水平载荷下群桩效应对导管架平台结构计算的影响

刘 毅，杨树耕，潘 阳，车晓旭

（天津大学建筑工程学院，天津300072） ①

水平载荷下群桩效应对导管架平台结构计算的影响

刘 毅，杨树耕，潘 阳，车晓旭

（天津大学建筑工程学院，天津300072） ①

考虑群桩效应，分析了导管架平台在水平载荷作用下桩土间相互作用的计算原理。在ANSYS软件中结合p－y曲线法，对某导管架平台分别建立了考虑和不考虑群桩效应的非线性有限元模型，以及泥面下6倍桩径处加固支的简化模型。通过对比3者的计算结果，得出群桩效应影响导管架平台结构计算的有关结论。

导管架平台；群桩效应；ANSYS；非线性

随着桩基导管架平台的不断兴建及其工作水深的日益增加，桩基础得到了广泛应用。在较深的海域，导管架桩基承受着较大的水平载荷，此时对桩基础的受力特性进行研究就显得尤为重要。天津大学齐志会、张建勇等对海洋平台单桩的桩土相互作用进行了深入分析［1－3］，但对群桩涉及较少。对于群桩支承的导管架结构，由于群桩效应使土体存在应力叠加和位移重叠问题，使地基土的性质发生很大的变化，单桩分析已不能满足其结构计算的要求。本文应用ANSYS有限元软件对某群桩式导管架平台进行了3种方式的模拟，分别为考虑群桩效应和不考虑群桩效应的非线性模型，以及工程中常用的泥面下6倍桩径处加固支的简化模型。通过比较3者计算结果，得出群桩效应对导管架平台结构计算的影响及可行的有限元模拟方法。

1 水平载荷作用下桩土相互作用计算原理

1.1 单桩p－y曲线法

计算水平承载桩的桩土相互作用有3种方法：极限平衡法、弹性地基反力法和p－y曲线法。前2种方法都是假设载荷与位移之间呈线性关系，事实上这种理论只有在位移较小的情况下才成立。对于海洋平台的桩结构，由于位移较大，采用非线性弹性模型更适宜。p－y曲线法就是一种建立在非线性弹性模型基础上的计算方法，它通过现场试桩或与室内试验相关的方法直接给出各类土的p－y曲线。假设地基土符合Winker模型，可依靠割线模量建立起p－y之间的关系，即

式中，p为桩侧土抗力；Es为割线模量；y为位移。Es与深度z和位移y有关，即

p－y曲线法就是通过Es随z和y（或p）的变化反应了桩周土受力后的非线性特征。当给出某种土沿深度分布的p－y曲线，就可以利用迭代法求得式（1）的解。虽然p－y曲线法存在一些缺陷，但它是目前计算大变位下受水平力的最实用的方法，目前广泛应用于海上固定平台的桩基设计中［4］。

1.2 群桩p－y曲线法

对于导管架平台，如果其群桩的中心距＜8倍桩径，桩的入土深度＜10倍桩径，p－y曲线应考虑群桩效应的影响［5］。这是因为群桩不同于单桩，其桩的变形和群桩间土体塑性区的交叉重叠主要发生在桩入土的上部，随着入土深度的增加，前后桩土反力差别越来越小。由于桩与桩之间的这种相互影响，群桩基础的位移大于单桩，水平承载力也会降低。

在实际的海洋工程中通常只提供单桩的p－y曲线，群桩的p－y曲线需要对单桩的曲线加以修正而推求。杨克己等人提出了一种求得群桩p－y曲线的方法，以S0＝8d和z＝10d作为群桩效应产生影响的边界条件，用优选曲线法建立了群桩土抗力折减系数α的经验公式［6］为

