固定平台桩腿强度分析

王 榕

（中国船级社青岛分社，山东 青岛 266071）

0 引 言

浅海领域的采油主要借助于海上固定平台，这种固定平台尤其以我国渤海湾数量众多，由于其特殊的结构形式，在建造或营运检验过程中，平台的强度校核对平台安全评价尤为重要。特别是平台桩腿结构形式对平台的强度影响，其主要有两种形式：1) 非灌浆型的桩腿，海上安装周期短，工程进度快；2) 灌浆桩腿，需要在海上打桩后向桩与腿之间的环形区域灌注水泥，海上操作复杂，安装周期长，费用较大。

考虑到分析和计算这两种桩腿安装形式对平台设计和海上安装具有重要的实际指导意义。故以胜利浅海某中心固定平台为例，利用专用于海洋结构工程的静动力结构分析系统的计算软件，对海上固定平台桩腿上述两种形式进行强度和节点位移的计算和比较，并得出初步结论。此结果对设计、施工和检验工作具有参考价值。

1 平台数据

1.1 主要参数

以胜利埕岛油田某新建中心平台为例。该中心平台由生活动力平台和生产平台组成，选取生活动力平台进行分析计算。

生活动力平台采用4腿导管架形式，导管架4个面的斜度均为10：1。导管架顶标高5.5m,底标高-13.7m，工作点标高7.0 m。主导管采用φ1532×28钢管， 成矩形布置，在标高4.5m、-3.0m和-12.2m处设加强段，采用φ1566×45钢管，加强段设水平拉筋及水平斜拉筋，分别采用φ700×25钢管和φ500×19钢管，管节点在密集区加强，分别采用φ1000×38钢管和φ700×32钢管。导管架内置消防泵护管4根，采用φ944×22钢管，在标高4.5m和-3.0m处设与导管架水平连接构件，分别采用φ500×19钢管和φ325×14钢管。导管架上设靠船构件、登船平台等附属构件。生活平台导管架见图1。

图1 生活动力平台导管架A立面

1.2 工作环境参数

1.2.1 水深

取平台所在位置处黄海平均海平面的水深12.2m作为计算条件。

1.2.2 波浪

海区以风浪为主，涌浪次之。夏季盛行SE浪，秋季主要为NE浪，春季浪向紊乱。波浪、海流数据以50a重现期为计算依据。校核高水位最大可能波高6.83m；对应波浪周期8.6s；设计高水位最大可能波高5.0m；对应波浪周期8.6s。

1.2.3 海流

海区潮流的运动形式为往复流，50a重现期涨潮最大实测流速：表层 167cm/s；中层 92cm/s；底层79cm/s。落潮最大实测流速：表层167cm/s；中层81cm/s；底层73cm/s。

1.2.4 风

按50a重现期1min平均风速30.5m/s。

1.2.5 海冰

设计冰厚（50a一遇）0.45 m；抗压强度2244kPa；流冰速度0.52～1.03m/s。

1.2.6 海生物

平均海平面以下的构件考虑10cm厚的海生物附着。

1.2.7 地质资料

采用国家海洋局第一海洋研究所《埕岛油田某中心平台地形测量及地质勘察成果报告》。

2 载荷计算

2.1 风载荷

作用在结构上的风荷载采用SY/T 10030-2004中2.3.2.c节中的风力计算公式：

式中：F——风力；ρ——空气的密度；u——形状系数；A——物体面积。

假定风速沿结构物高度不变。极端波浪工况采用50a重现期的1min平均风速；极端冰工况采用20a重现期的 1min平均风速。形状系数的取值按 SY/T 10030-2004中的规定确定：梁 1.5；建筑物的侧面1.5；圆柱形构件0.5；平台总投影面积1.0。

2.2 冰载荷

作用于桩腿上的冰力采用SY/T10031-2000中公式5.27计算：

式中：F——作用于桩腿上的冰力；Pe——单位面积冰压力；D——冰接触区域结构的宽度或直径；t——冰的厚度。其中Pe取值为2244kPa，D为桩腿的直径，t=0.45 m 。

2.3 载荷工况组合

荷载组合按SY/T 10030-2004中建议的做法进行，平台结构设计时应按对结构产生最恶劣影响的荷载条件进行设计。荷载条件应包括适当的固定荷载和活荷载。分别考虑了工作波浪条件、极端波浪条件、极端冰、地震载荷等工况。其中，地震载荷根据实际的地震与地质资料，设计地震水平加速度为0.15G，X、Y方向系数为1.0，Z方向系数为0.5，根据API标准，X、Y方向土类型为B型，Z方向土类型为C型，地震响应谱选用API标准谱，各阶模态响应组合用CQC法对平台进行了强度计算。正常工作条件下，根据不同的来流方向、不同的吊机载荷方向，进行模拟计算分析。冰载工况为在正常作业工况下加上冰载荷进行计算。

