖緊裝置的承載能力進(jìn)行校核。單個鎖緊裝置最大設(shè)計(jì)鎖緊力為44480kN，鎖緊裝置承載能力校核結(jié)果見表6，鎖緊能力滿足要求。

表6 鎖緊裝置承載能力校核

3.4 平臺抗傾穩(wěn)性校核

平臺傾覆力矩主要由風(fēng)浪流載荷傾覆力矩、慣性力傾覆力矩和 P-Δ效應(yīng)傾覆力矩組成，根據(jù)環(huán)境載荷計(jì)算結(jié)果，在0°浪向角工況時平臺受到的傾覆力矩最大，按照規(guī)范要求，對該工況平臺的抗傾穩(wěn)性進(jìn)行校核，校核結(jié)果見表 7，平臺在風(fēng)暴自存狀態(tài)下的抗傾穩(wěn)性滿足要求。

表7 平臺抗傾穩(wěn)性校核

4 結(jié)論

本文以K5-MOPU自升式平臺為研究對象，對其在風(fēng)暴自存狀態(tài)下的樁腿強(qiáng)度進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算分析。分析結(jié)果表明：

1）平臺樁腿強(qiáng)度、鎖緊裝置能力、地基承載能力和平臺抗傾穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求，平臺設(shè)計(jì)合理；

2）0°浪向角工況環(huán)境載荷最大，樁腿結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度利用率較高，需要在進(jìn)一步的計(jì)算分析中重點(diǎn)關(guān)注。