浮力塔平臺(tái)吸力樁承載力研究

潘徐杰，杜守繼，CHEN Weimin，WANG Ge，方智超

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.Wison Offshore Technology Inc.,Houston 77042）

0 引 言

浮力塔平臺(tái)是由TLP 平臺(tái)及Spar 平臺(tái)的發(fā)明人Edward E.Horton 與順應(yīng)式平臺(tái)及牽索塔平臺(tái)的發(fā)明人Lyle David Finn 共同提出的一個(gè)新的工作平臺(tái)形式[1]。浮力塔采用類似Spar平臺(tái)的塔體，與之不同的是，浮力塔通過(guò)底部的吸力樁將塔體及上部結(jié)構(gòu)固定在海床上，同時(shí)采用順應(yīng)式平臺(tái)的理念隨波浪運(yùn)動(dòng)，并且憑借重力與浮力組成的力矩回復(fù)。浮力塔多年運(yùn)營(yíng)已證明了該技術(shù)的可靠性[2]。在浮力塔平臺(tái)中，吸力樁是一個(gè)核心環(huán)節(jié)，它在支持浮力塔主體及上層建筑的同時(shí)，也承受著上部傳遞下來(lái)的風(fēng)、浪、流力，并且吸力樁的約束也改變了浮力塔的運(yùn)動(dòng)特征。由此可見，浮力塔吸力樁基礎(chǔ)的承載特性極其重要[3]。

吸力樁又被稱為吸力沉箱、吸力錨、負(fù)壓錨或桶形基礎(chǔ)等，是一種底部敞開、上端封閉的鋼制圓桶結(jié)構(gòu)，也可以做成箱型或其他形狀的結(jié)構(gòu)。1994年7月挪威國(guó)家石油公司建成的一座新型大型導(dǎo)管架平臺(tái)Europipe16/11E，成功地采用了吸力樁作為其基礎(chǔ)，這也被認(rèn)為是吸力樁在海洋工程中的首次正式運(yùn)用[4-7]。隨著Europipe16/11E多年的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，吸力樁的優(yōu)勢(shì)逐步被接受，各方面的研究也逐步展開，這些工作包括理論方面的研究[8]、試驗(yàn)方面的研究[9-11]以及數(shù)值模擬方面的研究[12-13]，其研究的范圍基本上都是聚焦吸力樁的承載力本身。浮力塔的吸力樁不同之處在于：（1）浮力塔是一種順應(yīng)式平臺(tái)，吸力樁的承載特性關(guān)系樁基能否安全作業(yè)；（2）周圍土層對(duì)吸力樁的約束將改變浮力塔在波浪中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)與幅度，而運(yùn)動(dòng)性能也與平臺(tái)的安全息息相關(guān)；（3）浮力塔的吸力樁處于受壓狀態(tài)，這有別于作為系泊點(diǎn)或?qū)Ч芗芷脚_(tái)基礎(chǔ)等處于受拉狀態(tài)的吸力樁。以上三點(diǎn)說(shuō)明浮力塔的吸力樁有別于目前海洋工程界其他形式吸力樁，到目前為止，關(guān)于浮力塔平臺(tái)吸力樁的承載力研究在文獻(xiàn)中尚未提及。

因此，本文針對(duì)浮力塔平臺(tái)吸力樁特征，首先結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果，分析了土層對(duì)吸力樁的約束情況，并確定了吸力樁的分析工況；其次借助數(shù)值模擬手段，分析了吸力樁的承載力，并對(duì)比了承載的理論結(jié)果與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際觀測(cè)值；最后基于承載力分析結(jié)果，將土層對(duì)吸力樁的約束轉(zhuǎn)換為土彈簧后對(duì)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并對(duì)比了運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果與平臺(tái)的實(shí)際觀測(cè)值。

1 土層對(duì)浮力塔吸力樁的約束

浮力塔平臺(tái)是一種近似的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，柱體可采用單柱結(jié)構(gòu)類似于Classic Spar，也可以采用多柱結(jié)構(gòu)類似于Cell Spar。首制浮力塔CX-15 平臺(tái)選取了四柱柱體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。如果沒有吸力樁（如圖2 所示）的約束，浮力塔將類似于Spar 平臺(tái)在波浪中繞泥線上柱體中的一點(diǎn)做六自由度運(yùn)動(dòng)；當(dāng)吸力樁周圍土層對(duì)吸力樁有約束作用時(shí)，浮力塔的運(yùn)動(dòng)中心將從泥線上柱體中的某一點(diǎn)下移至泥線下的某一點(diǎn)，并且運(yùn)動(dòng)的頻率、幅度也將發(fā)生根本的改變。

