ANSYS/LS-DYNA在海洋平台打桩拒锤分析中的应用

刘 颖，王洪伟

（1.中国石油大学胜利学院，山东东营 257000；2.中石油海洋工程公司船舶事业部，天津 300451）

ANSYS/LS-DYNA在海洋平台打桩拒锤分析中的应用

刘 颖1，王洪伟2

（1.中国石油大学胜利学院，山东东营 257000；2.中石油海洋工程公司船舶事业部，天津 300451）

在导管架平台打桩过程中，由于施工条件或土壤特性突变等因素的影响会出现拒锤现象。拒锤时桩锤的动能几乎全被钢桩本身吸收，需对桩身的安全性进行分析。文章利用ANSYS/LS-DYNA软件对桩体进行动力冲击分析，通过软件建立桩的分析模型，对拒锤时桩的受力状况进行模拟，得出桩的应力分布及变形曲线。结果表明，ANSYS/LS-DYNA能很好地计算出打桩拒锤时桩的应力分布，为工程优化设计提供依据。

海洋平台；钢管桩；ANSYS/LS－DYNA软件；打桩；拒锤；应力分析

0 引言

导管架平台依靠桩基础来支撑上部甲板结构及生活生产设施，一般采用开口钢桩，通过冲击锤打入海底。要求每根桩都要打到或接近设计的深度而不至于破坏。在打桩过程中，随着打入深度的增加及土壤条件的不断变化，当桩打入一定持力层而未到达设计贯入深度时，土壤特性的突变有可能使桩贯入152 mm（6 in）而锤击数超过800次，从而产生拒锤现象。此外，海上打桩施工作业经常受天气条件、接桩焊接、船只调度或者打桩锤更换等原因的影响，造成桩不能一次性贯入到设计深度。这种施工中的停锤少则几个小时，多则几天或者几周，长时间的停锤必然引起土体固结，造成继续打桩的困难或者拒锤的产生。当施工过程中拒锤时，桩锤的锤击能量几乎全被钢桩本身吸收。由于锤击能量较大，需对桩身的安全性进行分析。

1 关于LS-DYNA

LS-DYNA是军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元软件，是以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，能够模拟实物的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维结构的非线性动力冲击问题。ANSYS/LS-DYNA将显式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序强大的前后处理结合起来。用LS-DYNA的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题。

冲击问题是一类特殊的动力学问题。海洋平台打桩过程中是利用桩锤的冲击克服土壤对桩的阻力，使桩端沉到预定的设计深度或达到地基持力层。可见，打桩问题为典型的冲击问题。钢管桩在打桩过程中发生拒锤现象时容易发生纵向压曲而破损，利用LS-DYNA的动力分析功能可以模拟拒锤时桩端、桩身及桩顶具体的应力分布状况。

2 分析模型假设

打桩过程中，发生拒锤时桩体在锤击作用下贯入152 mm而锤击数超过800次，平均每锤击进尺较小，桩侧的土体发生扰动，桩侧阻力较小。对模型简化分析假设如下：

（1）由于土体扰动，忽略拒锤时桩侧阻力。

（2）桩端的桩土作用为刚性接触，打桩拒锤发生时，桩锤动能被桩体吸收，桩头没有进尺。

3LS-DYNA计算

与一般的CAE辅助分析程序操作过程相似，ANSYSY/LS-DYNA的显式动力分析过程包括前处理、求解以及后处理三个基本操作环节。

3.1 前处理

在前处理器中，定义LS-DYNA显式分析单元，从而激活一个LS-DYNA显式分析。所选的模型为埕岛油田某平台预打加固桩，桩长54.3 m，桩径1 200 mm，壁厚为24 mm、28 mm、30 mm的变壁厚开口钢管桩 （见图1）。

根据几何参数在ANSYS中建立分析模型，对模型划分单元网格，定义载荷数组，即载荷—时间变量数组。为模拟在打桩拒锤时的最不利条件，将模型下部单元约束。

3.2 分析选项设置及求解

在LS-DYNA中设置求解时间，将结果输出文件的类型设置为ANSYS and LS-DYNA；设置壳单元厚度方向积分点输出个数，将能量控制选项中的所有选项打开；设置完成指定分析的结束时间和各种求解控制参数，形成LS-DYNA计算程序的数据输入文件，递交LS-DYNA求解器进行计算。

3.3 计算分析

通过LS-PREPOST后处理程序读入计算结果文件，在窗口中设置4个视图，分别显示变形、竖向速度、竖向变形和桩体应力分布 （见图2）。

在程序中选择所关注的节点进行分析，沿桩体竖向方向每隔0.5 m选择一个节点，显示各个节点的速度变化曲线和竖向变形曲线及应力变化曲线等。根据所选节点，分析距离桩顶和桩端不同节点的应力和变形情况 （图3所示为节点8078的竖向变形随时间的变化），对不同节点进行校核。校核后如不满足设计要求，在命令流中更改桩段壁厚，再次进行计算，直到得出合理的设计壁厚。

在该工程分析中，打桩拒锤发生时对桩身影响最大的点在距离桩顶0.91 m的地方。多次更改钢管桩壁厚计算，结果显示将桩顶壁厚改为28 mm更合理、经济，满足施工安全要求。计算结果同时显示在桩底的节点应力和变形也较大，在设计中应加大桩底下端2～3 m处的壁厚。

利用ANSYS/LS-DYNA软件对打桩拒锤进行模拟计算，可以得到优化结果。

[1]罗传信，王柳君，唐红英，等.海洋桩基平台[M].天津：天津大学出版社,1988.

[2]苏宏阳，郦锁林，曾进仑，等.基础工程施工手册[M].北京：中国计划出版社，1996.

[3]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4]王靖涛.桩基应力波检测理论及工程应用[M].北京：地震出版社，1999.

Application of ANSYS/LS-DYNA in Analysis of Piling-rejection in Offshore Jacket Platform

LIU Ying（Shengli School of Petroleum University of China,Dongying 257000,China）,WANG Hong-wei

Sometimes piling-rejection happens during piling operation in offshore jacket platform installation owing to abrupt changes of construction conditions or soil properties.In such case,the dynamic energy of hammer is almost completely absorbed by steel pile,the pile safety needs analyzing.The software ANSYS/LSDYNA is applied to analyze the dynamic impact on the pile.The force status of the pile under piling-rejection is simulated based on the pile modeling,and the curves of pile stress distribution and deformation are obtained.The results show that ANSYS/LS-DYNA is a powerful tool for piling optimization.

offshore platform;steel pipe pile;software ANSYS/LS-DYNA;piling;piling-rejection;stress analysis

TE951

B

1001－2206（2011）03－0025－02

刘 颖 （1980-），女，山东高青人，讲师，2003年毕业于山东理工大学，现主要从事油气田工程安全分析研究工作。

2010-05-10；

2010-11-30