高106.68 m自升式平台的桩靴强度分析

张大朋，范 浩，白 勇，朱克强，刘科伟

1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058

2.宁波大学海运学院，浙江宁波 315211

随着人类对石油需求的不断增加，陆地石油资源已经远远不能满足需要，因此占全球石油资源总量约1/3的海洋石油资源成为关注的焦点[1-5]。海洋平台作为海上油气开发的主要装备，在世界范围内应用广泛。目前，对海洋石油资源的开发逐渐从浅海到深海，从简单地质到复杂地质扩展，这要求海洋平台能够适应更加恶劣的环境，因此也对海洋装备的结构强度提出了更高要求。

桩靴是支撑自升式平台的最主要构件之一，桩靴的结构强度影响平台工作的安全性。板和加筋板是桩靴的主要构件，当受到的载荷超过一定值时，板和加筋板的破坏以及板的失稳将导致结构最终破坏。因此在结构强度校核中需要同时考虑屈服强度和屈曲强度。本文结合某高度为106.68 m平台的桩靴参数，通过必要简化，使用ABAQUS软件，建立5种载荷作用条件下桩靴的静力学分析模型，并进行有限元计算。利用所得计算结果对桩靴的主要支撑构件的屈服强度和屈曲强度进行校核，同时结合计算结果为优化设计提供参考意见。

1 有限元建模

自升式平台带有能够自由升降的桩腿，作业时桩腿下伸到海底，站立在海床上，利用桩腿托起船壳，并使船壳底部离开海面一定的距离（气隙）。自升式平台由平台主体结构、桩腿及升降机构组成，其中自升式钻井平台的主船体部分是一个水密结构，用于承载设备，以实现钻井采油功能。当其浮于海面上时，主船体部分产生的浮力用于平衡桩腿、设备、结构等的重力[6]。本文的研究对象是平台的水下桩腿支撑结构。

通常情况下，通过对实体建模进行静力学计算，但在划分网格时，由于实体加入了构件的板厚和杆件的截面厚度，导致对板厚进行网格划分时容易出现错误，由此导致计算不易收敛。因此采用先利用Solidworks软件建立桩靴壳单元几何模型，而后导入有限元分析软件ABAQUS中，再在ABAQUS中设置结构所需要的板厚和杆件截面的方法进行计算[7-10]。采用有限元分析软件划分网格时，对不连续的小构件划分网格较为困难。同时在分析过程中会增加计算时间和不收敛机率。因此在创建模型时，对结构开孔、肘板、桩靴与桩腿的过渡等部位做了必要简化。桩靴有限元分析模型如图1所示。

图1 桩靴有限元分析模型

2 桩靴所受的载荷

本文分析了5种载荷条件，包括预压载工况、偏心工况、风暴工况，其中预压载工况包括3种不同的载荷形式。

2.1 预压载工况

预压载工况模拟桩靴逐渐进入海床的情景，桩靴的底板与海床接触的面积逐渐增加，本文取3种接触直径来模拟这个过程，支撑面积是绕中心分布的从最初最小渗透面积，到最终的埋置状态面积。预压载的3个工况分别为LC1、LC2、LC3，与之对应的接触直径为3.048、9.114、15.6 m。工况LC1到LC3所受的外载均为84 710 kN。

2.2 偏心工况

海底地貌变化多样，桩靴与海床不可能完全接触，时常出现桩靴一部分与海床接触，另一部分没有与海床接触的偏心现象。为了模拟偏心现象对桩靴结构强度的影响，将桩靴承受到的最大支反力均匀加载在桩靴底部50%的受力面积上。其中最大支反力为84 710 kN。

2.3 风暴工况

风暴工况是指平台在遭受极端恶劣环境作用的条件下，停止工作能够自保的状态。在风暴工况中，桩靴受最大的垂向作用力、水平作用力以及最大的桩腿下导向处50%的弯矩。模拟风暴工况下结构所受的载荷见表1。

表1 风暴工况载荷

3 结构材料特征

由于平台所处环境恶劣，所受载荷变化较大，对于结构强度要求高，因此所选材料需要拥有足够的强度。不同的板厚需要采用相应强度的钢材。其中对20 mm以下（包括20 mm）板厚的板材选用AH36型钢，20～40 mm板厚的选用DH36型钢，超过40 mm、小于100 mm板厚的选用EH36型钢，而对于主要支撑构件则选用EQ系列超高强度钢。所选材料属性见表2。

