靳寶旺

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

新建海洋平臺(tái)或?qū)Ч芗芎Ｉ习惭b時(shí)，如果周邊作業(yè)區(qū)域較為開(kāi)闊，一般會(huì)將工作錨投于水中著地，以此將主作業(yè)船牢固的系留在既定位置，如果主作業(yè)船距離已建平臺(tái)過(guò)近，拋錨受限，工作錨將無(wú)法拋入水中，為保持船身穩(wěn)定，一般會(huì)將高強(qiáng)度尼龍纜繩系固在已安裝導(dǎo)管架的主腿上，來(lái)替代工作錨，以此來(lái)保障海上施工的順利進(jìn)行。

本文將以此施工技術(shù)為研究對(duì)象，采用SACS軟件和ANSYS軟件對(duì)于主腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分別進(jìn)行校核，其中利用SACS軟件對(duì)用于系固纜繩的已建導(dǎo)管架進(jìn)行整體強(qiáng)度校核，利用ANSYS軟件對(duì)于系固主腿進(jìn)行局部強(qiáng)度校核，通過(guò)雙重校核，來(lái)驗(yàn)證系固主腿強(qiáng)度是否滿足要求。

1 導(dǎo)管架帶纜布置圖

以某渤海導(dǎo)管架海上安裝為例，新建平臺(tái)在進(jìn)行海上安裝時(shí)，由于空間受限，主作業(yè)船需帶纜到已建臨近導(dǎo)管架的主腿上，其中1號(hào)錨纜需要帶纜到B1主腿上，2號(hào)錨纜需要帶纜到B3主腿上，1號(hào)錨纜的角度變化范圍為：52°～15.9°，2號(hào)錨纜的角度變化為67.8°～17.7°，水平帶纜布置圖如下圖1所示。

圖1 水平帶纜布置圖

纜繩系固在導(dǎo)管架主腿和第一水平層的相交位置，該位置處的導(dǎo)管架主腿管徑φ2100mm，壁厚60mm，腿內(nèi)鋼樁管徑φ1830mm，壁厚45mm，主腿帶纜位置詳圖如下圖2所示。

圖2 主腿帶纜位置詳圖

2 導(dǎo)管架整體強(qiáng)度校核

導(dǎo)管架整體強(qiáng)度校核包括桿件UC校核，節(jié)點(diǎn)LOAD UC校核，鋼樁UC校核，鋼樁的承載力校核。

整體強(qiáng)度校核采用SACS 5.7軟件，SACS模型包括全部已建導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)，系固工況為平臺(tái)自重，導(dǎo)管架自重，風(fēng)浪流等環(huán)境條件與最大錨纜力的組合，詳細(xì)工況組合情況詳見(jiàn)表3-表4。

2.1 環(huán)境條件

環(huán)境條件主要包括風(fēng)浪流，計(jì)算中需考慮8個(gè)方向的環(huán)境力，即4個(gè)平行方向（ 0°，90°，180°和270°），4個(gè)斜向方向，（45°，135°，225°和315°）。相關(guān)環(huán)境參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 系固工況下的環(huán)境參數(shù)

2.2 破斷荷載與工況組合

根據(jù)安裝方提供的數(shù)據(jù)，纜繩的最大破斷力為250噸，結(jié)合#1號(hào)纜，#2號(hào)纜的角度變化范圍，計(jì)算中考慮2種極限工況組合，模型中施加的破斷荷載詳見(jiàn)表2.

