圆柱型桩腿的自升式平台风暴站位分析

尹秀凤，杜之富

（烟台来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000）

圆柱型桩腿的自升式平台风暴站位分析

尹秀凤，杜之富

（烟台来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000）

以四圆柱桩腿自升式气体压缩平台为例，利用SACS软件对圆柱型桩腿的自升式平台风暴站位工况进行分析，根据AISC规范校核桩腿强度，依据计算结果校核提升系统能力、桩靴承载能力、平台抗倾覆能力等。对圆柱型桩腿的自升式平台设计具有一定的参考价值。

自升式平台；圆柱型桩腿；桩腿强度；抗倾能力；风暴站位

0 引言

针对墨西哥国油公司（PEMEX）需求气体压缩模块，烟台来福士提供了四圆柱桩腿长方型船体自升式平台，可提供更大的甲板面积，以便布置天然气压缩模块；选择圆柱形桩腿设计可有效缩短建造周期，满足建造周期要求；选择液压插销式升降系统，有利于工期控制，同时价格低廉。

目前，在国际上，自升式风机安装船多采用四圆柱型桩腿的自升式平台，但风机安装船一次站位作业时间短，机动灵活，对环境和升降系统的要求相对不高。四圆柱桩腿自升式气体压缩平台设计要满足八年长期站位作业下的恶劣环境要求，对结构和升降系统设计都具有很大挑战。

平台的主要参数：

1）主船体

长度：75 m；

宽度：50 m；

型深：7 m。

2）桩腿中心间距

船长方向：47 m；

船宽方向：42 m。

3）桩腿

型式：圆柱（带销孔）；

长度（包括桩靴）：112 m；

外径：4.5 m；

壁厚：75 mm、85 mm和80 mm（桩腿下部）；

销孔直径：540 mm；

销孔间距：1.6 m；

屈服强度：690 MPa（355 MPa桩腿下部）；

桩靴面结：约60 m2。

4）提升系统

数量：4套；

提升能力：3 200吨/腿；

预压载支持能力：6 000吨/腿；

风暴支持能力：6 000吨/腿。

1 风暴站位分析

本文为圆柱型桩腿自升式平台风暴站位分析。风暴站位分析主要是校核桩腿的整体强度、提升系统的能力、预压载的能力和站立状态的抗倾覆能力。

计算结果是桩腿和船体连接部分结构、桩靴结构及船体结构设计及校核依据。

1.1 计算方法

本文分析采用WSD方法，利用SACS软件进行分析，但分析中不包括主船体强度的校核。在分析中考虑以下载荷：

1）重量；

2）风、浪、流环境载荷；

3）动态放大效应；

4）P-delta。

经过分析计算，其中环境载荷方向为0°、34°、42°、56°、90°，对以下几个方面的校核有着非常重要的影响：

1）站立状态的抗倾覆能力：由重量引起的回复力矩和环境引起的倾覆力矩的比值，要有一定的余量；

2）预压载支持能力：提升系统的预压载支持能力同平台风暴站位时的载荷比较；

3）桩靴的承载能力：最大桩靴承载能力同风暴自存工况下的最大桩腿反力的比值，要有一定的余量；

4）桩腿强度：桩腿的屈服和屈曲强度校核；

5）提升能力校核：提升系统提升能力同提升重量的比值，要有一定的余量。

1.2 主要输入

计算的输入主要分成以下几个部分，计算分析模型见图1。

图1 SACS分析模型

1.2.1 几何输入

1）桩腿间距；

2）船体的提升高度；

3）桩靴的入泥深度；

4）jack house的高度；

5）下导向的位置。

1.2.2 重量输入

1）提升的重量及中心的水平位置；

2）桩腿的重量及浮力；

3）桩靴的重量。

1.2.3 结构输入

船体和桩腿的连接由下导向、上导向、插销和jack house组成。其中上下导向和插销假定为刚性梁，jack house根据结构计算梁截面的属性（假定板上型材的对板厚有25%的贡献），见表1。

