陳佳欣

(上海振華重工集團(股份)有限公司，海上重工設(shè)計研究院，上海 200125)

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自升式平臺2種典型樁靴結(jié)構(gòu)形式對比

陳佳欣

(上海振華重工集團(股份)有限公司，海上重工設(shè)計研究院，上海 200125)

以2種具有典型結(jié)構(gòu)設(shè)計形式的樁靴為研究對象，依據(jù)規(guī)范要求進行工況設(shè)計與載荷分析，利用有限元軟件MSC Patran/Nastran建立有限元模型并進行強度計算，得到各工況下樁靴的應(yīng)力分布，分析得到預(yù)壓載工況下接觸面積與應(yīng)力大小的關(guān)系以及偏心工況下偏心形式對結(jié)構(gòu)強度的影響，根據(jù)有限元計算結(jié)果分析2種樁靴的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢。

自升式鉆井平臺；樁靴；典型結(jié)構(gòu)設(shè)計；對比與分析，有限元方法

自升式鉆井平臺，具有造價低、海況適應(yīng)性強等優(yōu)點[1]，是當(dāng)今海洋油氣勘探的主要裝備。樁靴是自升式鉆井平臺主流設(shè)計方案中的關(guān)鍵組成部分之一，樁靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析一直是工程項目人員與科研人員關(guān)注的研究領(lǐng)域。

國內(nèi)學(xué)者針對某一樁靴結(jié)構(gòu)進行規(guī)范校核的研究比較普遍[2-7]，但是對于典型樁靴結(jié)構(gòu)之間結(jié)構(gòu)性能比較的研究較少。唐文獻等[8]結(jié)合有限單元法和尺寸優(yōu)化理論，認為其所研究的樁靴部分區(qū)域材料強度有富余，因此以輕量化為設(shè)計目標(biāo)對樁靴結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，得到樁靴最合理板厚，優(yōu)化后的樁靴質(zhì)量得到減輕，并對比了樁靴優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)性能。該研究為樁靴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一種思路，即在保證強度的前提下，減輕樁靴質(zhì)量，但是這一優(yōu)化方式雖然改善了樁靴的應(yīng)力分布，但也導(dǎo)致了最大應(yīng)力的上升。

考慮以主流自升式鉆井平臺的樁靴結(jié)構(gòu)為研究對象，采用2種樁靴典型設(shè)計方式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)船級社規(guī)范[9-10]對2種樁靴強度進行有限元分析與計算，對比2種結(jié)構(gòu)設(shè)計形式下樁靴的結(jié)構(gòu)性能與特點。

1 2種典型樁靴結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點與有限元模型

樁靴的平面投影呈現(xiàn)為多邊形或者圓形，并且上表面與下表面均帶有一定的坡度，以方便樁靴的插樁與撥樁操作。樁靴內(nèi)部設(shè)置有多道環(huán)向艙壁，艙壁有局部加強，部分艙壁設(shè)置有開孔以方便人員進出和減輕結(jié)構(gòu)自重。樁靴與樁腿的連接方式主要有2種：①樁腿與樁靴在其外圍艙壁處進行連接，并在頂部設(shè)有支撐艙壁與樁腿斜撐桿連接；②在樁靴頂部整個樁靴框架范圍內(nèi)設(shè)立主要支撐艙壁并延伸至樁靴內(nèi)部艙壁，與樁腿弦桿以及斜撐桿進行連接。將研究對象分別命名為樁靴A與樁靴B。樁靴A為多邊形平面投影，并采用第一種樁靴與樁腿連接方式，樁靴B為圓形平面投影，樁靴與樁腿的連接采用第二種方式。2種樁靴有限元模型見圖1。樁腿為三角形桁架式結(jié)構(gòu)，樁腿三根弦桿在樁靴上的投影見圖2中實心圓所示，圖中實線為樁靴主框架。

圖1 樁靴結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 樁靴、樁腿平面投影

1.2 材料屬性與校核標(biāo)準(zhǔn)

樁靴A與樁靴B采用材料主要為AH36、DH36和EH36鋼，樁靴A的樁腿連接及支撐結(jié)構(gòu)采用了EQ63鋼，樁靴B的樁腿連接支撐結(jié)構(gòu)與樁腿弦桿相交附近采用了EQ56鋼。根據(jù)規(guī)范，AH36、DH36和EH36鋼的屈服強度為355 MPa，考慮安全系數(shù)1.11，動載荷許用應(yīng)力為320 MPa； EQ63鋼和EQ56鋼的屈服強度分別為620 MPa和550 MPa，考慮安全系數(shù)1.11后，動載荷許用應(yīng)力分別為558 MPa和495 MPa。

1.3 邊界條件

根據(jù)規(guī)范要求，邊界條件為頂端樁腿簡支約束，同時為了消除邊界條件的影響，樁腿從樁靴開始向上延伸7節(jié)。考慮到樁靴實際受到海底土壤約束，亦可以采用樁靴底部彈簧約束的邊界條件處理方式，但是考慮到通常情況下很難掌握完整的土壤資料，并且不同海域還不完全相同，同時涉及到非線性接觸問題，計算量較大且很難保證所得結(jié)果準(zhǔn)確，從而造成邊界條件設(shè)置錯誤，影響到最終的結(jié)果。這里采用傳統(tǒng)與規(guī)范推薦的上部樁腿簡支約束邊界條件，以樁靴B為例，給出邊界條件施加示意，見圖3。

