墜物參數(shù)對半潛式起重平臺甲板結(jié)構(gòu)損傷的影響研究

張 磊，羅貴星，劉為民，劉建成，徐立新

(1.中國船舶集團有限公司第七〇八研究所，上海 200011；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引言

半潛式起重平臺是集重型起重、安裝、改裝、退役和拆除等于一體的大型海上結(jié)構(gòu)物，在吊運過程中一旦發(fā)生跌落事故，會危及平臺結(jié)構(gòu)及人員安全[1]。重物跌落對平臺的影響差異主要體現(xiàn)在不同接觸形式以及不同的接觸位置和角度上[2]，因此，有必要探究跌落場景中各參數(shù)對于結(jié)構(gòu)損傷的敏感性，從而對甲板抗沖擊性能進行優(yōu)化。

目前國內(nèi)外圍繞跌落沖擊問題開展了多方面研究。B G Jung[3]對甲板結(jié)構(gòu)進行了沖擊試驗及數(shù)值模擬，分析了結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。夏侯命勝等[4]模擬了鉆臺不同構(gòu)件下的失效過程，最終得到了墜物載荷作用下相關(guān)結(jié)構(gòu)簡化評估方法，為類似實際工程問題提供參考。劉偉等[5]通過數(shù)值仿真研究鉆鋌墜落對鉆臺甲板沖擊損傷，通過討論非線性有限元求解技術(shù)，研究適合于墜物與鉆臺甲板碰撞分析的數(shù)值仿真方法。Gong Xiang 等[6–7]研究發(fā)現(xiàn)跌落角度、法向阻力系數(shù)和滾動頻率是決定運動軌跡的三大關(guān)鍵因素。孫曉東等[8]通過梳理跌落事故數(shù)據(jù)和分析方法、邊界條件，同時驗證了方法的適用性和合理性。王醍等[9]研究甲板板架在鉆鋌撞擊下的動態(tài)損傷行為，總結(jié)了計算板架被穿透時的臨界變形能公式。周世博[10]對立管跌落到平臺甲板進行了數(shù)值仿真，運用優(yōu)化算法SAPSO 與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，對海洋平臺進行了墜物沖擊損傷分析。余峙偉等[11]對水下管匯受錨機跌落的影響進行研究，得到不同防護板厚下吸能比率和變形抗性，研究發(fā)現(xiàn)5～8mm 的防護板厚較為合理。

本文基于非線性動力學理論以某半潛式平臺為對象，選取典型的跌落模塊，采用Ls-dyna 軟件對平臺甲板損傷開展研究，分析墜物不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響，提出了安全作業(yè)建議。

1 模型及相關(guān)參數(shù)

在接觸形式上，墜物主要分扁長型和方圓型；在跌落位置上，主要分以沖擊點位置（縱骨及橫梁等）進行劃分。本文采用4 種墜物模型，選取導管架結(jié)構(gòu)作為典型的大型細長型結(jié)構(gòu)物，導管架平臺上甲板局部結(jié)構(gòu)為典型的大型方形結(jié)構(gòu)物。如表1 所示，導管架結(jié)構(gòu)長寬高尺寸為25 m×25 m×90 m，導管架上甲板結(jié)構(gòu)共3 層，長寬高尺寸為40 m×22 m×16 m，包含甲板、縱骨、橫梁和支柱等主要結(jié)構(gòu)。針對墜物不同位置的損傷影響時細長型墜物的選取為長10 m，直徑250 mm，重量3 t的細桿；方形墜物為20 GP 標準集裝箱，尺寸為6.058 m×2.438 m×2.591 m，考慮其配貨后整體重量為20 t。進行敏感性分析時，所有墜物均為普通結(jié)構(gòu)鋼，對導管架、甲板板及集裝箱墜物采用彈塑性材料，而細桿屬于扁長型墜物由于其危險性需按規(guī)范要求用剛體進行計算。

