筒形基础屈曲强度及非线性有限元分析

2016-11-24郭小亮崔文涛

江苏船舶 2016年4期

关键词：筋板顶盖屈曲

郭小亮，崔文涛

(天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津 300384)

筒形基础屈曲强度及非线性有限元分析

郭小亮，崔文涛

(天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津 300384)

为解决筒基屈曲强度的问题，使筒形基础得到更好发展，通过非线性有限元方法对于筒基的临界屈曲强度进行了分析，并结合工程实践对屈曲问题出现的原因进行了探讨，为日后此类问题的解决提供了宝贵的经验。

筒形基础；海洋平台；屈曲强度；非线性分析；有限元法

0 引言

筒形基础也叫吸力桩，或者吸力锚，被称之为吸力锚时一般是作为海上系泊基础使用的，比如单点系泊，或者作为多点系泊代替抓力猫和长桩。筒形基础在国外属于相对成熟的技术，由于其安装简便快捷，结构重量大大减轻，因此已大量应用于各种类型的海洋平台、单点、多点系泊及水下管汇等结构中，但在国内的应用也就是近二十几年的时间，且技术发展还处于起步阶段，很不成熟，几乎没有相应的规范标准可依。

近十年随着筒形基础在国内的发展，渤海和南海涠洲海域相继有几个筒形基础平台得到应用，例如曹妃甸18-1井口平台、锦州9-3西井口平台、渤中3-2隔水套管支撑井口和涠洲6-8井口平台等。这几个项目的成功应用使得筒形基础得到了一定程度的推广，也为其发展奠定了良好的基础，但是项目的经验和教训值得研究和探讨，其中一个问题就是筒形基础的屈曲强度。

1 相关案例分析

2008年曹妃甸18-1井口平台建造完成，由于安装时筒形基础却未贯入到指定深度，因而当准备更换安装位置再次安装下部结构的时候，现场施工人员发现筒形基础出现了严重的变形，不得已将整个平台重新运回到码头，发生明显变形的筒基也进行了更换。此次事故让人们对于筒形基础的发展前景十分担忧，也为筒形基础的推广和应用蒙上了一层厚厚的阴影。

筒臂屈曲损坏照片、筒内筋板屈曲损坏照片分别如图1、图2所示。图1中，下部基础的筒基发生了严重的变形，筒壁成波浪形。图2中，筒基内部沿着高度方向设置的防止屈曲的筋板也发生了严重的屈曲变形。从这2张图可以看出，筒基的屈曲变形主要包含筒壁的屈曲和筒内高度方向筋板的屈曲这2种。由于筒盖下方有很密的筋板，且筒盖的厚度很厚，所以一般顶盖不容易发生屈曲。筒壁属于大直径薄壁结构，虽然为了防止筒壁的屈曲，内部设置了通长的筋板，但筒基的筒壁和筋板仍然发生严重的变形，因此有必要对该结构形式进一步研究。

图1 筒壁屈曲损坏照片

图2 筒内筋板屈曲损坏照片

1.1 筒基贯入的整个过程

一般海底表面的泥土承载能力大都很差，筒基贯入初期，自重要远大于贯入阻力，因此一开始不需要抽取负压即可实现筒基的贯入，这个过程称之为自重入泥，即仅依靠结构及筒基自身的重量就可以实现筒基初始贯入的过程。自重入泥还有一个重要的作用，它为接下来的贯入提供了一个可以抽取负压的密闭空间。接着便是启动泵阀系统抽取负压。由于一开始筒基入泥比较浅，贯入的阻力比较小，因此所需要的负压也较小。随着贯入深度的加大，贯入的阻力也不断加大。贯入完成的最后一刻，贯入阻力达到最大，但此时筒基已经大部分入泥，可以发生屈曲的范围已经很小。从这个过程很难判别出哪个时刻是筒基最容易发生屈曲的时刻。

1.2 筒基的结构形式

该筒基直径6 m，高度10 m，顶盖处有高度1.5 m分布紧密的筋板，另外筒壁上有几道沿高度通长布置的筋板，吸力桩内部结构如图3所示。考虑到贯入阻力的问题，除了顶盖外，筒基上没有布置水平的筋板。筒基在设计时，最先考虑的是吸力桩顶盖的强度，其次是筒壁的强度，最后才是筒壁内部筋板的强度，这种设计与各部分的强度也密切相关。因为顶盖是平板，在水压的作用下最容易发生屈曲破坏，筒壁是圆柱形，发生屈曲的可能性次之，筋板是沿着高度方向承受载荷，它与顶盖和筒壁构成了T形梁的受力形式，因此最难发生屈曲。由此得出，在一般筒基结构的设计中，顶盖的钢板厚度最大，筒壁次之，筋板最薄。