圖3 邊界條件

2 載荷與工況

2.1 預(yù)壓載工況

考慮到樁靴與海底接觸面積存在很多可能性，從樁靴底部中心區(qū)域接觸海底地基到接觸面積擴大到整個底部這一連續(xù)過程中選取幾組狀態(tài)進行分析。按照接觸面積占總面積的百分比進行工況設(shè)計，包括10%、25%、50%、75%和100% 5種狀態(tài)。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書和該型平臺總強度計算報告，預(yù)壓載工況下每個樁靴承受的最大垂向力為106 389 kN，具體計算過程見式(1)。根據(jù)力的平衡原理計算出不同接觸面積時樁靴底部所承受的均布支反壓力。同時，考慮到2種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計形式的樁靴所具有的總接觸面積不一樣，因此所承受壓力不完全相同。該工況設(shè)計載荷見表1。

(1)

式中，W1——空船提升重量；

W2——預(yù)壓載重量；

W3——樁靴自重與其中壓載水重量之和；

W4——樁靴所受浮力；

W5——樁腿所受浮力；

W6——可變載荷；

W7——樁腿重量。

表1 預(yù)壓載工況設(shè)計載荷

2.2 偏心工況

考慮到海水沖刷、海底不平整等因素，會導(dǎo)致樁靴受到偏心載荷影響[11]，考慮50%的沖刷面積，相當(dāng)于50%的面積承受壓力，同時考慮2種偏心形式，見圖4，該工況下設(shè)計載荷見表2。

圖4 偏心工況下壓力分布區(qū)域

工況樁靴編號載荷/MPa接觸面積/總面積LC1-EAB均布壓力1.0460.814 50%,分割線經(jīng)過樁腿連接支撐結(jié)構(gòu)LC2-EAB均布壓力1.0460.814 50%,分割線不過樁腿連接支撐結(jié)構(gòu)

2.3 風(fēng)暴自存工況

風(fēng)暴工況下平臺承受較為惡劣的環(huán)境載荷，需要考慮平臺重力，以及包括風(fēng)、浪、流在內(nèi)的環(huán)境載荷。根據(jù)規(guī)范要求，樁靴承受載荷主要包括自存工況最大垂向力FV、水平力FH和35%下導(dǎo)向處的傾覆力矩MOTM，由于環(huán)境載荷，以反力形式施加在樁靴底部，實際加載的載荷應(yīng)與環(huán)境載荷大小相同、方向相反。其中，將力矩M(35%MOTM)轉(zhuǎn)化成力并與最大垂向支反力FV疊加，以三角非均布壓力載荷的形式施加到樁靴底面，具體載荷施加示意如圖5所示。最大垂向力FV計算原理與下式類似，相應(yīng)水平載荷FH和35%下導(dǎo)向處的傾覆力矩MOTM根據(jù)該型平臺總強度計算報告得到，該工況下設(shè)計載荷見表3。

圖5 風(fēng)暴自存工況下施加載荷

載荷備注垂向最大支反力61550kN水平最大支反力4448kN35%最大計算力矩474550kN·m 接觸面積/總面積=100%

簡化后的壓力分布以如下形式表示。

樁靴A：P(x)=k1x+b1,-L1

樁靴B：P(x)=k2x+b2,-D/2

其中:L1，L2為樁靴A底面長度方向投影兩端距折角距離，樁靴總長L=L1+L2，見圖2。

由于樁靴有折角，折角兩邊直線方程不同，為計算方便，取折角處為積分原點，再得到三角載荷方程后通過移軸定理得到根據(jù)中心軸的三角載荷方程；D為樁靴B底面的投影直徑，見圖2。

分別對2種樁靴在整個積分域上對x=L2和x=D/2取矩，積分的結(jié)果即為一個樁靴所承受的彎矩M，在整個積分域上的三角載荷在Z向的矢量和即為垂向支反力V，固可聯(lián)立方程組解出三角載荷方程。

對于樁靴A，樁靴兩折邊以折角處為原點的直線方程分別為

(1)

式中:B——樁靴A最大寬度；

Bfwd，Baft——樁靴A前段和后端寬度。

計算可得樁靴A承受的三角載荷為f(x)=0.887×10-5x-0.287；樁靴B承受的三角載荷為f(x)=-1.537×10-5x-0.242。載荷方程均以中心軸為原點，其中x單位為mm，載荷單位為MPa，將相應(yīng)載荷以壓力場的形式施加于樁靴底部板全表面。

3 結(jié)果討論

3.1 結(jié)果比較

根據(jù)表1～3，分別針對樁靴A、B進行有限元強度分析，將結(jié)果進行對比并匯總于表4中。由表4可見，不同工況下2型樁靴應(yīng)力大小呈現(xiàn)出相近的趨勢，風(fēng)暴自存工況下雖然環(huán)境載荷影響較大，但是平臺可變載荷小，相比較于預(yù)壓載工況和偏心工況最大應(yīng)力較小。

