深水桁架式Spar平台总体结构强度评估

廖景胜，周道成，欧进萍

(1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024;2.大连理工大学深海工程研究中心，辽宁大连116024;3.智性科技南通有限公司，江苏南通226010)

尽管Spar平台结构在实际工程中已得到应用，但其设计理论一直在不断发展完善中，也没有形成行业指导规范，因此其设计理论，尤其是强度设计评估方面，依然是Spar平台结构研究的重要内容。Wang、Luo等较早地对Spar平台基于时域分析方法进行了总体强度分析［1-2］;HU等人对扶正过程的Spar平台进行了强度分析［3］;王世圣等考虑波频载荷和低频载荷的影响分析了Spar平台的总强度［4］。上述工作虽然都进行了强度计算和评估，但在Spar平台结构模型上，对桁架连接部位没有进行局部细化，对平台结构运动响应有着显著影响的立管系统也没有考虑［5-6］。杨川等通过计算Truss Spar平台上参考点的应力响应谱确定波浪载荷，对平台进行了总体结构强度分析［7］。由于Spar平台结构巨大复杂，以有限的几个参考点的强度分析无法覆盖结构总体情况，同时在应力参考点的选取上可能出现漏选关键点，结构强度计算结果准确性难以保证。

波浪载荷为Spar平台结构分析与设计的控制载荷［8］，合理确定波浪荷载十分关键。风载荷、流载荷、立管力和系泊力等低频载荷对Spar平台运动影响很大，在结构水动力和强度分析时必须予以考虑。在这些低频载荷的作用下平台会发生倾斜，当Spar倾斜到最大角度时，Spar受力最大，平台处于最不利状况，因此应在此最不利状况下进行Spar平台的强度分析。

本文首先介绍Truss Spar平台结构强度评估的分析流程。以文献［7］中的Truss Spar平台为例，结合南海百年一遇的极端作业环境，建立了考虑系泊、立管系统的Spar平台耦合运动模型，通过水动力时域分析找出了平台的最不利状况;采用随机设计波方法，以Spar平台结构整体的弯矩和剪力为控制内力，确定Spar平台所受的波浪载荷，考虑风、流及系泊立管等载荷，在平台最不利状况下，采用有限元方法对局部精细化的结构模型进行强度分析，并根据规范对平台主体结构的应力水平进行了强度校核。

1 分析流程

对Spar平台进行结构强度分析首先要确定作用在平台结构上的外载荷。Spar平台服役期间除受自重、静水载荷及风浪流环境载荷等荷载作用外，还将受到来自系泊锚链以及立管的力;系泊系统的锚链和立管同样受到由于平台运动而带来的载荷。这样，Spar平台的总体响应分析需要采用时域分析的方法，建立平台与系泊立管的耦合分析模型，以考虑平台与系泊立管系统之间的耦合作用，从而获得较为符合实际的计算结果。

图1 Spar平台结构强度分析流程Fig.1 Strength analysis process of Spar platform

波浪载荷为Spar平台结构强度分析与设计的控制载荷，波浪载荷的计算采用基于三维水动力理论的随机设计波方法，根据百年一遇的极端海况条件，按照规定工况对波浪周期、波高及相位等进行搜索，确定一个能在结构上产生最大载荷的规则波，然后用这个规则波在结构上产生的波浪载荷与其他作用在平台上的载荷组合进行平台结构强度计算。借助于AQWA软件的时域分析模块DRIFT计算出平台最大倾斜状态时的系泊力、立管力以及倾角。风流荷载根据DNV规范推荐公式［9］进行计算，计算时考虑Spar平台倾角的影响，按最大倾角考虑。

采用有限元软件ANSYS建立Spar平台的结构有限元模型，将各典型波浪工况下的波浪载荷、惯性加速度和其他载荷以及边界条件施加到结构有限元模型上，进行准静态有限元分析计算出平台主体结构的应力水平，并根据ABS推荐的应力准则对平台主体结构进行强度校核。Spar平台结构的强度校核流程如图1所示。

2 水动力分析

2.1 平台主尺度

Truss Spar平台从上到下由上部模块、硬舱、中部桁架段和软舱组成，平台总长186 m，吃水150 m。上部模块为三层矩形甲板桁架结构。硬舱为多层多舱的封闭圆柱体，是整个平台系统的主要浮力来源，内部设置有“中央井”，供顶部张紧式立管(TTR)穿过。中部分为桁架和垂荡板，桁架在连接软舱和硬舱的同时降低了波浪及海流对平台的作用，垂荡板提高了系统附加质量和阻尼。软舱存放固定压载，降低平台重心，以保证平台的无条件稳性。平台的主尺度参数如下:

总体结构:总排水量40 429 t，重心87 m，浮心92.5 m，横摇回转半径71 m，纵摇回转半径71 m，艏摇回转半径10 m。硬舱:直径27.4 m，高度90 m，中央井边长13 m，可变压载1 500 t。中段桁架:桁架总高度63 m，垂荡板尺寸 27.4 m，纵向桁架直径1.2 m，X 型桁架直径0.6 m。软舱:内/外边长为13/27.4 m，高度12 m，固定压载13 500 t。坐标原点位于软舱底部中心。

2.2 环境参数与系泊立管参数

采用南海百年一遇的极端工作海况:风速为10 m高处1 h平均风速39.0 m/s，流速为平均表面流速1.95 m/s，波浪采用JONSWAP波浪谱进行模拟，其有义波高 15.0 m，谱峰周期 15.1 s。

Truss Spar平台的水平位置和运动由系泊系统控制，采用3组共9根锚缆组成的半张紧式系泊系统，在预张力和自身重量的作用下形成悬链线形。立管系统由3行3列顶部张紧的竖向TTR立管组成，居于Spar平台中央筒的中间。立管上部施加恒定的张力2 136.4 kN，由设置在其顶部的浮筒群提供。该浮筒群同时约束浮筒和Truss Spar主体间的水平相对位移，保证立管与平台主体之间的相对位移不受影响。系泊索参数见表1。立管具体参数:长度 1 540 m，外径 323.9 mm，等效壁厚 21.76 mm，湿容重 162.11 kg·m-1，抗拉刚度 4 270 MN，抗弯刚度 40.3 MN·m-2，抗扭刚度 31 MN·m-2。

表1 系泊索参数Table 1 Parameters of mooring line

2.3 水动力模型和运动响应

带有系泊、立管系统的Spar平台在时域内的耦合运动方程如下:

式中:M和m是平台结构质量矩阵和水动力附加质量矩阵，B和C是阻尼和刚度矩阵为平台在时域内6个自由度上的加速度、速度和位移，F为结构受到的波浪力，Fw为风力，Fc为流力，Fm为系泊力，Fr为立管力。

采用AQWA进行平台水动力运动性能分析和波浪载荷输出，建立了Spar平台的三维水动力模型，首先采用Panel单元对大尺度浮体部分建立了湿表面模型。对于桁架等撑杆类小尺度构件，采用Morison单元建立莫里森模型。最终得到平台主体及其系泊和立管的耦合计算模型如图2所示。

根据水动力计算结果可得到各规则波下的波浪作用在Spar平台上的水动压力，平台运动引起的惯性力和加速度，以及Spar平台在百年一遇环境条件下不同风浪流入射方向作用的平台总体运动时域响应。对Spar平台的纵、横运动响应进行分析，在波浪入射角度为60°，风流入射角度为45°时，平台有最大倾角为 9.758°。

图2 Spar平台系泊立管耦合系统模型Fig.2 Spar model coupled with mooring and riser system

2.4 设计波参数

Spar平台的浮体部分是一个在竖直方向尺度较大而在水平方向尺度较小的长柱体，在波浪载荷作用下遭受着弯曲、横向剪切作用，这个特点导致Spar平台最重要的波浪工况为:最大水平弯矩状态、最大水平剪力状态以及硬舱底部甲板最大剪力状态，沿轴向分布的水平弯矩、水平剪力和硬舱底部甲板剪力成为确定控制载荷的极限状态。因此要分别对其承受的弯矩、剪切力的传递函数进行预报，并根据规范和载荷工况计算响应，进而确定典型波浪工况对应的波浪参数。

为了获得Spar平台处于最大水平弯矩状态、最大水平剪力状态以及硬舱底部甲板最大剪力状态下对应的波浪参数，沿轴向在Spar平台上设置了15个不同高度水平控制截面，编号自平台顶部至软舱底部分别为截面1～15。采用随机设计波法，按照南海百年一遇的海洋环境对3种波浪工况进行设计波分析，得到3种特征波浪工况下的设计波参数，具体参数见表2。当特征波浪工况为水平弯矩时，对应设计波下平台各截面的弯矩如图3所示，图4表示不同频率单位波幅规则波下截面4的弯矩。