3 计算结果分析

3.1 结构分析软件

所有结构分析工作都使用SACS软件进行，该系统功能齐全，方法先进，便于使用。

3.2 生活平台模型建立

根据风、浪、流及冰载荷与平台所成的不同夹角进行了组合，对平台的导管架底部桩腿处采取了固定约束。冰工况中考虑了相应的风、流载荷，并考虑了冰的遮蔽效应。三维模型见图2。

图2 生活动力平台三维模型

3.3 生活平台计算结果

3.3.1 特定节点比较

选取101L、201L、303L、3003四个节点，对灌浆桩腿的内部采取设计方提供的1.8t/ m³的泥浆密度进行填充，非灌浆平台采用1.0t/ m³的海水进行填充。比较两者位移的大小（见表1）。

表1 灌浆桩腿与非灌浆桩腿节点位移

可见灌浆桩腿与非灌浆桩腿在正常作业工况下，位移都比较小。在冰载工况下，位移稍大，但都在安全范围内。非灌浆桩腿较灌浆桩腿整体位移偏大，非灌浆桩腿的节点位移较灌浆桩腿的节点位移大30%～80%左右，可见灌浆桩腿较之非灌浆桩腿在抵抗节点位移方面有着较好的优势。由于节点位移影响着平台的晃动，所以灌浆桩腿平台较之非灌浆桩腿平台晃动较小，工作环境较舒适。

3.3.2 杆件安全系数比较

将桩腿部分在各种工况中所受的最大应力，在灌浆桩腿和非灌浆桩腿作一比较，其中桩腿部分采用DH36高强度钢，其屈服强度为355N/mm2（见表2）。

表2 桩腿所受应力值比较

可见，水面下的桩腿受力明显大于水面上的桩腿，非灌浆桩腿应力值略大于灌浆桩腿的应力值，但两者差距较小，均不超过355N/mm2。可见灌浆桩腿较之非灌浆桩腿在强度上没有起到特别重要的作用。

3.4 冰载计算结果分析

对下部基础在两种冰力下的所有杆件UC值进行比较，其中，50a一遇的单桩冰载为2000kN，100a一遇的单桩冰载为3000kN（见表3）。

表3 两种冰力下杆件UC值比较

分析上表可知，桩腿强度可以很好的应对50a一遇的冰载，当单桩冰载为100a一遇的状态时，结构强度已处于不满足要求的临界点，且构件集中于H12和H24两组中，尤其是H12组中的构件，按照木桶原理，只要对H12组中的构件进行加强，便可以提高结构的整体强度。

4 结 语

通过对胜利埕岛油田某中心固定平台进行各种工况组合下的模拟计算，分析比较了灌浆桩腿和非灌浆桩腿的优劣，分析所得数据，得出如下结论：

1）在相同工况下，比较相同节点在是否为灌浆形式下的位移，可见非灌浆桩腿的节点位移较灌浆桩腿的节点位移大30%～80%左右；

2）比较灌浆桩腿和非灌浆桩腿部分所受的应力大小，灌浆桩腿所受应力略小于非灌浆桩腿，其作用并不明显；

3）灌浆桩腿平台较之非灌浆桩腿平台晃动较小，灌浆桩腿平台人员舒适度更好；

4）当单桩冰力采用100a一遇工况时，生产平台结构出现过大应力值，集中于H12和H24两组构件中，且H12构件组最大UC值达到0.99，所以只需要提高H12组中构件的强度，即-7.0～-12.2m的φ500×16的水平斜拉筋便可以抵御100a一遇的冰载荷，使得生产平台整体强度达到一个新的层面。

[1] 国家海洋局第一海洋研究所. 《埕岛油田某中心平台地形测量及地质勘察成果报告》[R]. 2009.

[2] 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.

[3] 中国石油天然气总公司. 浅海环境条件与荷载技术规范[S]. 北京：石油工业出版社，1995.

[4] 唐友刚. 高等结构动力学[M]. 天津：天津大学出版社，2002.

[5] API RP 2A-WSD 21stEdition. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing fixed Offshore Platforms Working Stress Design[S]. 2000.