非对称半潜式重型起吊平台总体屈曲强度评估

李德江，李 磊，曹庆禺，邵 丹

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台264000）

0 引言

SSCV II平台是世界上首座无横撑并且非对称结构形式的半潜式海洋平台。该平台集海上重型起重作业、甲板货物储存及生活居住功能为一体，两台全回转起重机全部位于右舷，单机起吊能力为1 800t，联合起吊3 600t。作业海域包括西非和墨西哥湾，采用DP-3动力定位，并可满足618人生活居住。

作为半潜式平台安全运行的重要指标之一，结构的屈曲强度需要进行评估，多家船级社均有专门的规范对屈曲强度进行校核［1-3］。该文采用直接计算法对SSCVII平台进行多种工况强度计算，对结构的屈曲强度进行全面的评估，评估流程及评估的结果可为此类平台的设计提供参考。

1 平台的有限元模型

平台为4立柱双浮体结构，由2个非对称的浮体（主浮体和辅浮体），4个立柱和1个上船体组成，其主尺度见表1。

表1 平台的主尺度

图1 总体有限元模型

平台有限元模型采用空间的板梁组合结构。其中外壳板、舱壁、甲板、T型材的腹板等采用4节点壳单元，T型材的面板、扶强材等采用2节点梁单元，总体有限元模型如图1所示。

为了反映真实的重量分布，需要根据重量报告、压载报告、总布置图和舱室布置图来进行调整重量分布。其中调整密度的方法一是用来调整因简化建模而产生的质量差，二是将设备、管路、电气、舾装等各专业的重量以及压载重量均布到结构上，采用集中质量点的方法用来模拟大型设备。

2 总体强度的计算

2.1 计算工况

按照船级社的要求，需要对平台可能遇到的所有情况进行强度评估，包括静水工况、风暴自存工况、正常工作工况、拖航工况、破损工况。

静水工况用来评估结构处于最大吃水时的静态强度；风暴自存工况用来评估结构遭遇百年一遇的风浪时的强度；正常工作工况用来评估结构处于正常工作状态时的强度，如居住工况和起吊工况，此时海况通常比较温和；拖航工况用来评估结构在自航迁移时的强度，此工况吃水较浅，波浪响应较大，对水线附近的结构强度应予以关注；破损工况用来评估结构的冗余能力，指部分结构破损后，其他结构的承载能力，此时的波浪载荷按照1年期的海况进行计算，通常约是百年海况的80%［4］。

2.2 计算载荷

直接计算中，将平台承受的载荷分为静态载荷和动态载荷，在后处理中将两种载荷作用下的结构响应进行叠加。

静态载荷包括平台的自重，最大工作载荷，静水浮力；动态载荷主要考虑波浪载荷的影响，而由风和流引起的载荷，可看作是稳定的载荷，并且对于总体强度的影响是可忽略的，所以这些载荷在总体强度分析中是不考虑的。

2.3 波浪载荷的计算

波浪载荷的计算采用设计波法，选用的特征载荷包括浮筒间的分离力，横轴的扭矩，浮筒间的纵向剪切力，浮筒上的垂向波浪弯矩，甲板质量的纵向加速度，甲板质量的横向加速度，甲板质量的垂向加速度。

该类平台由于无横撑结构，上船体对于横浪引起的浮筒间的分离力载荷非常敏感，尤其是立柱和上船体的连接部位需要特殊考虑。实际计算结果也证明，对于无横撑的结构形式横浪引起的分离力和分离弯矩是主导载荷。