表1 jack house梁属性

四个桩腿间的船体结构是梁单元模型，其梁的属性根据船体结构，每个梁类似为箱型结构并计算其截面属性（假定板上型材的对板厚有 40%的贡献），具体船体梁属性见表2。

桩腿的有效截面刚度是考虑了销孔后的截面。桩腿的截面属性见表3。

表2 船体梁属性

表3 桩腿属性

1.2.4 环境载荷方向

考虑环境载荷方向（0°，34°，42°，56°，90°），见图2。

图2 环境载荷方向

1.2.5 风载荷

船体和水面以上的桩腿所受的风载荷计算是根据ABS规范计算的，其大小是由风压和桩腿受风的投影面积的乘积得到的。

式中，V为风速，m/s；Ch为高度系数；Cs为形状系数；A为桩腿的受风面积，m2。风载荷的大小见表4。

表4 风载荷大小

1.2.6 浪流载荷

浪流载荷是通过SACS软件的Sea state模块自动计算的。根据水深、波高和周期数据选择确定的规则波的分析方法。载荷大小是基于莫里森公式计算的。垂直作用于构件长度dz上的波浪力dF是正比于水质点速度平方的拖拽力和正比于水质点加速度的惯性力之和：

式中，ρ为水的质量密度；U为dz长度上垂直于构件轴线方向的水质点速度；U为在dz长度上垂直于构建轴线方向的水质点加速度；CD为拖拽力系数；CM为惯性力系数；D为构件截面的宽度或者直径；A为构件截面的面结。

因为水质点速度和加速度决定于所选用的波浪理论，所以计算波浪载荷大小CD和CM的大小尤为重要，影响CD的因素有截面的形状、表面粗糙度、雷诺数、海流对拖拽力的影响等等，影响CM的因素有截面的形状、表面粗糙度、雷诺数等等。根据SNAME和DNV规范的规定，基于光滑情况下的CD和CM的大小分别为0.65和2.0。考虑截面形状、粗糙度和雷诺数、KC数等的影响计算C的大小。

式中，k为粗糙高度；D为构件直径；Um为最大质地速度；T为波浪周期；U为质点速度；ν为水的运动黏度。

数粗糙度对拖拽力系影响的关系式为：

式中，CDs为光滑构件的拖拽力系数；CDr为粗糙构件的拖拽力系数。

KC数对拖拽力系数的影响关系式：

KC数对惯性力系数的影响关系式：

式中，CD=0.65（光滑构件）；CD=1.05（光滑构件）。

考虑粗糙度和KC数的拖拽力系数和惯性力系数计算结果见表5。波浪力大小见表6。

1.2.7 动态放大效应（惯性力）

本分析考虑动态放大效应是通过施加额外的水平力和倾覆力矩与模型。其计算方法如下：

式中，Ω=Tn/T，Tn为平台的固有周期，T为波浪周期；ζ为阻尼系数。

表5 拖拽力系数和惯性力系数

表6 波浪力

力臂为整个平台的质量重心到约束点的垂直距离。平台的固有周期是利用SACS软件中的模态分析模块计算得到的。惯性力的大小见表7。

表7 惯性力

1.2.8 P-delta效应

在垂向载荷和船体的水平位移的共同作用下会产生弯矩的作用，从而增加桩靴处的反支力和下导向出的弯矩。P-delta弯矩是通过平台的侧向刚度的效应，再手工计算，其计算数值见表8。

表8 P-delta moment

1.2.9 边界条件

根据规范的要求如果入泥深度大于桩靴的高度，则边界取为桩靴高度的一半。并考虑海底基础对桩腿的旋转约束作用，根据ABS规范中规定允许的最大旋转刚度为：

式中，I为桩腿的等效惯性矩；A为桩腿的等效截面面积；As为桩腿的等效剪切面积；L为船底板到海底的桩腿长度（包括入泥），但Lmin=4.35（I/As）0.5；E为桩腿材料的弹性模量；Fg=1.0。Y为迎风面的桩腿和背风面的桩腿之间的距离。

