自升式平台独立桩靴结构强度分析方法

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(1.渤海装备辽河重工有限公司，辽宁 盘锦 124010；2.辽宁陆海石油装备研究有限公司，辽宁 盘锦 124010)

独立式桩靴是自升式平台的支撑结构，在最不利的组合载荷作用下，保证平台的站立稳定性[1]。所谓的最不利组合载荷，是指自升式平台在最大设计水深时，风、浪、流等环境载荷作用在同一方向上，并同时达到最大值，且要承受相应作业工况的可变载荷和固定载荷[2]。海洋平台所受的风、浪、流载荷极其复杂。桩靴和地基的相互作用提供了平台站立所需的支反力和抗滑力，同时也承受了环境载荷下桩腿传递过来的弯矩[3]。本文借助有限元软件SESAM对桩靴在风、浪、流等环境载荷和自身重力作用下的结构强度分析方法进行研究，并得出具有工程指导意义的结论。

1 环境载荷计算

1.1 波浪载荷

自升式平台在升起状态时，波流载荷主要作用在尺寸较小的桩腿上。桩腿之间的距离比较大，相互影响比较小，故可以当作小尺寸孤立桩柱来考虑，可以采用Morison公式来计算波浪力[4]。根据各种波浪理论的适用范围， 无因次波陡(H/gT2)和无因次相对水深(h/gT2) 值，选取与之相适应的水质点的速度和加速度的Stokes五阶波理论计算。

(1)

1.2 海流载荷

海流方向为可能出现的对平台危险性最大的方向，一般与波浪同向。应考虑作业海区流速的垂向分布[5]。在波浪存在时，应对无波浪时的流速垂向分布进行修正。海流载荷可按式(4)计算[6]。

(2)

式中：CD为拖曳力系数；v为设计海流流速；A为构件在与流速垂直平面上的投影面积。

1.3 风载荷计算

风压p应按式(3)计算。

(3)

式中：vf为设计风速。

作用在构件上的风力F应按式(4)计算：

F=Ch×Cs×S×p

(4)

式中：p为风压；S为平台在正浮或倾斜状态下受风构件的正投影面积；Ch为受风构件的高度系数，其值可根据构件高度h选取；Cs为受风构件形状系数，其值可根据构件形状选取，也可以根据风动试验确定。

2 桩靴结构强度计算方法

2.1 中国船级社(CCS)方法

中国船级社规范[7]中关于桩靴计算分析时，考虑了所有的情况，以确定最危险的作用模式。对于载荷及组合，应考虑以下作用情况：

1) CCS.1。在预压工况中，桩靴以及桩靴和桩腿连接的部件应设计成能承受最大的预压载荷，并假设此载荷同心分布在桩靴与海底的最初接触到桩靴完全贯入这一系列可能接触面上。

2) CCS.2。在正常作业和自存工况中，桩靴以及桩靴与桩腿连接部件应设计成能承受最大的垂直反力和相应的水平载荷，以及平台铰支时整体分析中桩腿在下导轨弯矩的50%按照最不利的方向进行叠加的作用。

3) CCS.3。考虑桩靴可能遭受的底部不确定状况，桩靴以及桩靴与桩腿连接部件还应能承受最大的垂直反力作用在底部一侧50%的面积上产生的力和力矩的作用。

2.2 美国船级社(ABS)方法

美国船级社规范[8]规定，平台在站立状态时桩靴要承受来自桩腿传递过来的载荷，并且能够把载荷有效的传递到土基础上，且主要考虑下述工况：

1) ABS.1。预压工况中，桩靴、桩靴与桩腿连接部件应能够承受的最大预压载荷作用在桩靴和土体接触的区域，从最小的设计接触面到全部的接触过程，此方法与2.1节中CCS.1的分析方法相同。

2) ABS.2。在正常作业和自存工况中，桩靴、桩靴与桩腿连接部件应能够承受最大垂向反力和相应的水平反力，并考虑桩腿在下导块处35%的弯曲力矩，并且所有的载荷按照对桩靴结构强度最不利的方向加载。

3 算例分析

3.1 载荷计算

本文以渤海装备辽河重工有限公司设计的CP-400型自升式钻井平台为例进行对比分析。该桩靴结构近似圆锥台形。桩靴设计所承受的最大预压载荷和在正常作业及自存工况的最大垂直反力为107 910 kN，正常作业工况和自存工况中桩靴承受的最大水平载荷为4 513 kN，桩腿在下导块处的弯矩为681 648 kN·m

3.2 有限元模型

对结构进行有限元分析，首先要建立有限元模型。它是根据结构物的结构形式、受力情况、精度要求和计算的最终目的[9]，运用结构力学和有限元知识，对实际结构进行简化，根据桩靴的结构特点，建模中采用了梁单元和板壳单元的适当组合，选用适当类型的单元加以模拟而得出的模型。自升式平台的桩靴插入泥土中支承整个平台。在比较真实反应结构受力情况的基础上，对桩靴结构进行简化，以便计算分析。由于桩靴大部分为板筋结构，因此选用板和梁单元进行模拟，在上部桩腿顶端施加铰支作为边界约束，整体有限元模型如图1所示。

图1 CP-400型平台桩靴整体结构有限元模型

3.3 计算结果及分析

根据前述方法，经有限元分析可得几种工况下的计算结果，并对其结构强度进行校核，结果汇总如表1。其中，σe为板单元中面等效应力，σz为梁构件单元单元合成应力，τ为板单元的剪应力。桩靴结构应力云图如图2。

图2 CP-400型平台桩靴整体结构等效应力云图

表1 CP-400型平台桩靴应力计算结果 MPa

从表1及图2可以看出：

ABS和CCS在分析桩靴结构强度时，都考虑了预压工况桩靴插桩过程，桩靴从最初接触到全部与地基接触并均匀受力，其方法是相同的。

正常作业和自存工况中，ABS和CCS规范要求加载和弯矩值不同。结构强度利用率，按CCS规范校核与按ABS规范校核进行比较，前者的利用率大11.4%。CCS规范考虑地基的不确定性因素，将最大垂直反力作用到桩靴底面的一侧上。从计算结果知，此项对桩靴的强度要求最高。使得按照CCS规范较按照ABS规范校核结构利用率的最终结果大25%。

桩靴结构强度能够同时满足ABS和CCS规范要求，但从强度校核标准上看，CCS规范较ABS规范要求更加严格。

4 结论

1) 桩靴与海底初始接触时，载荷作用在桩靴中心圆形区域的底板上，此区域的底板应加厚，内部结构应加强。

2) 在正常作业和自存工况中，ABS和CCS规范对加载弯矩值要求不同，但对桩靴整体结构强度校核结果影响较小。

3) 桩靴承受的最大垂直反力作用在桩靴底面的一侧上，此载荷情况对结构强度要求最高。特别是桩靴棱辐板结构和桩靴与桩腿连接部件，应采用增加板厚的方法及选用高强度钢材，提高承载能力。

4) 桩靴结构板厚较大，不易发生屈曲破坏，其屈服破坏为主要的结构失效形式。