圖1 首制浮力塔平臺(tái)CX-15Fig.1 First buoyant tower CX-15

圖2 浮力塔CX-15平臺(tái)的吸力樁Fig.2 Suction caisson of CX-15

與平臺(tái)在波浪中的運(yùn)動(dòng)一樣，周圍土層對(duì)吸力樁的約束可以用6×6的矩陣來(lái)表示，如式（1）所示。式中k11、k22、k33、k44、k55和k66分別代表土層對(duì)吸力樁的縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖與艏搖的約束，其他項(xiàng)為耦合約束，以k12、k13、k14、k15、k16為例，分別代表縱蕩與橫蕩、縱蕩與升沉、縱蕩與橫搖、縱蕩與縱搖、縱蕩與艏搖的耦合約束，其他各項(xiàng)以此類推。

結(jié)合平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，上述36個(gè)約束并非全部起作用，并且鑒于浮力塔平臺(tái)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)（由圖1 和圖2 所示），所以有部分的約束是相同的。浮力塔在波浪中的運(yùn)動(dòng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)包括橫搖與縱搖運(yùn)動(dòng)，以及橫蕩、縱蕩、升沉與轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而實(shí)際起作用的直接約束包括縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖與艏搖的約束。其中縱蕩與橫蕩的約束相同，縱搖與橫搖的約束相同，雖然在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中有艏搖的趨勢(shì)，但鑒于浮力塔在實(shí)際工作中未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且艏搖與其它自由度運(yùn)動(dòng)耦合性弱，故將其忽略，需要關(guān)注的直接約束為縱/橫蕩約束k11（=k22）、縱/橫搖約束k44（=k55）與升沉約束k33。而在耦合約束中，以橫蕩與橫搖耦合及縱蕩與縱搖耦合最為重要，這是因?yàn)闊o(wú)論在水平力或者是彎矩的作用下，浮力塔平臺(tái)的橫蕩與橫搖耦合（或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）都是相伴發(fā)生的，而縱蕩與縱搖耦合約束鑒于平臺(tái)的對(duì)稱性與橫蕩及橫搖耦合約束相同，所以需要關(guān)注的耦合約束為k15（=-k24=-k42=k51）。

2 浮力塔吸力樁基礎(chǔ)的承載力

以首制浮力塔平臺(tái)CX-15 為研究對(duì)象，分析吸力樁基礎(chǔ)的承載力。在傳統(tǒng)的吸力樁承載力分析中，最常見的分析工況包括水平方向的承載力和豎直向上的承載力[11]兩個(gè)典型工況，其他常見的分析工況諸如斜向上方的拉力等。浮力塔吸力樁的承載力需要結(jié)合浮力塔的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況考慮，根據(jù)上述土層對(duì)浮力塔吸力樁的約束分析可知，浮力塔吸力樁承載力分析重點(diǎn)包括升沉運(yùn)動(dòng)下吸力樁承載力、橫蕩與橫搖（縱蕩與縱搖）耦合運(yùn)動(dòng)的承載力兩個(gè)方面。

浮力塔吸力樁在升沉運(yùn)動(dòng)下的承載力分析，實(shí)質(zhì)上是吸力樁在豎直向下集中力的作用下發(fā)生向下的升沉運(yùn)動(dòng)，這有別于傳統(tǒng)的吸力樁豎直向上的承載力。在浮力塔的設(shè)計(jì)中，為了保證由吃水變化所引起的浮力變化不會(huì)造成吸力樁的上拔效應(yīng)，所以在平臺(tái)底部設(shè)有壓載艙，并用鐵礦砂壓載。以CX-15為例，通過(guò)壓載后保證有3000 kN的重量作用在吸力樁上，即使因落潮導(dǎo)致浮力減少，也要保證吸力樁受到向下的力，即浮力塔吸力樁需要考察豎直向下的承載力。