表2 纜繩破斷荷載

計(jì)算中結(jié)合平臺(tái)自重，導(dǎo)管架自重以及環(huán)境條件，與破斷荷載進(jìn)行組合，組合后的工況詳見(jiàn)表3-表4。

表3 纜繩破斷工況（抗壓工況）

表4 纜繩破斷工況（抗拉工況）

表中WTMX為結(jié)構(gòu)最大自重，WTLT為結(jié)構(gòu)最小自重，通過(guò)與環(huán)境力和破斷荷載的不同組合，來(lái)分別驗(yàn)證導(dǎo)管架在抗壓和抗拉兩個(gè)工況下，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否均滿足要求，N001-N008為環(huán)境力，PD01/PD02為破斷荷載。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

SACS計(jì)算結(jié)果顯示，所有桿件UC均小于1.0，節(jié)點(diǎn)LOAD UC均小于1.0，鋼樁UC均小于1.0，滿足整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，鋼樁的承載力安全系數(shù)大于2.0，滿足規(guī)范要求。

3 導(dǎo)管架局部強(qiáng)度校核

SACS軟件模擬的是桿系結(jié)構(gòu)，能提供較為準(zhǔn)確的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果，為提高驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，本文采用ANSYS 17.1軟件，對(duì)系固主腿進(jìn)行二次局部強(qiáng)度校核，ANSYS作為通用的有限元軟件，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析時(shí)，將會(huì)提供更好的局部應(yīng)力分布結(jié)果。

3.1 系固主腿局部有限元模型

對(duì)B1腿和B3腿局部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行建模，采用ANSYS軟件建立兩種結(jié)構(gòu)形式的有限元模型，模型包括系固主腿和臨近所有拉筋結(jié)構(gòu)，模型中系固主腿管徑Φ2100mm，內(nèi)部含打入樁，構(gòu)成雙層管結(jié)構(gòu)，計(jì)算中使用擬合壁厚75mm，臨近拉筋的規(guī)格為Φ1016mm X 32mm和Φ1016mm X45mm。

有限元模型采用SHELL181殼單元，網(wǎng)格劃分為100mm，幾何模型和有限元模型如下圖所示：

圖3 B1系固主腿幾何模型

圖4 B1系固主腿有限元模型

圖5 B3系固主腿幾何模型

圖6 B3系固主腿有限元模型

3.2 邊界條件和荷載施加

系固主腿上下端面和所有拉筋根部端面六個(gè)自由度全約束，即限制住三個(gè)方向的平動(dòng)位移和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，有限元模型邊界條件詳見(jiàn)圖7-圖8。

圖7 B1系固主腿邊界條件

圖8 B3系固主腿邊界條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算，外部受力僅考慮纜繩荷載，不考慮風(fēng)浪流等環(huán)境力，其中纜繩荷載施加在與錨纜方向垂直的主腿半圓區(qū)域上的所有節(jié)點(diǎn)，為模擬系固主腿的真實(shí)受力情況，荷載大小采用余弦力的方式進(jìn)行加載，錨纜力從受力中心向兩邊依次遞減，計(jì)算中采用的破斷荷載為250噸，錨纜方向詳見(jiàn)表2，具體荷載施加情況詳見(jiàn)圖9-圖12。

圖9 B1系固主腿施加載荷-PD01工況

圖10 B1系固主腿施加載荷-PD02工況

圖11 B3系固主腿施加載荷-PD01工況

圖12 B3系固主腿施加載荷-PD02工況

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

四種工況下的有限元結(jié)果如下圖所示，最大的Von Mises Stress結(jié)果為86.382Mpa，位于纜繩在主腿上的受力區(qū)域，按照許用應(yīng)力0.67xFy=0.67x355=237.85Mpa驗(yàn)證，結(jié)果滿足要求，從圖中可以看到，整體應(yīng)力分布均勻，受力形式較好。

圖13 B1系固主腿計(jì)算結(jié)果-PD01工況

圖14 B1系固主腿計(jì)算結(jié)果-PD02工況

圖15 B3系固主腿計(jì)算結(jié)果-PD01工況

圖16 B3系固主腿計(jì)算結(jié)果-PD02工況

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)SACS軟件和ANSYS軟件對(duì)于導(dǎo)管架系固主腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了雙重校核，得出了系固主腿在250噸錨纜力下的應(yīng)力分布與局部變形大小，計(jì)算分析表明，結(jié)果均滿足要求，該計(jì)算方法的探討，為今后海上帶纜施工，提供了一種新的解決方案與分析思路，為保障海上安全順利施工，提供了技術(shù)支持。