本文计算中考虑海底基础对桩腿的旋转约束作用的刚度取为50%Krs，max。

1.3 风暴站位工况条件

风暴站位工况如表9所示。

表9 风暴站位工况

本文中的计算基于表9的风暴站位条件。

1.4 计算结果校核

1.4.1 桩腿的整体强度

对于桩腿这样的受压和弯的细长杆件，通常稳定性和强度条件校核。

本文的分析利用SACS软件内嵌的API RP2A和AISC，由于考虑了环境载荷，所以许用应力增加1/3。其桩腿强度满足规范要求，最大UC为0.98。

根据AISC规范和API规范，计算如下。

1）杆件的许用压应力Fa为：

2）杆件的许用弯曲应力Fb为：

3）许用剪切应力：

4）承受压弯载荷的构件的强度校核，需满足以下要求：

1.4.2 平台的整体抗倾覆能力校核

此校核是用抗倾安全系数来表示的，即最大风暴时平台本身所具有的扶正力矩除以风浪等外力对平台产生的倾覆力矩的比值。ABS要求最小的安全系数是1.1。经过计算（见表10）抗倾覆能力满足规范要求。

1.4.3 桩靴承载能力校核

经过计算，风暴站位时，桩靴处的最大支反力为5 730 t，小于桩靴结构设计许用的最大载荷6 000 t。因此，满足设计要求。

1.4.4 提升能力校核

提升系统是平台设计的重要部件，因此需满足平台的各设计工况的要求。由于平台风暴自存的设计提升重量为11 200 t，小于提升系统的提升能力12 800 t；风暴自存的支持载荷为4 730 t，小于提升系统的风暴支持能力6 000 t。因此提升系统满足风暴自存工况的要求。

表10 总的载荷和抗倾覆系数

2 结论

本文通过对四圆柱桩腿自升式气体压缩平台的风暴站位分析的计算，建立合理的有限元模型是非常关键的。通过这个实例计算分析过程，结论如下：

根据平台的实际结构，建立等效的计算模型反映结构的实际特性。

在进行简化处理时，不能把结构简单的模拟成刚性结构，要考虑实际的载荷传递。比如船体结构、简化成几个梁，但要根据船体结构的截面进行计算得到船体梁的截面属性。

载荷施加要考虑固定载荷、可变载荷、风载荷、浪流载荷、惯性力和P-delta效应。确定大直径圆柱桩腿的水动力系数，准确计算桩腿上的浪流载荷。

用SACS软件对四圆柱型桩腿的自升式压缩机平台进行风暴站位分析，确定环境载荷计算方向，计算了风载荷、船体梁的截面属性、桩腿的水动力系数和动态放大系数。计算结果表明，桩腿强度满足规范要求；平台的抗倾覆能力满足规范要求；桩靴承载能力和提升系统的能力满足设计要求。

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Storm in Place Analysis of Jack-up Platform with Cylindrical Leg

Yin Xiu-feng，Du Zhi-fu
（Yantai CIMC Raffles Offshore Co.，Ltd.，Shandong Yantai 264000，China ）

The paper analyzes the condition of the storm in place of jack-up platform with cylindrical legs by SACS software，taking the jack-up gas compression platform with four cylindrical legs as an example.The overall strength of the legs is checked according to AISC rules.And according to the calculation result，the jacking system capacity，spudcan bearing capacity and the overturning stability of the unit are verified.It has some reference value for the design of jack-up platform with cylindrical legs.

jack-up platform； cylindrical leg； overall strength of leg； overturning stability； storm in place

P77；TE951

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.003

尹秀凤（1979—），女，硕士，工程师，研究方向：海洋工程结构设计与分析。