表1 墜物主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of falling objects

本文半潛式起重平臺上船體高11.30 m，主甲板長81.00 m，寬81.00 m，模型范圍為主甲板向下的整個甲板室結(jié)構(gòu)，整體采用高強度鋼，并根據(jù)分析要求對結(jié)構(gòu)進行次要性簡化和板厚平鋪，其中甲板結(jié)構(gòu)非跌落區(qū)域平均網(wǎng)格尺寸為375 mm，跌落細化區(qū)域平均網(wǎng)格尺寸為75 mm，導管架平均網(wǎng)格尺寸為200 mm。在進行位置敏感性分析中的主甲板尺寸為18 m×22.5 m，甲板板厚16 mm，縱骨尺寸為HB220 mm×10 mm，縱桁尺寸為750 mm×15 mm/350 mm×30 mm，橫梁尺寸為1 000 mm×20 mm /400 mm×35 mm。通過剛性固定遠離平臺的跌落區(qū)域的節(jié)點，作為跌落模擬的邊界條件[12]。

表2 彈塑性材料（C-S DYMAT24）參數(shù)Tab.2 Elastic-plastic materials（C-S DYMAT24）parameters

2 跌落角度敏感性分析

真實跌落事故大概率發(fā)生在移動過程中，墜物在與平臺接觸時并非豎直向下，而是具有一定的偏移角。半潛式起重平臺屬于漂浮于海面上的結(jié)構(gòu)物，自身存在運動，同時環(huán)境載荷也會作用到墜物之上，有必要研究跌落角度對跌落損傷的影響。DNV 規(guī)定在研究浮體上的墜物影響時必須考慮5°～10°的傾斜，本文考慮0°，2°，4°，6°，8°，10°六個不同角度，并定義豎直跌落時為0°。

2.1 損傷變形情況

不同角度墜物的深度曲線如圖1 和圖2 所示。角度為10°時，相同時間內(nèi)，甲板的位移最大，墜物對甲板下結(jié)構(gòu)威脅最大。最大沖擊深度隨角度增大呈線性增長，墜物角度每增加2°時，導管架撞深增幅約為0.1 m左右，說明跌落角度對于大型結(jié)構(gòu)的影響較大。對于吊運的導管架甲板結(jié)構(gòu)，在不同角度下發(fā)生跌落也有所不同，角度小于6°時，導管架平臺甲板結(jié)構(gòu)左右損傷差異不大，主要以最下一甲板的桁材的壓潰為主，分布比較平均；隨著角度增加，管架平臺甲板結(jié)構(gòu)左右損傷差異增大，先接觸的一側(cè)損傷更為嚴重。因此在吊升中應(yīng)注意在保證作業(yè)設(shè)備（吊機、鋼絲繩等）正常運轉(zhuǎn)的同時，還需注意對拆解模塊擺動的控制及平臺六自由度運動的補償，以盡量減少事故發(fā)生后帶來的嚴重后果。

圖1 不同角度下導管架跌落深度曲線Fig.1 Drop depth curve of jacket under different angles

圖2 不同角度下導管架平臺甲板跌落深度曲線Fig.2 Drop depth curve of jacket platform deck at different angles

表3 跌落角度敏感性分析工況Tab.3 Sensitive analysis conditions for drop angles

2.2 結(jié)構(gòu)吸能情況

圖3 和圖4 為不同場景的板架吸能變化和墜物動能變化曲線。在導管架跌落中，墜物角度為2°時，甲板變形能最小6.43×107J，當角度逐漸增大時，甲板變形能隨之增大；當墜物角度為10°時，甲板吸能達最大值為8.86×107J。當角度為8°，10°時，導管架在0.6 s 時基本停在甲板上，隨后動能慢慢減小，伴隨有傾倒趨勢；其他角度下跌落后，導管架在接觸甲板后均迅速彈起，且角度越小，回彈越快；墜物角度為10°時，導管架動能在1 s 時最小為6.11×107J，甲板此刻吸收的變形能也較其他角度大。