图3 吸力桩内部结构(单位：mm)

筒形基础应用于海洋平台上，技术人员一般最为关心的是贯入性能和承载能力，即筒基可以安装到泥面以下指定的设计深度，同时保证平台在位工况下能够抵抗作业和极端条件下的环境载荷(风、波、流等，渤海等寒冷的海域还会有冰)、地震载荷、设备载荷、人员载荷等的考验。设计中也会按照大直径薄壁圆筒的理论对筒形基础进行贯入屈曲分析，但仅限于理论公式的分析。不过从筒形基础的结构来看，它并不完全属于大直径薄壁圆筒，因为筒形基础一端开口，一端封闭。开口端的约束是由海底泥土提供的约束，并且随着贯入深度的不同，土体对于筒基的约束也在不停的变化之中，因此想要模拟整个过程中筒基的屈曲强度的变化，并不是一件容易的事。查看图1和图2现场损坏的照片，考虑筒基贯入的整个过程，并结合其具体的结构形式，需要借助准确且直观的三维数值模拟分析来找出筒基发生屈曲的真正原因。

2 屈曲计算分析

在进行计算分析之前需要确定约束形式和施加的载荷。

对于约束形式，前面已经提到，在贯入的整个过程中，约束是在不断变化的，因为筒基的入泥在不断的变化。再有就是筒基顶盖和筒壁上的水压随着贯入深度的加深也在不断的加大(泵阀系统提供)。可以选取其中几个典型的时刻，比如开始抽取负压的时刻、贯入的中间时刻和贯入即将结束的时刻。还可以再在这几个时刻中增加几个来保证分析的准确性，或者考虑一个比较简单和相对保守的办法，选取自重入泥时候的入泥深度，同时选取贯入过程中最大的贯入压力来进行分析，这样可以覆盖贯入的整个过程。为了简便，本文选用后者进行分析，保守考虑筒壁和顶盖施加同样的压力，如图4所示是计算分析的模型及约束形式。

图4 筒基模型及约束条件

按照筒基的结构图纸建立了三维有限元分析模型，采用shell单元进行模拟，分别赋予相应的实常数来模拟不同的板厚。建模与一般的有限元分析相似，此处不再叙述。因为要计算筒基的屈曲强度，因此必然用到非线性分析，且需要同时考虑材料非线性和几何非线性。材料非线性可以通过设置材料属性来实现，采用理想的弹塑性模型；几何非线性需要打开大变形设置，通过收敛的设置来追踪结构变形的过程，主要是找出结构临界屈曲的应力值。非线性分析的过程可参考相应的有限元书籍获得帮助。

因为非线性的分析是一个比较耗时的工作，而且很容易出现不收敛的情况，导致计算分析失败，因此需要在非线性分析之前引入1个初始的缺陷，来加快收敛的过程。一般的做法是首先进行一个特征值的屈曲计算，获得理论上的临界屈曲应力，同时得到它的第1阶模态。在第1阶模态的基础上引入1个微小的变形作为缺陷，用于触发屈曲计算，加快计算的收敛。

接下来就是进行非线性有限元的分析，此处略去计算的过程，直接给出计算分析的结果。通过读取筒壁上施加的载荷和筒壁径向位移的数据绘制出1条曲线，如图5所示。当出现压力不增加而位移大幅增长的时候就可认为筒壁出现了屈曲，这个点即被认为是屈曲临界点。图中可以看出临界屈曲应力约为0.28 MPa。

图5 载荷位移曲线

此时查看筒基的应力和变形情况，如图6、图7图所示。从图中可以看出筒壁向内凹陷的位移也就只有5 cm，应力水平除了个别地方的应力集中点不能作为参考外，最大应力约为200 MPa，远小于屈服强度。这说明屈曲刚刚发生的时候，筒壁还处于小变形和低应力状态，只有屈曲真正发生了，产生了塑性变形时结构才进入大变形和高应力的状态。

3 结论

曹妃甸筒基在现场贯入的压力监测显示，贯入压力一直低于0.28 MPa，也就是说计算结果显示筒基是不可能发生屈曲的，可能有其他的因素存在。现场的反馈是，发生最严重变形的筒基在贯入过程中出现了贯入困难的现象，考虑筒基下部可能存在异物增加了贯入阻力，而且此筒基相比其他筒基多1根中央立柱，该立柱的高度与筒基一致，它的存在大大增加了贯入的阻力。施工人员在发现贯入困难的时候没有采取其他措施，而是继续加大贯入压力，这可能导致筒基内部的密封泥土发生了严重的渗流作用，土体对于筒基底部的环向约束大大减弱，这可以通过图1观测到，筒基底部变形最为严重。