表4 最大應(yīng)力 MPa

預(yù)壓載工況下壓力變化見圖6。樁靴A主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力普遍高于樁靴B主體結(jié)構(gòu)，而樁靴A的樁腿連接支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力普遍低于樁靴B，考慮原因是圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計下結(jié)構(gòu)連接過渡較為平穩(wěn)，樁靴主體應(yīng)力分布更加均勻，主體上表面應(yīng)力集中區(qū)域或是結(jié)構(gòu)連接角隅處較少；而樁靴B的樁腿連接支撐結(jié)構(gòu)是由樁靴內(nèi)部艙壁升高的三角形區(qū)域承載，樁腿弦桿和斜撐都與之相連，在樁腿連接結(jié)構(gòu)面板、艙壁、樁腿和弦桿相交的區(qū)域會出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中。此外，隨著接觸面積的擴大，樁靴A與樁靴B最大應(yīng)力變化規(guī)律相近，都是隨著接觸面積的擴大先上升后下降，最大應(yīng)力發(fā)生在接觸面積為總面積25%的情況下。

圖6 預(yù)壓載工況下應(yīng)力變化規(guī)律

由表4可見，偏心工況是樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制工況，雖然同預(yù)壓載工況LC3-P一樣是底面有一半的接觸面積，但是因為接觸面積的不對稱性，導(dǎo)致應(yīng)力相比較LC3-P有明顯增大，其中LC2-E工況的偏心形式更為危險(見圖4)，即平分線不經(jīng)過樁腿連接支撐結(jié)構(gòu)，以偏心工況LC2-E為例給出樁靴A與樁靴B在此工況下的應(yīng)力分布見圖7。

圖7 偏心工況應(yīng)力分布

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計討論

從樁靴A和樁靴B在各個工況下所展現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)性能可以看出，當(dāng)?shù)撞坎捎脠A形設(shè)計時，樁靴在插樁過程中會表現(xiàn)出更好的強度性能，應(yīng)力分布更為均勻，在產(chǎn)生偏心影響時，圓形底部設(shè)計更為可靠。從表4可以看出，樁靴主體部分與樁腿連接、支撐結(jié)構(gòu)相比是偏于安全的，危險區(qū)域還是樁腿連接支撐部位，當(dāng)采用樁靴A的支撐連接形式時，各工況下該區(qū)域應(yīng)力大小均小于樁靴B的連接方式。因此，在今后樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以結(jié)合這2種樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計形式的優(yōu)點，采用圓形輪廓進行樁靴主體設(shè)計，在與樁腿的連接方式上采用樁靴A的形式，即弦桿與樁靴主體在外部連接，樁靴頂部設(shè)斜撐桿支撐壁。

4 結(jié)論

1)偏心工況是樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制工況，由于偏心載荷的影響，該工況下，樁靴主體部分和樁腿連接部分應(yīng)力均較大。此外，當(dāng)偏心分界線不經(jīng)過樁腿弦桿及其連接與支撐結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)最為危險；

2)預(yù)壓載工況下，隨著受力接觸面積的擴大，樁靴應(yīng)力分布情況和應(yīng)力峰值會逐漸得到改善，但是樁靴A會在接觸三角形面積與樁腿弦桿所圍三角形面積相近時應(yīng)力達到峰值，然后逐漸減少?？傮w上，樁靴B主體部分應(yīng)力分布更為均勻，應(yīng)力峰值也較?。?/p>

3)樁靴與樁腿的連接、支撐區(qū)域應(yīng)力普遍較大，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點關(guān)注的區(qū)域，樁靴A相比較于樁靴B，在該區(qū)域的應(yīng)力較小、分布也更為均勻，設(shè)計方式更為合理；

4)在今后自升式鉆井平臺的樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以借鑒上述2種典型設(shè)計方式的優(yōu)點，對提高平臺的安全性、穩(wěn)定性以及作業(yè)能力都有幫助。

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Comparison and Analysis of Two Typical Types of Self-elevating Unit Spudcan Structures

CHEN Jia-xin

(Offshore Heavy Industry Design Institute, Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Taking two types of jack-up unit spudcan with typical design as examples, the load cases were designed and the loads were calculated based on related rules. The FE models of two types of spudcan were established to carry out the strength calculation and check by MSC Patran/Nastran. Based on the preload condition, the relationship between the contact area and the maximum stress can be obtained. According to the eccentric condition, the influences of different eccentric types on strength can be witnessed. The structural performance of these two types of spudcan was compared with to analyze the advantages of each spudcan.

jack-up drilling unit; spudcan; typical structural design; comparison and analysis; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.037

2016-01-13

陳佳欣(1989—)，女，碩士，助理工程師

U674.38；P751

A

1671-7953(2016)05-0146-05

修回日期：2016-02-19

研究方向:船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)性能分析

E-mail:cjx19891119@126.com