圖3 板架變形能時歷曲線Fig.3 Time history curve of energy absorption

圖4 墜物動能時歷曲線Fig.4 Time history curve of jacket deck kinetic energy

在甲板模塊跌落中，甲板吸收能量變化趨勢基本相同，甲板變形能在墜物0°跌落時最大為4.71×108J，在10°跌落時最小為4.34×108J。通過查看板架結(jié)構(gòu)的臨界變形能及甲板破裂時刻，不難發(fā)現(xiàn)平臺甲板開始發(fā)生失效的時間隨角度增大而減小，甲板的臨界變形能也隨角度增大而減小，可見該場景中隨著墜物角度增大，起重平臺更容易破裂。除墜物角度為0°工況，甲板墜物的動能在接觸后均是有所增加隨后才開始減少，這是因為在考慮角度的跌落場景中，墜物在接觸甲板后其重心還在下降中，而初始接觸區(qū)域的結(jié)構(gòu)并不能完全吸收墜物的動能，進而阻止其運動。

2.3 沖擊力情況

圖5 為導管架不同角度跌落下的沖擊力時歷曲線?？傮w上看，沖擊力在接觸的一瞬間迅速增大，角度越小，增速越快。角度為0°時，沖擊力峰值最大為1.28×108N，沖擊力峰值隨著傾斜角度的增大而減小，但其非線性程度卻隨角度增大顯得更加劇烈。當導管架呈10°跌落時，跌落沖擊力非線性程度最為劇烈，在整個過程中都不斷反復加載卸載，對甲板的威脅最大。

圖5 沖擊力-時歷曲線（導管架）Fig.5 Impact force-time history curve（jacket）curve（deck）

圖6 為導管架平臺甲板不同角度跌落下的沖擊力時歷曲線。角度為0°時，沖擊力峰值最大為1.20×108N，最小是6°時的峰值7.29×107N。隨著傾斜角度的增大，沖擊力峰值開始減小，當角度大于6°后，峰值開始回升。

圖6 沖擊力-時歷曲線（上甲板）Fig.6 Impact force-time history curve（deck）

3 跌落位置敏感性分析

半潛式起重平臺中的甲板結(jié)構(gòu)包括甲板板、縱骨和橫梁（桁材）?，F(xiàn)實中墜物可能跌落到甲板的任意位置，但都會和以上結(jié)構(gòu)接觸，即物體跌落在甲板面上（兩縱骨之間）、物體跌落在縱骨面上、物體跌落在橫梁面（艙壁面）上。本文根據(jù)甲板構(gòu)件的不同選取3 種典型的跌落場景，在分析時認為細桿墜物為豎直下落，集裝箱墜物箱角處與甲板呈45°接觸。

3.1 損傷變形情況

不同角度墜物的深度曲線如圖7 和圖8 所示?？梢钥闯?，細桿在相同高度下的跌落時甲板位移基本保持在同一水平，10 m，20 m，30 m 分別在0.043 m，0.055 m，0.062 m 附近。跌落在縱骨上時，細桿都會對甲板面造成破壞并穿透，并且甲板板架骨材首先發(fā)生破裂繼而甲板面被全部穿透。而撞擊點在橫梁上及橫梁和骨材交匯處時，橫梁首先因為壓潰而破裂，甲板只是產(chǎn)生了很大的塑性變形，但是并沒有發(fā)生破裂。

圖7 不同角度下細桿跌落深度曲線Fig.7 Drop depth curve of thin rod under different angles

圖8 不同角度下集裝箱跌落深度曲線Fig.8 Drop depth curve of container at different angles

集裝箱跌落在縱骨上時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱骨上，當進一步接觸時，縱骨首先達到最大塑性失效應(yīng)變，產(chǎn)生破裂。集裝箱跌落在橫梁上時，最大應(yīng)力值首先出現(xiàn)在縱骨、橫梁與甲板平面的交匯點處，直到接觸處縱骨徹底毀壞，繼而板架結(jié)構(gòu)按照集裝箱的截面形式進一步破壞。集裝箱跌落在橫梁與縱桁交匯處上時情況與跌落在橫梁上類似。

綜上，不同跌落場景中，墜物跌落在縱骨上破壞形式最為嚴重，甲板的臨界變形能比其他情況小的多，墜物跌落在骨材上時，首先出現(xiàn)破壞的點都在骨材的腹板上，墜物跌落在縱骨上時，甲板面兩邊的骨材腹板上的應(yīng)力值也很大。