浮力塔吸力樁在橫蕩與橫搖耦合運(yùn)動(dòng)下的承載力分析，實(shí)質(zhì)上是吸力樁在載荷的作用下，發(fā)生橫蕩與橫搖的耦合運(yùn)動(dòng)。這里的載荷可以是水平集中力，也可以是力矩，如果是水平集中力，則該工況與傳統(tǒng)吸力樁的水平承載力分析一致。在本次分析中，橫蕩與橫搖耦合運(yùn)動(dòng)下的承載力需要分析在水平集中力單獨(dú)作用和彎矩單獨(dú)作用的兩個(gè)情況，除了考察吸力樁承載力外，還要進(jìn)一步求得土彈簧對(duì)吸力樁的約束剛度。

綜上所述，浮力塔吸力樁承載力研究的模擬分析工況應(yīng)包括：

（1）吸力樁在向下的集中力Fz作用下，考察吸力樁向下的位移情況；

（2）吸力樁在水平集中力Fx作用下，考察吸力樁的水平位移和搖動(dòng)情況；

（3）吸力樁在彎矩My作用下，考察吸力樁的水平位移和搖動(dòng)情況。

2.1 本構(gòu)模型與參數(shù)

首制浮力塔平臺(tái)位于秘魯西北沿海Corvina CX-15 水域，水深53.4 m，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探的土層分布情況如表1所示，首制浮力塔平臺(tái)的吸力樁在泥線下的插深為8 m，結(jié)合實(shí)際情況，確定在分析吸力樁基礎(chǔ)的承載力時(shí)只需要考慮最上面兩個(gè)土層。

基于有限元軟件Abaqus，建立樁土相互作用的半圓柱有限元模型，如圖3 所示，吸力樁周圍的土層深度選取為31.4 m，分為兩個(gè)土層。由表1 可知這兩個(gè)土層均為黏土，并且主要的持力層為軟黏土至硬黏土，而根據(jù)海床自然固結(jié)以及受到浮力塔平臺(tái)豎直向下壓力的實(shí)際情況可以判斷，土層符合正常固結(jié)與弱超固結(jié)的特征，從而選取修正劍橋模型為土的本構(gòu)模型。依據(jù)靜力觸探結(jié)果、固結(jié)試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn)，可以獲得劍橋修正模型的參數(shù)，如表2所示。按照首制浮力塔平臺(tái)CX-15 實(shí)際情況，吸力樁為桶型結(jié)構(gòu)，直徑為8 m，泥線下埋深8 m，吸力樁底部敞開，頂部與浮力塔平臺(tái)焊接，在實(shí)際建模中忽略浮力塔平臺(tái)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，吸力樁強(qiáng)度足夠，平臺(tái)運(yùn)營(yíng)多年未發(fā)現(xiàn)明顯變形，所以模擬中將吸力樁基礎(chǔ)假設(shè)為剛體。

表2 劍橋修正模型參數(shù)Tab.2 Modified Cam-Clay parameters

圖3 吸力樁基礎(chǔ)有限元模型Fig.3 FEM model of suction caisson

表1 土層分布情況Tab.1 Soil conditions

土層的初始應(yīng)力、孔隙比、滲透率等根據(jù)靜力觸探結(jié)果擬合成函數(shù)輸入到Abaqus 中作為初始條件。模擬中力的作用點(diǎn)加載于吸力樁頂部的圓心處，在模擬中選取載荷控制法，在模擬中逐步增大施加載荷，監(jiān)測(cè)吸力樁的位移，在模擬中軟土變形過(guò)大時(shí)終止模擬，此時(shí)可認(rèn)為土壤已經(jīng)完全進(jìn)入塑性破壞階段。

2.2 吸力樁在向下的集中力Fz作用下的承載力分析

吸力樁在向下的集中力Fz作用下的承載力分析，從平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)角度上看，就是浮力塔在升沉運(yùn)動(dòng)下吸力樁的承載力分析，其P-S曲線結(jié)果如圖4所示。

承載力曲線的分析方法有兩種：第一種為直接分析承載力曲線，曲線分為陡變段和緩變段兩段。首先是陡變段，在陡變段中位移隨著載荷的增大而迅速變大，然后出現(xiàn)拐點(diǎn)，出現(xiàn)緩變段，在緩變段中，載荷基本不發(fā)生變化而位移迅速增加，陡變段可以近似地認(rèn)為吸力樁周圍的土層處于彈性階段而緩變段可以認(rèn)為吸力樁周圍的土層進(jìn)入塑性破壞階段；第二種方法為對(duì)承載力曲線求一次導(dǎo)數(shù)得到土彈簧剛度曲線，當(dāng)剛度較大時(shí)，吸力樁周圍土層處于彈性階段，對(duì)吸力樁能夠提供足夠的回復(fù)力，當(dāng)剛度消失時(shí)，吸力樁周圍土層處于完全塑性階段，對(duì)吸力樁已不能提供回復(fù)力。

