白勇輝, 張 吉, 馮昌寧

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200000)

自升式平臺(tái)樁靴砂箱設(shè)計(jì)研究

白勇輝1, 張 吉2, 馮昌寧1

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200000)

該文對(duì)采用樁靴砂箱完成自升式平臺(tái)塢內(nèi)升樁的技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了砂箱中心砂層厚度、內(nèi)摩擦角及彈性模量三個(gè)參數(shù)對(duì)砂層載荷傳遞效果的影響，設(shè)計(jì)合理的砂箱結(jié)構(gòu)以保證平臺(tái)升樁時(shí)塢底結(jié)構(gòu)和自升式平臺(tái)的安全。

自升式平臺(tái)；砂箱；塢內(nèi)升樁；內(nèi)摩擦角；彈性模量

0 引言

為了更好適應(yīng)船舶工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)船廠開(kāi)始著手海洋工程的研究和開(kāi)發(fā)，積極探索如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施上建造海工產(chǎn)品。上海外高橋造船有限公司為了完成JU2000E型自升式平臺(tái)項(xiàng)目，在船塢內(nèi)進(jìn)行總裝。由于受船塢深度的限制，需升樁以便安裝懸臂梁，同時(shí)能夠檢驗(yàn)升降系統(tǒng)承載能力和操作性能，包括齒條、齒輪、導(dǎo)向塊、制動(dòng)塊的位置是否對(duì)齊。

在船塢內(nèi)進(jìn)行自升式平臺(tái)升樁時(shí)，若將樁靴直接坐落于塢底，由于接觸受載面積過(guò)小，將導(dǎo)致樁靴、塢底結(jié)構(gòu)的破壞。該文通過(guò)砂箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，以保證平臺(tái)升樁站立時(shí)塢底結(jié)構(gòu)的安全。

1 初步方案設(shè)計(jì)

JU-2000E型自升式平臺(tái)樁腿為桁架式結(jié)構(gòu)，樁靴為圓盤(pán)型，平臺(tái)總重量約為14 900 t(不包括鉆臺(tái)及以上、直升機(jī)平臺(tái)等部分)。為此設(shè)計(jì)三個(gè)圓形砂箱，砂箱的半徑可按經(jīng)典土力學(xué)的理想簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行選取，砂箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。若基底壓力在砂墊層中按30°角擴(kuò)散，砂箱中心區(qū)域的砂層厚度h，擴(kuò)散后的荷載作用面的直徑為Rs=R+(h+ha)·tan 30°=10.24 m，其中：h0=1.168 m，h=1.0 m。砂箱圍壁結(jié)構(gòu)取高度2.5 m，壁厚8 mm。同時(shí)，為了提高圍壁板的穩(wěn)性，在圍壁板頂部增加面板，在圍壁與底板之間增設(shè)肘板，并在圍壁底部增加環(huán)形底板，以防止砂土從圍壁底部溢出。

圖1 砂箱結(jié)構(gòu)圖

2 砂箱結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型

采用有限元軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值分析，砂層采用體單元，基礎(chǔ)與砂墊層之間、砂墊層與圍壁及底板之間定義摩擦接觸，摩擦角等于砂土的內(nèi)摩擦角。樁靴底板及塢底板均采用剛性板模擬，塢底板為剛性約束，不考慮底板的沉降及變形。砂箱圍壁采用Shell單元，約束對(duì)稱面的水平位移，材料為船用低碳鋼，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2.2 彈性分析

將砂層視為彈性材料進(jìn)行初步的計(jì)算分析，以初步了解砂箱載荷傳遞情況，得到載荷施加前后的砂墊變形如圖3所示。

圖3 砂墊層變形示意圖(放大50倍) 圖4 載荷-位移(沉降)曲線

圖5 砂墊底層壓應(yīng)力分布圖

由圖4～圖5可知：砂層的壓力最大為306 kPa，對(duì)于壓實(shí)系數(shù)為0.94的砂墊層的設(shè)計(jì)載荷一般為200 kPa ～250 kPa，在此載荷工況下砂層將會(huì)發(fā)生塑性失效，因此，要準(zhǔn)確地分析砂層的傳遞情況，需要對(duì)砂層材料進(jìn)行彈塑性分析。

