郭小亮， 崔文濤

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

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筒形基礎(chǔ)屈曲強(qiáng)度及非線性有限元分析

郭小亮， 崔文濤

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

為解決筒基屈曲強(qiáng)度的問題，使筒形基礎(chǔ)得到更好發(fā)展，通過非線性有限元方法對(duì)于筒基的臨界屈曲強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)屈曲問題出現(xiàn)的原因進(jìn)行了探討，為日后此類問題的解決提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

筒形基礎(chǔ)；海洋平臺(tái)；屈曲強(qiáng)度；非線性分析；有限元法

0 引言

筒形基礎(chǔ)也叫吸力樁，或者吸力錨，被稱之為吸力錨時(shí)一般是作為海上系泊基礎(chǔ)使用的，比如單點(diǎn)系泊，或者作為多點(diǎn)系泊代替抓力貓和長(zhǎng)樁。筒形基礎(chǔ)在國(guó)外屬于相對(duì)成熟的技術(shù)，由于其安裝簡(jiǎn)便快捷，結(jié)構(gòu)重量大大減輕，因此已大量應(yīng)用于各種類型的海洋平臺(tái)、單點(diǎn)、多點(diǎn)系泊及水下管匯等結(jié)構(gòu)中，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也就是近二十幾年的時(shí)間，且技術(shù)發(fā)展還處于起步階段，很不成熟，幾乎沒有相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可依。

近十年隨著筒形基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，渤海和南海潿洲海域相繼有幾個(gè)筒形基礎(chǔ)平臺(tái)得到應(yīng)用，例如曹妃甸18-1井口平臺(tái)、錦州9-3西井口平臺(tái)、渤中3-2隔水套管支撐井口和潿洲6-8井口平臺(tái)等。這幾個(gè)項(xiàng)目的成功應(yīng)用使得筒形基礎(chǔ)得到了一定程度的推廣，也為其發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，但是項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得研究和探討，其中一個(gè)問題就是筒形基礎(chǔ)的屈曲強(qiáng)度。

1 相關(guān)案例分析

2008年曹妃甸18-1井口平臺(tái)建造完成，由于安裝時(shí)筒形基礎(chǔ)卻未貫入到指定深度，因而當(dāng)準(zhǔn)備更換安裝位置再次安裝下部結(jié)構(gòu)的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)施工人員發(fā)現(xiàn)筒形基礎(chǔ)出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，不得已將整個(gè)平臺(tái)重新運(yùn)回到碼頭，發(fā)生明顯變形的筒基也進(jìn)行了更換。此次事故讓人們對(duì)于筒形基礎(chǔ)的發(fā)展前景十分擔(dān)憂，也為筒形基礎(chǔ)的推廣和應(yīng)用蒙上了一層厚厚的陰影。

筒臂屈曲損壞照片、筒內(nèi)筋板屈曲損壞照片分別如圖1、圖2所示。圖1中，下部基礎(chǔ)的筒基發(fā)生了嚴(yán)重的變形，筒壁成波浪形。圖2中，筒基內(nèi)部沿著高度方向設(shè)置的防止屈曲的筋板也發(fā)生了嚴(yán)重的屈曲變形。從這2張圖可以看出，筒基的屈曲變形主要包含筒壁的屈曲和筒內(nèi)高度方向筋板的屈曲這2種。由于筒蓋下方有很密的筋板，且筒蓋的厚度很厚，所以一般頂蓋不容易發(fā)生屈曲。筒壁屬于大直徑薄壁結(jié)構(gòu)，雖然為了防止筒壁的屈曲，內(nèi)部設(shè)置了通長(zhǎng)的筋板，但筒基的筒壁和筋板仍然發(fā)生嚴(yán)重的變形，因此有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步研究。

圖1 筒壁屈曲損壞照片

圖2 筒內(nèi)筋板屈曲損壞照片

1.1 筒基貫入的整個(gè)過程

一般海底表面的泥土承載能力大都很差，筒基貫入初期，自重要遠(yuǎn)大于貫入阻力，因此一開始不需要抽取負(fù)壓即可實(shí)現(xiàn)筒基的貫入，這個(gè)過程稱之為自重入泥，即僅依靠結(jié)構(gòu)及筒基自身的重量就可以實(shí)現(xiàn)筒基初始貫入的過程。自重入泥還有一個(gè)重要的作用，它為接下來的貫入提供了一個(gè)可以抽取負(fù)壓的密閉空間。接著便是啟動(dòng)泵閥系統(tǒng)抽取負(fù)壓。由于一開始筒基入泥比較淺，貫入的阻力比較小，因此所需要的負(fù)壓也較小。隨著貫入深度的加大，貫入的阻力也不斷加大。貫入完成的最后一刻，貫入阻力達(dá)到最大，但此時(shí)筒基已經(jīng)大部分入泥，可以發(fā)生屈曲的范圍已經(jīng)很小。從這個(gè)過程很難判別出哪個(gè)時(shí)刻是筒基最容易發(fā)生屈曲的時(shí)刻。