表2 设计波参数Table 2 Parameters of design wave

图3 设计波下各截面的弯矩Fig.3 Moment on different sections under design wave

图4 不同规则波下截面4的弯矩Fig.4 Moment on section 4 under different regular waves

3 结构强度分析

3.1 有限元模型

采用ANSYS软件建立了平台的有限元模型，如图5所示。对Spar平台的软硬舱内外舱壁、硬舱内甲板、中央井壁、垂荡板等板壳结构采用SHELL63壳单元进行了模拟;对附着在软硬舱壁和垂荡板上的加强骨材采用BEAM188和BEAM189进行模拟;中段桁架段和上部结构的桁架采用管单元PIPE59进行模拟，同时采用MASS21对平台上部结构上的设备设施和软硬舱室内的压载水或压载物也进行了模拟。针对Spar平台上部结构与硬舱的连接处以及中段桁架与硬舱、软舱的连接处等几个重要连接部位，进行了局部结构精细化处理，用壳单元对连接部位进行了建模。

图5 Spar平台结构有限元模型Fig.5 The FEM of Truss Spar structure

3.2 载荷施加和边界条件

确定了设计波参数后，即可以通过 AQWALINE计算出平台在该设计波下的水动压力和惯性加速度求解出来，并通过AQWA-WAVE生成载荷文件施加到结构有限元模型上。风载荷以集中力的形式施加在风力作用中心，流载荷则以压力形式施加到对应的壳单元上，系泊力和立管张力以集中力加载到相应的节点。平台所受的静浮力和由风、流力以及平台运动引起平台倾角所产生的浮力变化通过APDL命令流加载到相应的结构单元。

将平台所受载荷施加在有限元模型上，为防止发生刚体位移，在平台重心附近位置选择了3点进行六自由度的约束:Ux=Uy=Uz=0;Uy=Uz=0;Uz=0。强度计算结构显示这3个节点的约束反力很小，说明这样的约束边界条件是可行的。采用准静态方法，利用ANSYS软件进行有限元计算，求解出结构应力以供强度校核。

3.3 许用应力及计算结果

平台采用的钢材为高强钢，其屈服极限为355 MPa，根据ABS规范［10］，板壳结构采用VON MISES等效应力进行强度校核，用实际应力和许用应力的比值即应力比r来衡量，对于百年一遇的极端作业海况，安全因子取值为1.25。对于同时承受着轴向压缩和弯曲的软硬舱内加强骨材和桁架等结构，采用组合应力系数s来进行强度校核［11］与衡量。数值越大，越接近1，表明结构该处应力水平高，是平台的薄弱危险部位。具体单元应力校核如表3和表4所示，取各部位应力极值点。从表3和表4中可以看出，3种计算工况下，平台结构强度都符合要求，结构应力分布较为均匀，但在一些区域会出现高应力。平台的上部与硬舱连接处、硬舱与桁架连接处以及软舱与桁架连接处等平台关键连接部位的应力水平非常高，应力比都超过了0.9。此外，平台硬舱外壁、防水舱室以及硬舱顶底部的应力水平也比较高。

计算结果与文献［7］的结果相比较，结构整体应力分布、高应力发生区域等是一致的，平台关键连接部位、平台硬舱外壁、硬舱顶部等区域的应力水平都很高。本文3种计算工况下的计算结果中，最大弯矩状态下的最大应力比值为0.995，显示的最大应力部位为软舱与桁架连接处，最大剪力状态下的最大应力比为0.966，最大应力部位为上部与硬舱连接处，最大底部剪力状态下的应力比为0.981，最大应力部位为硬舱与桁架连接处;而文献［7］中只计算了一种工况，最大应力比为0.993，显示的最大应力部位为软舱与桁架连接处。

表3 壳单元应力校核Table 3 Stress checking of shell element

表4 梁、管单元应力校核Table 4 Stress checking of beam and tube element

4 结论

本文对桁架式Spar平台总体结构强度评估进行了深入的研究，得到如下结论:

1)建立考虑系泊和立管系统的Spar平台耦合模型才能精确的预报结构的运动响应，同时为获得可靠的平台结构强度分析结果提供基础;

2)平台结构强度分析结果表明:最大水平弯矩状态、最大水平剪力状态以及硬舱底部甲板最大剪力状态为结构3种极限状态，如果少考虑其中一种极限状态，有可能给设计平台带来潜在的安全威胁;

3)该平台结构总体上是安全的，平台主体结构应力分布合理，但在上部结构与硬舱连接处、硬舱与中段桁架连接处和软舱和中段桁架连接处等关键连接部位以及水面附近的硬舱外壁等应力水平高，对于这些应力高、应力集中显著的区域应特别关注，建议结构设计中应加强或在平台使用过程中对这些位置定期检测和维护。

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