式中，α为土抗力的折减系数；S0为桩距，m；d为桩径，m；z为桩入土深度，m；H为桩头所受的水平载荷，H≥He；He为桩的临界载荷；Hu为桩的极限载荷。

当H＜He时，可不计载荷对折减系数α的影响，即

2 群桩效应下导管架平台的结构计算

2.1 ANSYS中桩土相互作用的模拟方法

应用ANSYS有限元软件对水平载荷作用下桩土相互作用进行分析时，可结合p－y曲线法，依据现场海底土壤的性质和分层状况，将桩身受到的土反力作用简化为一系列与桩在x、y向垂直的等效集中的非线性弹簧，弹簧用COMBIN39单元模拟，这样就实现了桩土相互作用的ANSYS表达［7］。

COMBIN39是一种具有非线性广义力－变形能力的轴向单元。计算前首先要获得分析对象所在海域土质的p－y曲线数据，群桩情况下要根据式（3）或式（5）对p－y曲线进行折减。再将桩结构随深度划分单元，针对每个深度所对应的土层建立COMBIN39单元。把不同深度下土壤的p－y曲线数据作为离散点来明确定义该COMBIN39单元的力－变形（F－D）曲线。在输入实常数时，F对应p，D对应y。每条曲线需定义20个这样的离散点，随后即可对导管架平台进行非线性有限元分析。

2.2 导管架平台基本数据

图1是某导管架平台的底层平面布置示意图，工作水深为200.07m，平台下部共有16根大直径的钢管桩，直径d＝2.686m，入泥深度140m。钢材选用Q235钢，弹性模量E＝2.06×1011Pa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3。桩顶按顺序编号为1～16。由于每根导管架腿周围的4根群桩中心距S0都为10.524m，距径比仅3.918，根据文献［5］，计算时需要考虑这16根桩的群桩效应。

图1 群桩及导管架平面示意

2.3 群桩土抗力折减系数

为了分析群桩效应对导管架平台结构计算的影响，本文同时建立了此平台考虑和不考虑群桩效应的非线性模型和泥面下6倍桩径处加固支的简化模型以作比较。在考虑群桩效应的非线性模型中，10倍桩径（27m）以内的桩段要对直接提供的p－y曲线进行折减，计算得土抗力折减系数如表1所示。

表1 土抗力折减系数

2.4 有限元模型建立

3种模型的导管架主体用PIPE59单元模拟，泥面下桩用PIPE16单元模拟。非线性模型的土反力作用以COMBIN39单元模拟。非线性模型和简化模型分别如图2～3所示。

非线性模型中要耦合每根导管架腿与其周围的4根桩腿之间的全部自由度，并约束所有非线性弹簧外侧节点的全部自由度，仅约束桩腿底端节点的z向自由度，这样可使力的传递更符合实际。简化模型中省略了群桩，直接把导管架腿延伸到泥面下6倍桩径处加固支。

2.5 计算工况及载荷组合

本文仅取此导管架平台在自存状态下的环境条件为例进行计算。对3种模型施加3个工况下的载荷，以总结计算结果的规律。

1） 工况一 自存状态下波流力（0°）＋风力（0°）＋平台上部结构重力＋浮力。

2） 工况二 自存状态下波流力（45°）＋风力（45°）＋平台上部结构重力＋浮力。

3） 工况三 自存状态下波流力（90°）＋风力（90°）＋平台上部结构重力＋浮力。

图2 非线性模型示意

图3 简化模型示意

3 计算结果及分析

考虑群桩效应的非线性模型是3种模型中唯一考虑群桩效应的，本文以其为标准，与其他2种模型的计算结果分别作对比，得到群桩效应对导管架平台结构计算的影响。

3.1 群桩效应对导管架平台整体结构计算的影响

表2～5分别为考虑群桩效应的非线性模型和其他2种模型在导管架平台整体结构最大位移和最大应力上的对比。

由以上结果可知：对于导管架整体结构的位移和应力，在2个非线性有限元模型中，考虑群桩效应比不考虑的结果分别平均增加1.74%和减少0.01%，几乎相等；考虑群桩效应的非线性模型比简化模型的结果平均增加34.43%和减少9.92%，可见群桩效应对简化模型计算结果的影响较大。由此可知，当考虑导管架平台的群桩效应时，简化模型在整体结构计算中误差较大。因此，在导管架平台整体结构的初步方案设计中，有2种非线性模型是较为可行的。