1.2 筒基的結(jié)構(gòu)形式

該筒基直徑6 m，高度10 m，頂蓋處有高度1.5 m分布緊密的筋板，另外筒壁上有幾道沿高度通長(zhǎng)布置的筋板，吸力樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示?？紤]到貫入阻力的問題，除了頂蓋外，筒基上沒有布置水平的筋板。筒基在設(shè)計(jì)時(shí)，最先考慮的是吸力樁頂蓋的強(qiáng)度，其次是筒壁的強(qiáng)度，最后才是筒壁內(nèi)部筋板的強(qiáng)度，這種設(shè)計(jì)與各部分的強(qiáng)度也密切相關(guān)。因?yàn)轫斏w是平板，在水壓的作用下最容易發(fā)生屈曲破壞，筒壁是圓柱形，發(fā)生屈曲的可能性次之，筋板是沿著高度方向承受載荷，它與頂蓋和筒壁構(gòu)成了T形梁的受力形式，因此最難發(fā)生屈曲。由此得出，在一般筒基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，頂蓋的鋼板厚度最大，筒壁次之，筋板最薄。

圖3 吸力樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)(單位：mm)

筒形基礎(chǔ)應(yīng)用于海洋平臺(tái)上，技術(shù)人員一般最為關(guān)心的是貫入性能和承載能力，即筒基可以安裝到泥面以下指定的設(shè)計(jì)深度，同時(shí)保證平臺(tái)在位工況下能夠抵抗作業(yè)和極端條件下的環(huán)境載荷(風(fēng)、波、流等，渤海等寒冷的海域還會(huì)有冰)、地震載荷、設(shè)備載荷、人員載荷等的考驗(yàn)。設(shè)計(jì)中也會(huì)按照大直徑薄壁圓筒的理論對(duì)筒形基礎(chǔ)進(jìn)行貫入屈曲分析，但僅限于理論公式的分析。不過從筒形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)來看，它并不完全屬于大直徑薄壁圓筒，因?yàn)橥残位A(chǔ)一端開口，一端封閉。開口端的約束是由海底泥土提供的約束，并且隨著貫入深度的不同，土體對(duì)于筒基的約束也在不停的變化之中，因此想要模擬整個(gè)過程中筒基的屈曲強(qiáng)度的變化，并不是一件容易的事。查看圖1和圖2現(xiàn)場(chǎng)損壞的照片，考慮筒基貫入的整個(gè)過程，并結(jié)合其具體的結(jié)構(gòu)形式，需要借助準(zhǔn)確且直觀的三維數(shù)值模擬分析來找出筒基發(fā)生屈曲的真正原因。

2 屈曲計(jì)算分析

在進(jìn)行計(jì)算分析之前需要確定約束形式和施加的載荷。

對(duì)于約束形式，前面已經(jīng)提到，在貫入的整個(gè)過程中，約束是在不斷變化的，因?yàn)橥不娜肽嘣诓粩嗟淖兓?。再有就是筒基頂蓋和筒壁上的水壓隨著貫入深度的加深也在不斷的加大(泵閥系統(tǒng)提供)?？梢赃x取其中幾個(gè)典型的時(shí)刻，比如開始抽取負(fù)壓的時(shí)刻、貫入的中間時(shí)刻和貫入即將結(jié)束的時(shí)刻。還可以再在這幾個(gè)時(shí)刻中增加幾個(gè)來保證分析的準(zhǔn)確性，或者考慮一個(gè)比較簡(jiǎn)單和相對(duì)保守的辦法，選取自重入泥時(shí)候的入泥深度，同時(shí)選取貫入過程中最大的貫入壓力來進(jìn)行分析，這樣可以覆蓋貫入的整個(gè)過程。為了簡(jiǎn)便，本文選用后者進(jìn)行分析，保守考慮筒壁和頂蓋施加同樣的壓力，如圖4所示是計(jì)算分析的模型及約束形式。

圖4 筒基模型及約束條件

按照筒基的結(jié)構(gòu)圖紙建立了三維有限元分析模型，采用shell單元進(jìn)行模擬，分別賦予相應(yīng)的實(shí)常數(shù)來模擬不同的板厚。建模與一般的有限元分析相似，此處不再敘述。因?yàn)橐?jì)算筒基的屈曲強(qiáng)度，因此必然用到非線性分析，且需要同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性。材料非線性可以通過設(shè)置材料屬性來實(shí)現(xiàn)，采用理想的彈塑性模型；幾何非線性需要打開大變形設(shè)置，通過收斂的設(shè)置來追蹤結(jié)構(gòu)變形的過程，主要是找出結(jié)構(gòu)臨界屈曲的應(yīng)力值。非線性分析的過程可參考相應(yīng)的有限元書籍獲得幫助。