2.3 彈塑性分析

通過(guò)分析不同的內(nèi)摩擦角、彈性模量對(duì)砂層傳遞載荷效應(yīng)的影響，從而確定合理的砂層參數(shù)。

2.3.1 內(nèi)摩擦角對(duì)砂層傳遞載荷效應(yīng)的影響

砂土層內(nèi)摩擦角與砂土的粒徑及級(jí)配有關(guān)，砂土內(nèi)摩擦角越大，砂土的抗剪強(qiáng)度越大。砂土的內(nèi)摩擦角變化范圍一般為25°～40°，計(jì)算分析不同內(nèi)摩擦角下砂層的傳力特性。

(1) 內(nèi)摩擦角為30°

砂層中心高度分別取0.5 m、1.0 m、1.5 m三種砂箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同砂箱高度計(jì)算結(jié)果表

通過(guò)分析，砂層中心處的壓應(yīng)力最大，向邊緣逐步減小。但隨著砂箱高度的增加，大于250 kPa的區(qū)域也隨之增大。由三種不同砂層高度砂箱結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明，砂層越厚砂層底部的最大應(yīng)力越小，邊緣處的最大應(yīng)力越大，也就是說(shuō)隨著砂層厚度增加傳遞于塢底的載荷更加均勻，最大載荷也越小。因此，在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)盡可能高的砂層厚度可以減小傳遞至塢底的最大壓力。但是，會(huì)使砂箱圍壁結(jié)構(gòu)尺寸增加，同時(shí)砂箱的用砂量增加，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備砂層的工時(shí)、成本均上升。如h=1.5 m與h=1.0 m相比最大應(yīng)力減小8.9%，而用砂量提高28%。

(2) 內(nèi)摩擦角25°

取砂層中心高度為1.0 m，得到不同內(nèi)摩擦角應(yīng)力情況見(jiàn)表2。

表2 不同內(nèi)摩擦角計(jì)算結(jié)果表

與內(nèi)摩擦角30°的工況相比，大于250 kPa的區(qū)域增大，且最大應(yīng)力值也相應(yīng)增加，該參數(shù)的墊層對(duì)載荷傳遞的擴(kuò)散程度較低。

圍壁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 圍壁應(yīng)力分布(摩擦角25°)

徑向的拉壓應(yīng)力最大值及彎矩最大值出現(xiàn)在圍壁的底端，環(huán)向拉應(yīng)力最大值67.25 MPa在距底板0.3 m～1.0 m范圍內(nèi)。與內(nèi)摩擦角30°的工況相比，圍壁內(nèi)的應(yīng)力也相應(yīng)增大。

圖7 塢底砂層壓力分布曲線

不同內(nèi)摩擦角塢底砂層壓力分布曲線如圖7所示，在施加同等載荷的情況下，25°內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)的最大值較大，說(shuō)明其應(yīng)力較集中。摩擦角越大，靠近圍壁處的土拱效應(yīng)越強(qiáng)，自重形成的基底豎向壓力越小，施加載荷后的基底壓力越小。當(dāng)施加的外部載荷較大時(shí)，由于30°內(nèi)摩擦角砂粒料的應(yīng)力擴(kuò)散效果好，圍壁處的基底壓力也會(huì)出現(xiàn)大于25°內(nèi)摩擦角的情況。總趨勢(shì)表明，30°摩擦角對(duì)應(yīng)的基底壓力稍均勻些，因此30°摩擦角對(duì)應(yīng)的砂層載荷傳遞效果較好。