表3 导管架平台整体结构最大位移（二）

表4 导管架平台整体结构最大应力（一）

表5 导管架平台整体结构最大应力（二）

3.2 群桩效应对桩基局部结构计算的影响

表6～7分别为2个非线性模型在导管架桩基最大位移和最大应力的对比。

表6 桩基最大位移

表7 桩基最大应力

由以上结果可知：在2个非线性模型中，群桩效应对于桩基产生最大位移和应力的位置没有影响，但是对计算结果影响较大，平均增幅分别高达10.39%和7.29%。可见，在设计或校核导管架平台桩基时，考虑群桩效应更趋于安全和准确。因此，在导管架平台的桩基局部结构计算中，应使用考虑群桩效应的非线性模型。

4 结论

1） 在ANSYS有限元软件中分别建立了考虑群桩效应和不考虑群桩效应的非线性模型，以及工程中常用的泥面下6倍桩径处加固支的简化模型，对某导管架平台进行了整体结构和桩基局部计算。证明群桩效应对导管架平台的结构计算有影响。

2） 采用COMBIN39非线性弹簧单元集中等效地模拟土反力作用是可行的。

3） 在导管架平台的整体结构计算中，群桩效应对简化模型影响较大，误差明显。此时2种非线性模型是较可行的模拟方法。

4） 在导管架平台桩基的局部结构计算中，由于2种非线性模型计算结果相差较大，群桩效应不可忽略，此时考虑群桩效应的非线性模型是较为可行的模拟方法。

［1］ 齐志会，杨树耕.导管架平台结构分析中基础边界条件的影响［J］.中国海上油气，2003，15（6）：5－8.

［2］ 张建勇.浅海独桩平台有限元分析及合理结构型式研究［D］.天津：天津大学，2005.

［3］ 齐志会.正压冲固平台结构分析中基础边界条件的分析研究［D］.天津：天津大学，2003.

［4］ 杨进良.土力学［M］.北京：中国水利水电出版社，2006：327－330.

［5］ 中国船级社.浅海固定平台建造与检验规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］ 杨克己，李启新，王福元.水平力作用下群桩性状的研究［J］.岩土工程学报，1990，12（3）：42－51.

［7］ 郝静辉.群桩基础独立桩式平台结构分析研究［D］.天津：天津大学，2005.

［8］ 徐松森，王西录，徐兴平.单桩腿有限元分析［J］.石油矿场机械，2007，36（10）：44－46.

［9］ 陈应华，段梦兰，王建怀，等.水下独立钢桩导向架的有限元强度分析［J］.石油矿场机械，2008，37（1）：28－31.

［10］ 胡胜刚.基于p－y曲线模型的桩基非线性性状分析研究［D］.武汉：武汉理工大学，2005.

［11］ 杨 进，刘书杰，姜 伟，等.ANSYS在海洋石油工程中的应用［M］.北京：石油工业出版社，2010：75－80.

Influence of Pile Group Effect on the Structure Calculation of Jacket Platform under Lateral Loads

LIU Yi，YANG Shu－geng，PAN Yang，CHE Xiao－xu
（School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China）

Considering the pile group effect，the calculation principle of pile－soil interaction was analyzes when the Jacket platform was under lateral loads.Using the p－ycurve method，nonlinear finite element models of jacket platform considering was built and not considering the pile group effect，a simplified model with unmoved hinged supported in 6times the pile diameter under the mud in the ANSYS software.By comparing the results of the three，some conclusions were drawn for the influence of pile group effect on the structure calculation of jacket platform.

jacket platform；pile group effect；ANSYS；nonlinear

1001－3482（2012）08－0026－04

TE952

A

2012－02－15

刘 毅（1987－），女，山西太原人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋结构物设计制造方面的研究，E－mail：liuyi－0704＠163.com。