拖航工况自升式平台桩腿结构强度计算分析

尹秀凤，刘 静，李 磊，于长江

(烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台264000)

自升式平台到指定海域作业，需要进行迁移，即拖航。拖航按照时间和距离可以分成不超过12 h的近距离拖航(近海拖航)和超过12 h的远距离拖航(远洋拖航)。在拖航时，平台主体漂浮在海面上或者搁置在运载驳船上，桩腿升起，桩腿通过固桩块固定，使得桩腿的受风面积大，重心高，受较大摇摆惯性力以及力矩的作用。会产生桩腿在拖航的过程中损坏。因此，在设计初期，桩腿结构的强度是否满足拖航状态要求，非常重要［1］。近海拖航时间较短，且环境较温和，桩腿的强度一般都能满足。本文重点分析远洋拖航工况下，桩腿强度在满足规范美国船级社(ABS)规范以下称《ABS规范》要求的前提下，对桩腿结构的影响。

1 载荷计算

平台拖航时，桩靴收回到平台主体，桩腿升到平台的主甲板以上，通过锁紧装置使得桩腿和船体牢固地连接在一起。受环境载荷的作用，平台发生摇摆运动后桩腿将受到动力载荷的作用，桩腿的动力计算通常采用准静态的分析。主要受力包括:①风力;②平台运动使桩腿倾斜，桩腿重量引起的力和力矩;③平台运动产生的惯性力和力矩［2-3］。

1.1 风力

风力Fwind对桩腿的结构强度有较大的影响。

式中:v——风速，m/s;

Ch——高度系数;

Cs——形状系数;

A——桩腿的受风面积，m2。

1.2 惯性力

在拖航工况下，假定平台摇摆为简谐运动，摇摆中心为水线面处的漂心，见图1。摇摆角θ为

式中:θ0——摇摆幅值;

T——摇摆周期。

图1 桩腿拖航工况下惯性力的计算

桩腿任意分段i的质量为m，则加速度引起的惯性力的分解为平行于桩腿轴线的分量FiH和垂直于桩腿的分量FiV。

1.3 桩腿的重力

桩腿在摇摆时由于桩腿发生倾斜，桩腿自重也可分解成平行于桩腿轴线的分力和垂直于桩腿轴线的分力。桩腿拖航工况下重力的计算见图2。

图2 桩腿拖航工况下重力的计算

桩腿倾斜θ角，桩腿自重的横向FGH和垂向分力FGV分别为

远洋拖航，《ABS规范》2008版的设计标准为:桩腿应能承受周期10 s，单摆幅值为15°的纵摇和横摇运动时所产生的弯矩和由于桩腿倾斜而产生的重力弯矩的120%，风载荷没有考虑。

2 桩腿结构优化

以某自升式平台为例，桩腿结构为桁架式，其截面形状为三角形，由弦杆(齿条板和半圆管组成)、水平撑杆和斜撑杆组成，见图3。

图3 桩腿结构

按照《ABS规范》的设计标准，就拖航工况下桩腿结构中的弦杆间距离、弦杆截面、水平撑杆截面和斜撑杆截面的变化，利用SACS软件，依据AISC规范，对桩腿强度的影响进行计算分析。

2.1 弦杆间距离的改变

弦杆间距离见图4，弦杆距离变化，桩腿结构截面外形也相应变化。本文在原来桩腿结构的基础上，弦杆间距离减少1%～7%，其它保持不变，就拖航工况而言桩腿结构强度有所增强，尤其是弦杆的强度增强比较显著，见图5。

2.2 弦杆截面的改变

弦杆是桁架式桩腿结构的主要构件，主要由齿条板和半圆管组成，详细截面形状见图6。改变此截面形式的弦杆在半圆管的厚度、半圆管外径、齿条厚度，而其它保持不变。对桩腿的结构强度进行评估。具体计算结果见图7～9。半圆管的厚度、半圆管半径增加，齿条厚度增加，水平撑杆和弦杆的强度增强，斜撑杆没有变化。

2.3 水平撑杆截面的改变

图9 齿条不同厚度的桩腿结构强度UC值

水平撑杆根据API标准钢管和ASTM标准钢管表选择不同的型号，分析计算不同水平撑杆的桩腿的结构强度，见图10。

图10 不同水平撑杆的桩腿结构强度UC值

分析可知，水平撑杆的变化对桩腿结构的弦杆强度基本没有影响，对斜撑杆的强度影响也是非常小，但是对水平撑杆的影响非常显著。水平撑杆壁厚不变，管径越大，桩腿的结构强度越强;管径不变，壁厚越大，桩腿的结构强度越强;但是相比较而言，管径变化较壁厚变化对桩腿强度的影响较大。

2.4 斜撑截面的改变

斜撑杆根据API标准钢管和ASTM标准钢管表选择不同的型号，分析计算不同斜撑杆的桩腿的结构强度，见图11。

分析可知，斜撑杆的变化对桩腿结构的水平撑杆强度基本没有影响，对弦杆的强度影响也是非常小，但是对斜撑杆的影响非常显著。斜撑杆壁厚不变，管径越大，桩腿的结构强度越强;管径不变，壁厚越大，桩腿的结构强度越强;但是相比较而言，管径变化较壁厚变化对桩腿强度的影响较大。

图11 不同斜撑杆的桩腿结构强度UC值

3 结论

1)改变桩腿弦杆间的距离，对桩腿结构强度的影响较大，其弦杆、水平撑杆和斜撑杆的强度都有增加。

2)弦杆的改变，对桩腿中的弦杆强度影响较大;对水平撑杆的强度有影响;斜撑杆的强度基本没有变化。

3)水平撑杆的改变，对桩腿中的水平撑杆强度影响较大;对斜撑杆的强度有影响;弦杆的强度基本没有变化。

4)斜撑杆的改变，对桩腿中的斜撑杆强度影响较大;对弦杆的强度有影响;水平撑杆的强度基本没有变化。

另外就拖航工况进行计算分析得到的上述结论，仅对工程人员进行平台的基础设计提供参考和借鉴。对于自升式平台的重要结构桩腿而言，站位强度也非常重要，而且桩腿的结构设计要综合考虑功能和布置等因素。

［1］陈 宏.“BMC 375”型自升式平台简况及设计特点［J］.中国海洋平台，2010，25(5):2-3.

［2］孙东昌，潘 斌.海洋自升式移动平台设计与研究［M］.上海:上海交通大学出版社，2008.

［3］欧进萍，段忠东，肖仪清.海洋平台结构安全评定-理论、方法与应用［M］.北京:科学出版社，2003.