3 屈曲强度评估

对于无横撑的SSCVII，主要是由板、加筋板和加强筋组成。根据ABS规范，对板和加筋板的屈曲强度进行校核。

3.1 屈曲失效模式

对于平板和加筋板的结构形式，其屈曲失效模式包括三个层级：板的屈曲层级，加筋板的屈曲层级，强支撑的屈曲层级（如图2所示）。

图2 平板、加筋板失效模式

从可靠性的角度来看，没有哪个层级的屈曲可以100%的防止，为了防止结构整体性屈曲发生，在设计中要保证后一层级结构的屈曲强度要高于前一层级［1］。

3.2 设计刚度要求

通过设计板，加强筋以及强支撑之间的刚度（惯性矩）来避免后一层级先于前一层级发生屈曲，即避免强支撑先于加强筋屈曲，加强筋先于板发生屈曲。具体的刚度要求如下：

（1）加强筋的刚度要不小于i0

式中：i0为加强筋的最小惯性矩要求；s为加强筋和扶强材的间距；t为加强筋和扶强材所支撑板的厚度；v为泊松比取0.3；γ0为几何系数。

（2）强支撑的刚度要满足式（2）要求

式中：IG为支撑加强筋的强支撑的惯性矩（考虑有效带板）；i0为用式（1）计算的惯性矩；B为强支撑的跨距；l为加强筋的跨距。

（3）腹板上扶强材的刚度要满足（3）式要求

式中：Ie为腹板上扶强材的惯性矩（考虑有效带板）；l为扶强材的跨距；t为腹板的板厚；s为扶强材的间距。

3.3 加强筋的局部屈曲

在结构设计过程中，为了避免加强筋发生局部屈曲，对其腹板的高厚比和面板折边的宽厚比有一定的要求。如果设计不满足下述要求，则需要校核加强筋的局部屈曲。对于面板的要求见式（4）

式中：b2为面板折边宽度；tf为面板板厚；E为材料弹性模量；σ0为材料的屈服强度。

对于腹板的要求，角钢和T型材见式（5），球扁钢见式（6），扁钢见式（7）

式中：dw为腹板的高度；tw为腹板的厚度。

3.4 平板层级的屈曲

该层级需要校核板的屈曲强度，极限强度以及板承受侧向压力强度的能力。

（1）板的屈曲强度

式中：σxmax，σymax分别为纵向和横向最大的压应力；τ为剪应力；σcx，σcy，τc分别为纵向和横向的单轴压力下的临界强度和剪应力的临界强度；η为最大的许用强度利用系数，静载工况下取0.6，组合工况取0.8。

（2）板的极限强度

式中：σux，σuy，τu分别为纵向和横向的单轴压力下的极限强度和剪应力的极限强度；φ为纵向应力和横向应力的关联系数。

（3）板的侧向压力强度

式中：qu为板上所受的侧向压力，应不大于侧压的计算值，从公式（10）中可以看出，该计算值与板面内的应力水平有关，即σe为等效应力；α为板格的长宽比。

3.5 加筋板层级的屈曲

该层级需要校核加强筋及附连带板的柱屈曲强度和扭转屈曲强度。

（1）柱屈曲强度

式中：σa，σb分别为轴向压力和弯曲应力；Cm为弯矩调整系数，通称取0.75；σCA为临界屈曲应力；σE（C）为欧拉屈曲应力。

（2）扭转屈曲强度

式中：σCT为临界扭转屈曲应力。

3.6 强支撑的屈曲

该层级校核强支撑的屈曲强度。通常设计中用防倾肘板来避免强支撑发生扭转屈曲，同时如果强支撑结构的长细比λ＞0.5的，则需要按照公式（11）来校核柱屈曲强度。对于强支撑的腹板则需要按照公式（8）来进行校核。

4 评估结果

以风暴自存下的结果来对总体屈曲强度进行评估，通过后处理程序对平台所有板格进行屈曲强度的计算。在左舷辅助浮体的外壳上，选取一部分的板格作为示例，进行屈曲强度校核，板格尺寸见表2、表3，载荷情况见表4，校核结果见表5～表7。在表格中，侧压和应力的单位是MPa。

图3 屈曲结果

表2 屈曲校核的板格尺寸

表3 板格的强支撑

表6 板和加筋板的屈曲校核结果（利用率）

表7 T型材的局部屈曲校核结果（利用率）

5 结语

通过直接计算法对非对称且无横撑结构形式的半潜式平台进行了总体屈曲强度评估，计算工况包括了静水工况，风暴自存工况、正常工作工况、拖航工况下、破损工况五种工况。可以得到以下结论：（1）直接计算法和屈曲强度校核方法符合船级社要求，可为同类平台分析提供参考；（2）对于下浮体，按照压头设计出的结构尺寸通常大大超过屈曲刚度的要求；（3）对平板结构进行屈曲强度校核时，需要考虑侧压，板的极限强度，加强筋的屈曲强度以及强支撑的屈曲强度；（4）可通过编写后处理程序对所有平板板格进行屈曲强度评估。

［1］ABS.Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structure［S］.2007.

［2］DNV.Buckling Strength of Plated Structure［S］.2002.

［3］CCS.海上移动平台入级与建造规范［S］.2005.

［4］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］.2008.