圖4 列出了吸力樁在向下集中力Fz作用下的承載力結(jié)果。從圖中可以看出：無(wú)論是承載力曲線還是土彈簧剛度曲線，都能清晰地判別出曲線的陡變段和緩變段，但拐點(diǎn)不是特別清晰；但在陡變段和緩變段之間，有一個(gè)弧形的過(guò)渡段，在這個(gè)弧形過(guò)渡段中，隨著向下集中力Fz逐漸加大，吸力樁周圍土層的彈性變化逐漸減小，塑性變化逐漸增加，直至最終周圍土層進(jìn)入塑性破壞階段。

圖4 豎向集中力/剛度與升沉位移的關(guān)系Fig.4 Relationship between vertical force/stiffness and heave displacement

從圖4 中可以看出：深沉運(yùn)動(dòng)0.2 m 這個(gè)點(diǎn)明顯處于承載力的陡變段，即吸力樁的升沉運(yùn)動(dòng)在0.2 m 之內(nèi)，周圍的土層明顯處于彈性階段，此時(shí)受到的豎向集中力大約為5000 kN，土彈簧的剛度大約為25 000 kN/m；而當(dāng)吸力樁在受到8000 kN 以上的豎向集中力時(shí)，整個(gè)樁基才逐步進(jìn)入過(guò)渡段，此時(shí)土彈簧的剛度已小于3000 kN/m。在CX-15平臺(tái)的初始設(shè)計(jì)中，通過(guò)壓載使得吸力樁受到3000 kN 的向下壓力，而浮力塔在波浪中升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸力樁受到的壓力在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)遇到百年一遇的波谷加低潮位時(shí)，吸力樁受到的壓力大約在5000 kN?；谏鲜龇治?，顯然可以看出其仍然在安全的范圍內(nèi)工作，并且3000 kN的初始?jí)毫δ鼙ＷC吸力樁在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間不會(huì)受到上拔力。

2.3 吸力樁在水平集中力Fx作用下的承載力分析

吸力樁在水平集中力Fx作用下的承載力分析，從平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)角度上看，就是浮力塔在水平力作用下吸力樁橫蕩與橫搖耦合運(yùn)動(dòng)的承載力分析。其P-S曲線結(jié)果如圖5 與圖6 所示，其中圖5 列出了水平力與橫蕩的位移關(guān)系，而圖6列出了水平力與橫搖的位移關(guān)系。

圖5 和圖6 保持了高度一致的關(guān)系，并且與圖4 有著相似的性質(zhì)，即存在陡變段、過(guò)渡段及緩變段。從圖中可以看出，大約在受到1750 kN 時(shí)，承載力曲線與剛度曲線逐步進(jìn)入過(guò)渡段，也就是說(shuō)，樁基周圍的土層塑性變化逐步增加直至完全進(jìn)入塑性破壞階段。1750 kN 對(duì)應(yīng)的樁基橫蕩位移大約是0.25 m 左右，橫搖角度大約為3.5°。雖然在CX-15 平臺(tái)的實(shí)際觀測(cè)中，無(wú)法得知現(xiàn)場(chǎng)的水平力情況，但可以通過(guò)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移來(lái)判別樁基安全與否，在實(shí)際的位移觀測(cè)中，平臺(tái)幾乎觀測(cè)不到橫蕩運(yùn)動(dòng)并且橫搖角度也不超過(guò)2°，結(jié)合承載力曲線及剛度曲線可以判斷出，吸力樁在安全的范圍內(nèi)工作。

圖5 水平集中力/剛度與橫蕩位移的關(guān)系Fig.5 Relationship between horizontal force/stiffness and sway displacement

圖6 水平集中力/剛度與橫搖角度的關(guān)系Fig.6 Relationship between horizontal force/stiffness and roll displacement