2.3.2 彈性模量對(duì)砂層傳力特性的影響

砂土層材料彈性模量設(shè)定為50 MPa，為了使塢底載荷分布更加均勻，分析不同彈性模量對(duì)砂層傳力特性的影響。成分不同的砂彈性模量不同，一般在5 MPa ～60 MPa[1]，不同模量設(shè)計(jì)方案示意圖如圖8所示。

圖8 不同彈性模量設(shè)計(jì)方案模量分布示意圖

依據(jù)上述三種方案，內(nèi)摩擦角為30°計(jì)算得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同彈性模量設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，不同彈性模量砂層對(duì)其載荷傳遞特性有較大的影響，中心區(qū)域彈性模量較小可以減小中心區(qū)域的最大壓力值，使底部壓力分布更加均勻。綜合最大壓應(yīng)力及壓力分布等特點(diǎn)來(lái)看，較優(yōu)的組合方案為方案3，最大壓力為332.7 kPa，最大壓力相對(duì)較低、最小壓力相對(duì)較高，大于250 kPa的作用面積較大，說(shuō)明該砂箱砂層的傳遞載荷效果較好。與塢底設(shè)計(jì)載荷500 kPa相比，采用該模量組合的砂箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行升樁試驗(yàn)塢底結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.5，圍壁結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3 砂箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化方案

砂箱結(jié)構(gòu)在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，中心區(qū)域砂層厚度取1.0 m，并結(jié)合船廠實(shí)際情況，調(diào)整優(yōu)化砂箱尺寸：托盤(pán)直徑降至16.985 m，即樁靴外徑的水平投影超出托盤(pán)邊緣0.5 m，圍壁高度為1.893 m，距樁靴下表面約0.2 m。優(yōu)化后砂箱結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后砂箱結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

利用同樣方法，對(duì)優(yōu)化后砂箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，評(píng)估塢底結(jié)構(gòu)的安全性。砂層高度為1.0 m，內(nèi)摩擦角為30°，通過(guò)計(jì)算分析，最大壓力為446.5 kPa，最大壓力相對(duì)較低、最小壓力相對(duì)較高，砂箱砂層的傳遞載荷效果比較好。與塢底設(shè)計(jì)載荷500 kPa相比，采用該模量組合的砂箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行升樁試驗(yàn)，塢底結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.12；圍壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平為80 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并有較大的安全裕度[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文對(duì)JU-2000E型自升式平臺(tái)樁靴砂箱彈塑性進(jìn)行了研究，利用有限元軟件Abaqus計(jì)算分析了通過(guò)砂層將平臺(tái)載荷傳遞于塢底的壓力分布情況，同時(shí)分析了不同砂層參數(shù)，包括砂層高度、內(nèi)摩擦角、彈性模量對(duì)砂層傳力特性的影響，

設(shè)計(jì)的砂箱可實(shí)現(xiàn)樁靴載荷的傳遞與擴(kuò)散，使得作用于塢底的壓力載荷分布相對(duì)均勻，可以滿足塢底安全要求。研究成果對(duì)自升式平臺(tái)在塢內(nèi)等類似場(chǎng)地進(jìn)行升樁建造同樣具有借鑒意義。

[1] 顧曉魯?shù)?地基與基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2003.

[2] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling unit[S].2012.

Design and Research on Pile Shoe Sandbox of Self-elevating Platform

BAI Yong-hui1, ZHANG Ji2, FENG Chang-ning1

(Shanghai Wai Gao Qiao Shipbuild Co., Ltd, Shanghai 200000, China)

This article studies the docking pile elevating technology of self-elevating platform with pile shoe sandbox. The impact on sand layer load transfer effect, which includes three parameters such as thickness of sand layer in the center of sandbox, internal frictional angle and elastic modulus, are analyzed by the numerical calculation. This article provides a sensible design of sandbox structure to ensure the safety of dock bottom structure and self-elevating platform during the pile elevating process.

self-elevating platform; sandbox; docking pile elevating; internal frictional angle; elastic modulus

2014-03-03

白勇輝(1980-)，男，助理工程師。

1001-4500(2014)04-0009-05

P75

A