自升式平台就位过程触底分析

许海东,隋依

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452；2.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100)

自升式平台就位放桩至海床时，桩靴可能在波浪、海流等载荷作用下与海床发生触底碰撞，会造成桩腿、桩靴结构、升降机构、固桩架的损坏或破坏，使承载能力降低，进而影响整个平台的结构安全[1]。触底碰撞是在短时间内桩腿、桩靴与海底发生的一个复杂的非线性动态响应过程，目前国内外对桩靴与海底地基之间相互作用的研究主要集中于桩基、穿刺等方面[2-6]，少见桩腿下放过程中平台在波浪下产生的整体动力响应对桩腿与海床产生的撞击的研究报道。已有的研究集中于自升式平台就位过程中桩腿、桩靴碰撞载荷或基于刚性地基条件下确定平台收放桩可行性[7-10]。然而自升式平台在就位过程中作业的地基类型是复杂多样的，不同地基条件下如何确定平台就位允许作业海况条件，未见相关论述。

工程上为防止桩腿和桩靴与海底的撞击力过大，通常是限制作业环境条件。但如果环境条件限制得过于严格，可供选择的作业时机就会减少，可能延长作业周期；但环境条件过于宽松，又会增加桩腿发生撞击破坏的风险。因此，考虑以某自升式平台为研究对象，针对黏土、砂土和岩土3种典型海洋地基，基于显式动力分析方法建立桩腿-桩靴-地基有限元模型对不同海况下桩腿、桩靴触底碰撞过程进行仿真分析，确定平台在不同地基条件下的限制作业海况条件，为自升式平台就位过程触底碰撞提供计算和评估模式。

1 计算方法

就位过程中自升式平台处于漂浮状态，在环境载荷作用下，会引起平台的运动，使接近海底的桩靴发生触底碰撞，因此需要计算桩腿下放至接近海床时的整体动力响应，并将其作为触底碰撞仿真模拟的动力效应，进行数值模拟，进而对结果分析。基于自升式平台频域内水动力响应原理，参照靶谱法和刚体运动的特性，将频域运动响应转换为时域桩靴速度时程，并取桩靴底部垂向速度的最大值作为后续碰撞仿真模拟的边界输入。采用显示动力分析方法分析桩腿-桩靴-地基复杂的非线性碰撞问题。整个过程考虑了载荷传递的连续性，确保计算结果可靠合理。

1.1 频域-时域响应转换方法

将平稳海况下的海浪视为平稳的具有各态历经性的随机过程，将靶谱根据频率划分为N个区间，将代表所有N个区间内波能的N个余弦波叠加起来，即可得到海浪的波面时程曲线。

(1)

通过结构物的响应谱得到自升式平台的运动幅度，则式(1)可写为

(2)

对其求导可得到速度，由于要获取桩靴底部撞击海底地基一瞬间的垂向速度，由下式得到桩靴底面中心点的速度方程：

νP=νQ+ω×QP

(3)

式中:νP为桩靴底面中心点速度；νQ为自升式平台重心位置处速度；ω为自升式平台在重心位置处的角速度；QP为2点间空间位置矢量。

1.2 碰撞显示动力分析方法

显式动力学是基于结构动力学运动方程，主要算法采用Lagrangian增量法，结合动量方程、质量守恒方程及能量方程，连同材料模型和初始条件及边界条件，组成完整的求解条件[11]。

该方法采用中心差分法求解，运动方程考虑阻尼影响后为：

(4)

式中:M为总体质量矩阵；P为总体载荷矢量；F由单元应力场的等效节点力矢量组集而成；H为总体结构沙漏黏性阻尼力；C=cM，为阻尼系数矩阵，其中，c为阻尼常数。

2 水动力计算

2.1 计算模型

某桁架式桩腿自升式平台主体为箱形结构，桩腿为三角桁架式桩腿，由弦管、水平撑杆、斜撑杆及水平内撑杆组成，艉二艏一，桩腿下端设有桩靴，其结构为上、下表面削斜坡的箱型结构，主要结构参数见表1，桩腿参数见表2。

表1 平台主要结构参数 m

表2 桩腿结构尺度参数 m

在SESAM的GeniE模块采用PLATE单元模拟主甲板、船底板、船体外板、舱壁等结构，PIPE单元模拟桩腿，非圆管截面的桩腿弦管截面按照SNAME(美国船舶与海洋工程协会)提出的方法进行选取和计算，PLATE单元模拟桩靴，建立水动力分析模型(包括湿表面模型和Morison模型)，见图1～3。