3.2 結(jié)構(gòu)吸能情況

板架變形能、墜物動能時歷曲線如圖9 和圖10所示。在細桿跌落中，墜物跌落在橫梁上時甲板吸收的變形能最大，墜物動能下降接近0，在0.02 s 后，少量的板架變形能又開始改變?yōu)榧殫U的動能，細桿會發(fā)生反彈運動，其他2 種場景同樣會發(fā)生類似情況。對比同樣的高度，可以看出跌落在縱骨上時墜物的動能下降最小，這對于甲板結(jié)構(gòu)是最不利的。

圖9 板架變形能時歷曲線Fig.9 Time history curve of energy absorption

圖10 墜物動能時歷曲線Fig.10 Time history curve of jacket deck kinetic energy

集裝箱跌落到橫梁上時，墜物動能消耗最快，并且從集裝箱的運動上頂中可以看出，首次碰撞結(jié)束后，集裝箱還會發(fā)生反彈，因此，集裝箱的動能會有小幅回升，板架變形能會有小幅下降。另2 種情況能量轉(zhuǎn)化方式基本相同。最后墜物的動能將被全部消耗，墜物靜止在甲板面上。可見跌落接觸下部支撐結(jié)構(gòu)越強，箱型墜物撞擊后越容易發(fā)生反彈。

3.3 沖擊力情況

圖11 為細桿不同角度跌落下的沖擊力時歷曲線，跌落在橫梁縱桁交匯上時，沖擊力在瞬間急速上升，最大沖擊力達6.48×106N，遠高于另外2 種情況，隨后沖擊力的下降也更快，相比另外2 種場景，結(jié)束后沖擊力依舊處于較高的水平上，說明該場景是3 種跌落場景中最劇烈的。對比不同場景的沖擊力加載、卸載持續(xù)時間，發(fā)現(xiàn)跌落在縱骨上時最短，此時甲板最容易被墜物擊穿而破裂。

圖11 沖擊力-時歷曲線（細桿）Fig.11 Impact force-time history curve（thin rod）

圖12 為集裝箱不同角度跌落下的沖擊力時歷曲線，可以看出該過程具有強烈的非線性。墜物撞擊到橫梁交匯處上時，沖擊力最大，相對于其他情況來說，沖擊力在一個相對較長的時間內(nèi)在一個較高的水平內(nèi)波動，而其他2 種情況，尤其是墜物撞擊到縱骨上時，沖擊力峰值點較為顯著。

綜上分析，跌落點下方支撐構(gòu)件越強，墜物動能消耗越迅速，沖擊力在一個較高的水平內(nèi)波動時間越長，對下方構(gòu)件安全威脅越小。

4 結(jié) 語

本文以半潛式起重平臺甲板為研究對象，運用非線性有限元軟件Ls-dyna 對不同跌落參數(shù)下的結(jié)構(gòu)抗沖擊性能進行分析，詳細研究了不同跌落角度、跌落區(qū)域及接觸形式對結(jié)構(gòu)的影響，得到以下主要結(jié)論：

1）當?shù)浣嵌葹?°時，甲板的變形程度最低，不同墜物跌落時的甲板變形分別為0.06 m 和0.13 m，10°時均對甲板造成了最為嚴重的損傷，且墜物向一側(cè)傾倒的趨勢最大。

2）不同墜物跌落在甲板縱骨上時甲板破裂的臨界變性能最小，吸能最小，甲板吸能分別為9.47×105J和5.36×108J，跌落在橫梁縱桁交匯處時臨界變性能最大，吸能最大，甲板板吸能分別為8.38×105J 和4.50×106J。

3）墜物在接觸到下部結(jié)構(gòu)時會產(chǎn)生向重心反向的滑動，甲板吸能隨角度增加而增加，跌落沖擊點下構(gòu)件的局部剛度越強，損傷變形越小。

4）細長型墜物容易穿透甲板，對細長型墜物須嚴格控制吊升高度；橫向跨距過大的墜物在大角度下會對甲板造成嚴重局部損傷，在吊運時應(yīng)注意盡量水平調(diào)運，以防傾倒。