2.4 吸力樁在彎矩My作用下的承載力分析

吸力樁在彎矩My作用下的承載力分析，從平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)角度上看，就是浮力塔在彎矩作用下吸力樁橫蕩與橫搖耦合運(yùn)動(dòng)的承載力分析。其P-S曲線結(jié)果如圖7 與圖8 所示，其中圖7 列出了彎矩與橫蕩的位移關(guān)系，而圖8列出了彎矩與橫搖的位移關(guān)系。

圖7 彎矩/剛度與橫蕩位移的關(guān)系Fig.7 Relationship between moment/stiffness and sway displacement

圖8 彎矩/剛度與橫搖角度的關(guān)系Fig.8 Relationship between moment/stiffness and roll displacement

圖7 和圖8 保持了高度一致的關(guān)系，并且與圖4 有著相似的性質(zhì)，即存在陡變段、過(guò)渡段及緩變段。從圖中可以看出，大約在受到12 000 kN·m 時(shí)，承載力曲線與剛度曲線逐步進(jìn)入過(guò)渡段，也就是說(shuō)，樁基周圍的土層塑性變化逐步增加直至完全進(jìn)入塑性破壞階段。12 000 kN·m對(duì)應(yīng)的樁基橫蕩位移大約是0.2 m 左右，橫搖角度大約為2.0°。依據(jù)前面的分析，結(jié)合承載力曲線及剛度曲線可以判斷出，吸力樁在安全的范圍內(nèi)工作。

3 土彈簧剛度矩陣與運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證

在得出浮力塔吸力樁的P-S曲線后，可以將承載力轉(zhuǎn)化為土彈簧的約束剛度。其中升沉運(yùn)動(dòng)下吸力樁P-S曲線可以取陡變段直接通過(guò)胡克定律求得吸力樁受到升沉方面的約束剛度。而吸力樁受到的橫蕩約束、橫搖約束以及橫搖橫蕩耦合約束則需要通過(guò)水平力作用下吸力樁橫蕩橫搖耦合運(yùn)動(dòng)P-S曲線與彎矩作用下吸力樁橫蕩與橫搖耦合運(yùn)動(dòng)P-S曲線聯(lián)立求解?，F(xiàn)只考慮橫蕩、橫搖以及橫搖橫蕩耦合約束作用，故將式（1）簡(jiǎn)化為

根據(jù)上面的分析結(jié)果可知，浮力塔吸力樁均在安全的范圍內(nèi)工作，所以可以用吸力樁承載力P-S曲線陡變段上的某一點(diǎn)，即取圖5 至圖8 曲線中的某一點(diǎn)，用該點(diǎn)對(duì)原點(diǎn)的斜率近似為曲線的割線斜率來(lái)進(jìn)行約束剛度計(jì)算。在水平力作用下吸力樁橫蕩橫搖耦合運(yùn)動(dòng)P-S曲線中的陡變段，取一個(gè)作用力F1，得出對(duì)應(yīng)的吸力樁水平運(yùn)動(dòng)幅值X1和轉(zhuǎn)動(dòng)幅值θ1，將這3 個(gè)值代入式（2）可得式（3）的前兩個(gè)方程。在彎矩作用下吸力樁橫蕩橫搖耦合運(yùn)動(dòng)P-S曲線中的陡變段，取一個(gè)作用彎矩M2，得出對(duì)應(yīng)的吸力樁水平運(yùn)動(dòng)幅值X2和轉(zhuǎn)動(dòng)幅值θ2，將這3 個(gè)值代入式（2）可得式（3）的后兩個(gè)方程，由于取值均在陡變段，吸力樁周圍的土層均處在彈性階段，可以假設(shè)橫蕩約束、橫搖約束以及橫搖橫蕩耦合約束3個(gè)剛度保持不變，所以可以將這4個(gè)方程聯(lián)立求解如式（3）所示：

求解式（3），可以得到橫蕩約束、橫搖約束以及橫搖橫蕩耦合約束4個(gè)剛度如式（4）～（7）所示：

由于約束剛度矩陣是對(duì)稱陣，所以從理論上講，k24與k42得出的結(jié)果應(yīng)該一致。并且浮力塔在橫搖和縱搖方向?qū)ΨQ，所以縱蕩、縱搖以及縱蕩縱搖耦合約束剛度與上述橫蕩、橫搖以及橫蕩橫搖耦合約束剛度一致。