表2 结构选用材料属性

4 屈服强度校核结果

选取桩靴的主要支撑构件进行分析，通过计算得出构件在所有工况条件下的应力值（见表3），并选取构件在所有工况条件下的最大应力值与结构材料的许用应力值进行比对，比值小于1为合格。

表3 桩靴应力计算结果

从表3可以看出，在预载工况中LC1工况条件下，桩靴主要支撑构件的应力值为最大，产生这一现象的主要原因是，在预载工况条件下桩靴始终受垂直向下的载荷作用，而在桩靴刚开始接触海床时桩靴与海床的接触面积最小，使得海床对桩靴支撑面积最小，从而导致主要结构支撑构件应力值最大。当桩靴逐渐插入海床，桩靴底部与海床接触逐渐增加，海床对桩靴的支撑面积也在增加，使得构件的应力值随之下降。这说明在平台坐入海底的过程中，桩靴刚开始接触海床时的结构受力最大。

从表3径向舱壁一栏发现，径向舱壁在5种载荷条件下的应力值，较相同条件下的其他构件应力值都要大。产生这一现象的主要原因是：径向舱壁支撑着桩靴的顶板和底板，此外环形舱壁1、环形舱壁2、环形舱壁3都与它相交，这使得径向舱壁既承担垂直方向的受力，又承担水平方向的受力。因此径向舱壁在所有工况条件下的应力较其他构件都大。

5 板的屈曲强度校核

随着技术的不断进步，高强度钢在海洋平台上的应用变得十分广泛。由于高强度钢的应用，使得以拉应力为主要特征的结构强度问题不再成为主要影响因素，因而结构在同等受力条件下，采用高强度钢的结构板厚大大减小。然而板厚的减小，使得由压应力引起的结构容易失稳，构成对结构整体安全的挑战。本文依据有关规范给出的经验公式，对高应力区域的板和加筋板进行屈曲强度校核。

式中：σxmax为纵向最大压应力，N/mm2；σymax为横向最大压应力，N/mm2；τ为边缘切应力，N/mm2；σcx为纵向临界应力，N/mm2；σcy为横向临界应力，N/mm2；τc为边缘临界切应力，N/mm2；η为最大许用强度利用系数，取0.8。屈曲强度校核结果见表4。

6 桩靴主要构件Mises应力云图

桩靴主要构件的Mises应力云图见图2～3。

从图3（a）、（b）、（d）可以发现，在桩靴受力时，在构件与构件的接触部位颜色较深，说明此处应力值较大，当远离接触部位时，云图颜色逐渐变浅，应力值也逐渐下降。说明在同样的载荷作用下，构件边缘部分和构件与构件接触部分应力较大，同时发现，相互接触的构件越多，应力最大。分析产生这种现象的原因是，平台建造中最常使用对接接头的焊接形式，而这种接头形式使得焊趾处截面突变，结构均匀性受到破坏。然而当结构形状出现急剧变化时，构件局部应力增加引起应力集中。整个桩靴结构是由不同厚度的板和杆件，通过焊接连接成一个整体的，而在构件与构件接触部分，需要焊接的部分较其他部分较多，从而在这些区域易产生应力集中。观察图3（b）、（c）、（d） 发现，在环形舱壁的云图中，颜色较深区域均按120°分布，与主要径向舱壁分布一致。这说明径向构件是主要支撑构件，并影响到与之相接处的板的应力值。环形舱壁1～4的云图颜色变化不明显，说明环形舱壁所承担的载荷较小。

图2 桩靴顶板、底板构件Mises应力云图

图3 桩靴舱壁、底部三角形构件Mises应力云图

7 结论

（1）从计算结果可得，所选主要支撑构件在屈曲强度和屈服强度方面都满足规范要求。

（2）通过对比屈曲强度和屈服强度计算结果得出：主要支撑构件在多数载荷条件下所受作用力都较大，往往这些区域结构强度不能满足要求，或者最大应力值比许用应力值小。同时在这些区域板的屈曲强度也较小，失稳的可能性较大。

（3）通过屈曲强度计算结果得到，高强度钢的采用对结构稳定性的影响较大。

（4）由于桩靴受不均匀载荷作用，导致应力集中的现象较为普遍。根据应力云图分析，在环形舱壁与径向舱壁相交的部位应力较大。建议在该相交部位使用强度更高的材料，以及在该部位采用圆角过渡来减少应力集中。

（5）桩靴外板由不同板厚和不同强度钢拼接而成，在板与板过渡位置易出现应力集中现象。