大型结构物浮托安装过程码头承载力分析

李 林（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）



大型结构物浮托安装过程码头承载力分析

李 林
（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）

本文以荔湾3-1中心平台为案例，运用有限元分析软件ANSYS对5#滑道各部件，包括土体、桩土复合地基、滑道板、滑道块以及驳船支撑结构（DSF）建模，对场地的受力进行系统分析研究，总结一套行之有效的方法，为工程施工提供重要的技术支持。

浮托安装；DSF；码头受力；有限元分析

引　言

深海采油结构建造过程中，通过液压装置将结构物的支撑转移到DSF上，将大型结构物的重量通过DSF直接作用到建造场地上，对建造场地乃至码头受力进行分析是建造过程的重要环节。荔湾 3-1项目青岛场地5#滑道是支撑桩式大型滑道，本文针对这一实际情况，运用有限元分析软件ANSYS对5#滑道各部件，包括码头、滑道板、滑道块以及驳船支撑结构（DSF）建模，对场地的受力进行系统分析研究，为结构的安全建造提供重要的基础数据。

1　码头模型建模技术

对5#滑道的土模型进行建模分析，经过钻孔分析，得到的信息表明土体可以被分成4层，连同各层的参数如下所述。第1层的土体厚度值为35m，具有强度值φ=28°、c=35 kPa；第2层的相应参数值为 45m、φ=20°、c=24 kPa；第 3层 4m、φ=4°、c=8 kPa；第4层4m、φ=10°、c=6 kPa。除此以外，所有土体层的变形模量值选取80 MPa，泊松比选取值0.25。在建立模型的过程中，采取对码头土体模型等比例放大的手段，以便于滑道的受力可以更好地被模拟，及滑道实际的长、宽、高等参数都被等比例地放大到2倍以上。建模过程采用Drucker-Prager plasticity准则模拟土体的实际状况，对建立的模型施加底面以及层面两个位置的法向位移，强夯土地基的模拟使用SOLID 95实体单元。

2　码头滑道板建模技术

用 ANSYS软件对码头滑道板进行有限元建模，在建模之前，分析滑道板的材料以及力学性能，码头滑道板是一种钢筋混凝土结构，其中混凝土的型号为C35。所以用SOLID 65单元对滑道板进行建模，采用这种单元进行建模的依据是滑道板的混凝土成分具有很好的抗压性能，而它的抗拉性能较差，SOLID 65单元适用于这种拉压性能不均匀的材料的模拟，通过使用SOLID 65单元，既能很好地建立滑道板中钢筋的有限元模型，也能对滑道板拉裂以及压溃的过程进行很好地模拟，设置材料的弹性模量值31.5 GPa，设置泊松比的值0.2，建立码头滑道板的ANSYS模型如图1所示。

图1　码头滑道板三维模型

3　大型结构物与DSF有限元分析

建造完成后，对大型组块上部结构进行重量转移，在这个过程中，大型组块的上部结构被转移到DSF结构，如图2所示。由于DSF结构放置于滑道块上，所以，大型组块上部结构的重量实际由滑道来承担，对码头进行有限元建模分析，保证其力学性能的可靠性十分重要。

图2　大型结构物建造完成后总体情况

3.1DSF建模技术

采用 Beam 189来建立DSF的有限元模型，Beam 189是ANSYS中的一种梁单元。采用这种单元进行建模是因为DSF的主体由细长杆组成，并且Beam 189单元可以为用户提供直观可视的截面编辑功能，所以采用这种建模方式会使真个过程更加方便快捷。由于截面翘曲的存在，考虑 Beam 189的每个节点除空间6个自由度之外还会附加一个翘曲量，通过设置单元中KEYOPT（1）=1来表示。截面的设定除了自定义外，还可以采用软件提供的梁截面库，其中包含 11种形状，通过输入相应参数可以快速地定义截面。

DSF建模结果如图3所示，设置材料的力学性能为密度7 850kg/m3，弹性模量206 GPa，泊松比0.3。

图3　DSF的有限元模型

3.2DSF与滑道MPC单元耦合模型

上部组块重量全部转移到 DSF上之后，由于DSF放置于道上，有必要对二者的连接进行建模分析，保证力学性能可靠性。DSF和滑道之间的连接为刚性固接，分别建立了DSF与滑道的有限元模型后，采用MPC 184单元进行耦合来模拟刚性固接。

MPC 184是一种多点约束单元，对于不同的的实际建模情况，MPC 184采用的约束的类型是不一样的。如前所述DSF结构和滑道两个结构之间的连接类型为刚性固连，在本节中，用MPC 184单元来模拟这种刚性约束进行建模，在此应设KEYOPT（1）=0（默认值），该单元为刚性杆，具有两个节点，只能沿三个方向平移，确保它是刚性固结。对于这种大应变非线性问题，采用MPC 184单元进行求解十分适用。

图4　DSF与滑块耦合整体有限元模型

3.3码头受力分析

荔湾3-1组块总重 28 337.04t，DSF重量为3 000t，取2.0安全系数，则总载荷为（28 337.04+3 000）×2=62 647.08t，载荷由DSF上部与组块接触的10个结点平均分担。如图5所示。

图5　码头整体建模

约束施加如第1节所述，进行求解，得到的滑道整体受力情况如图6。

图6　大型结构物码头整体有限元分析结果

重量转移结束后承载上部组块重量时，滑道受力的最大值 2 162 MPa，满足抗压强度设计值fc=17.50 MPa的要求，滑道最大沉降位移为2 249 mm，也处在安全范围。

4　结　论

针对荔湾3-1中心平台和DSF的实际情况，运用有限元分析软件ANSYS对5#滑道各部件，包括码头、滑道板、滑道块以及驳船支撑结构（DSF）建模，并利用MPC 184单元将土和结构模型进行有机连接，建立钢土耦合模型，有效提高了分析计算精度，通过系统的计算，获得了良好的计算数据，为工程的安全建造奠定基础。

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Large Structure Weight Transfer Process Building Ground Stress Analysis

Li Lin
（Offshore Oil Engineering （Qingdao） Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266520，China）

The paper puts the Central platform in Liwan 3-1 project as a case，and applies the finite element analysis software ANSYS to build finite element models of soil condition，pillar soil-compound foundation，slide-road boards，slide-road blocks and DSF in 5#slide，and make a composite analysis of the site's stress situation.With the analysis，the paper will summarized an effective mode for engineering construction and provide theory and technique support.

float-over installation； DSF； forces of wharf； finite element analysis

U655.4

A

1004-9592（2016）04-0035-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160409

2016.05.15

十二五国家重大专项：南海深水油气开发示范工程（2011ZX05056）

李林（1983-），男，工程师，主要从事海洋工程结构建造工作。