首先分析k22、k44、k24和k42，依據(jù)之前的分析，F(xiàn)1的取值不能大于1750 kN，而M2的取值不能大于12 000 kN·m，考慮到即使土彈簧未進(jìn)入過(guò)渡段，其剛度也存在著非線性，即周圍土層存在著塑性變化，并且考慮到實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)最大值的出現(xiàn)頻率并不高，所以用1750 kN 與12 000 kN·m來(lái)取土彈簧剛度并不合適，進(jìn)而取上述值約60%左右即F1=1000 kN，M2=8000 kN·m 時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行土彈簧剛度分析。在圖5至圖8曲線中取值如表3所示，由式（4）至式（7）求得各約束剛度如表4所示，可以看出橫蕩橫搖的耦合剛度k24與橫搖橫蕩的耦合剛度k42偏差極小，兩者距其平均值相差0.867%，這也驗(yàn)證了k24與k42的結(jié)果應(yīng)該一致的結(jié)論。兩者細(xì)微的差別是由于土的非線性程度造成的，由于取值均在陡變段，并且F1與M2取值均處于曲線陡變段的中部，對(duì)應(yīng)土塑性變形所占總變形的成分接近，所以k24與k42偏差極小，這也驗(yàn)證了表3取值的合理性。

表3 剛度計(jì)算取值Tab.3 Values for calculation of stiffness of soil springs

表4 剛度計(jì)算結(jié)果（kN/m）Tab.4 Results of stiffness of soil springs (kN/m)

然后分析k33，依據(jù)之前的分析，F(xiàn)z的取值不能大于8000 kN，同上所述，取Fz=6000 kN，在圖4 曲線中取值如表3所示，由k=Z/Fz可直接求得剛度k33，如表4所示。

將如上剛度代入式（1）并基于HydroStar 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，典型的橫搖RAO 如圖9 所示，縱搖的RAO 與橫搖一致。將CX-15 所在海域百年一遇的波浪條件Hs=3.8 m 和Tz=20 s 結(jié)合橫搖RAO 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出平臺(tái)在百年一遇的波浪中搖動(dòng)角度有義值為2.1°，結(jié)合圖6 與圖8 可以看出，這個(gè)運(yùn)動(dòng)值在吸力樁的安全范圍內(nèi)。將CX-15 所在海域一年一遇的波浪條件Hs=1.5 m 和Tz=13 s 結(jié)合橫搖RAO 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平均值為0.42°，有義值為0.67°，極大值為1.29°，其中遭遇一年一遇波浪的情況下，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)譜分析平均值與表5所示的平臺(tái)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的觀測(cè)結(jié)果基本吻合（橫搖計(jì)算值為0.42°，2017年10月橫搖實(shí)測(cè)值為0.47°）。

圖9 CX-15橫搖RAOFig.9 Roll RAO of CX-15 platform

表5 浮力塔平臺(tái)CX-15在2017～2018年運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.5 Rolling results of first buoyant tower CX-15 in 2017-2018

4 結(jié) 論

本文以首制浮力塔平臺(tái)CX-15為研究背景，研究了平臺(tái)吸力樁的承載力以及對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)約束?；诂F(xiàn)場(chǎng)海域的土壤取樣，通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)獲得土樣的參數(shù)；選取修正劍橋模型為土的本構(gòu)模型，通過(guò)Abaqus 進(jìn)行三維模擬得出了吸力樁的承載力曲線，并將承載曲線轉(zhuǎn)化為土彈簧的約束剛度，并基于該約束剛度通過(guò)HydroStar進(jìn)行浮力塔的運(yùn)動(dòng)分析，得出如下結(jié)論：

（1）浮力塔吸力樁承載力的分析要充分結(jié)合運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，分析工況包括升沉運(yùn)動(dòng)下的承載力和橫蕩橫搖耦合運(yùn)動(dòng)下的承載力，對(duì)比CX-15平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果與P-S曲線可以看出，浮力塔吸力樁在安全的范圍內(nèi)工作；

（2）通過(guò)P-S曲線可以獲得土層對(duì)吸力樁的約束剛度，約束剛度的分析需基于曲線的陡變段，該階段土層處于彈性階段，分析的結(jié)果中土的非線性效應(yīng)不大；

（3）基于約束剛度矩陣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從結(jié)果可以看出，浮力塔在百年一遇的波浪下吸力樁也能在安全的范圍內(nèi)工作，并且預(yù)報(bào)的結(jié)果與CX-15平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的結(jié)果吻合度較高，說(shuō)明該約束剛度矩陣是合理的。