因?yàn)榉蔷€性的分析是一個(gè)比較耗時(shí)的工作，而且很容易出現(xiàn)不收斂的情況，導(dǎo)致計(jì)算分析失敗，因此需要在非線性分析之前引入1個(gè)初始的缺陷，來加快收斂的過程。一般的做法是首先進(jìn)行一個(gè)特征值的屈曲計(jì)算，獲得理論上的臨界屈曲應(yīng)力，同時(shí)得到它的第1階模態(tài)。在第1階模態(tài)的基礎(chǔ)上引入1個(gè)微小的變形作為缺陷，用于觸發(fā)屈曲計(jì)算，加快計(jì)算的收斂。

接下來就是進(jìn)行非線性有限元的分析，此處略去計(jì)算的過程，直接給出計(jì)算分析的結(jié)果。通過讀取筒壁上施加的載荷和筒壁徑向位移的數(shù)據(jù)繪制出1條曲線，如圖5所示。當(dāng)出現(xiàn)壓力不增加而位移大幅增長(zhǎng)的時(shí)候就可認(rèn)為筒壁出現(xiàn)了屈曲，這個(gè)點(diǎn)即被認(rèn)為是屈曲臨界點(diǎn)。圖中可以看出臨界屈曲應(yīng)力約為0.28 MPa。

圖5 載荷位移曲線

此時(shí)查看筒基的應(yīng)力和變形情況，如圖6、圖7圖所示。從圖中可以看出筒壁向內(nèi)凹陷的位移也就只有5 cm，應(yīng)力水平除了個(gè)別地方的應(yīng)力集中點(diǎn)不能作為參考外，最大應(yīng)力約為200 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。這說明屈曲剛剛發(fā)生的時(shí)候，筒壁還處于小變形和低應(yīng)力狀態(tài)，只有屈曲真正發(fā)生了，產(chǎn)生了塑性變形時(shí)結(jié)構(gòu)才進(jìn)入大變形和高應(yīng)力的狀態(tài)。

3 結(jié)論

曹妃甸筒基在現(xiàn)場(chǎng)貫入的壓力監(jiān)測(cè)顯示，貫入壓力一直低于0.28 MPa，也就是說計(jì)算結(jié)果顯示筒基是不可能發(fā)生屈曲的，可能有其他的因素存在。現(xiàn)場(chǎng)的反饋是，發(fā)生最嚴(yán)重變形的筒基在貫入過程中出現(xiàn)了貫入困難的現(xiàn)象，考慮筒基下部可能存在異物增加了貫入阻力，而且此筒基相比其他筒基多1根中央立柱，該立柱的高度與筒基一致，它的存在大大增加了貫入的阻力。施工人員在發(fā)現(xiàn)貫入困難的時(shí)候沒有采取其他措施，而是繼續(xù)加大貫入壓力，這可能導(dǎo)致筒基內(nèi)部的密封泥土發(fā)生了嚴(yán)重的滲流作用，土體對(duì)于筒基底部的環(huán)向約束大大減弱，這可以通過圖1觀測(cè)到，筒基底部變形最為嚴(yán)重。

圖6 屈曲發(fā)生時(shí)筒壁徑向位移云圖

圖7 屈曲發(fā)生時(shí)筒基等效應(yīng)力云圖

通過上述的原因分析和有限元計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

(1)屈曲臨界狀態(tài)時(shí)，筒基結(jié)構(gòu)處于小變形、低應(yīng)力的狀態(tài)，因此現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要嚴(yán)格控制貫入的壓力。

(2)貫入前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)進(jìn)行探摸，清理安裝位置的雜物。

(3)當(dāng)貫入困難時(shí)應(yīng)立即停止操作，分析清楚原因后再進(jìn)行施工，或者更換安裝地點(diǎn)。

(4)筒基設(shè)計(jì)中應(yīng)專門增加非線性的有限元分析，保證筒基具有足夠的屈曲強(qiáng)度。

(5)筒基應(yīng)設(shè)置沿筒基高度布置的筋板，筋板的高度和間隔需要根據(jù)非線性有限元分析的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

[1] 王永勝.桶型基礎(chǔ)平臺(tái)在渤海邊際油田開發(fā)中的應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008：1-34.

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2016-02-14

郭小亮(1982—)，男，工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；崔文濤(1982—)，男，工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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