图1 几何模型

图2 湿表面模型

图3 Morison模型

2.2 频域响应计算结果

建立桩腿下放至接近海底位置的水动力模型，设定海水密度为1 025 kg/m3，平台的工作水深为60 m，吃水4.215 m，波浪入射角取值范围为0°～360°，间隔为15°，充分考虑波浪在各个角度对平台运动的影响。波浪周期范围为4～30 s，间隔为1 s。按照规范推荐值及SNAME提出的方法进行CD、CM选取和计算。

在POSTRESP模块进行HydroD计算结果显示和处理。因桩靴碰撞分析仅需提取桩靴垂向运动结果，因此只提取与垂向运动相关的垂荡、横摇和纵摇运动响应的传递函数曲线(RAO)进行分析。结果见图4。

图4 运动响应RAO

由图4可见，波浪入射角和周期对垂荡、横摇和纵摇3个方向的运动响应都有影响，相对于垂荡，横摇和纵摇对波浪入射方向更加敏感。

浮式结构的随机动力响应可以通过波浪谱的输入，经由RAO得到响应谱，即响应谱与海浪谱之间的关系式如下。

(5)

式中:SR(ω)为响应谱；Sη(ω)为海浪谱；H(ω)为浮式结构的RAO。

选用JONSWAP谱作为输入的海浪谱，考虑自升式平台作业海域的特点，参考相关海况统计资料，重点分析3种海况下平台的运动响应。各级海况的波高、周期见表3。

表3 海况参数

三级海况下垂荡、纵摇和横摇的响应谱见图5(0°～180°浪向，间隔为30°)。

图5 响应谱

由图5可见，不同波浪入射角度很大程度上影响着各自由度的响应幅值，垂荡运动响应的幅值远大于其他2个自由度；四级和五级海况的响应谱趋势与三级海况一致，但海况等级越高，响应谱的幅值越高，且不同海况下引起自由度响应谱峰值的主要波频成分不同。

2.3 时域响应计算结果

选择充分海况情况，时历分析时长3 h，即10 800 s。对每一种海况下不同波浪入射角进行时域分析，得到桩靴底部中心点的速度时程。选择桩靴与地基作用时最不利的情况，即取同一海况下垂向速度的最大值作为桩靴触底时与地基碰撞的边界输入。各海况下不同波浪入射角的最大垂向速度见图6。

图6 速度时程内最大垂向速度

由图6可见，最大垂向速度随着波浪入射角的变化呈现一定对称性。随着海况等级的增加，速度值也逐渐增大，且受入射角度变化的影响也越来越明显。三级海况，当入射角为300°时，垂向速度达到最大值0.186 m/s；四级海况，当入射角为0°时，垂向速度达到最大值1.634 m/s；五级海况，当入射角为0°时，垂向速度达到最大值3.897 m/s。

3 桩靴触底碰撞分析

3.1 触底碰撞有限元模型

以桩腿-桩靴为研究对象，适当简化模型，桩腿、桩靴采用理想的弹塑性材料，通过改变密度和弹性模量来模拟海洋地基的不同特性。

在ANSYS里选用梁单元BEAM161来模拟桩腿弦管和撑杆、桩靴内骨架，选用壳单元SHELL163来模拟桩靴的外板、环形舱壁、辐射舱壁及桩腿-桩靴的连接板，选用实体单元SOLID164来模拟海底地基，建立桩腿-桩靴-海底有限元模型。为消除边界影响，选择海底地基尺寸是桩靴直径的5倍。海底地基周边进行全约束，对桩靴、桩腿施加垂向速度，取自前述时域响应计算结果。

选用面面自动接触，碰撞静摩擦因数为0.10，动摩擦因数为0.05，阻尼系数为0.25。最后输出K文件，并对关键字进行添加和修改，导入到LS-DYNA求解器进行求解，并通过后处理软件LS-PREPOST对结果进行查看和分析。

3.2 不同海况下碰撞分析

以海洋地基为砂土层为例，分析不同海况下桩靴触底碰撞过程中桩腿、桩靴的应力变化。图7～ 8分别为四级海况时碰撞瞬间、碰撞后典型时刻桩靴应力云图，图9为四级海况时碰撞瞬间、碰撞后典型时刻桩腿应力云图。

从图7～8中显示的结果可以发现，在触底碰撞瞬间，应力主要集中于桩靴底板中心区域，最大应力发生在桩靴内骨架。随着碰撞过程的发展，桩靴底部与海底地基的接触区域开始增大，应力开始向桩靴顶部及四周分散，应力开始减小，最终由大部分骨架、内部辐射板及隔板承受应力，应力均匀分布。

图7 碰撞瞬间桩靴应力云图

图8 碰撞后桩靴应力云图

由图9可见，在碰撞发生瞬间，桩腿的主弦管承担大部分来自桩靴传递的应力。随着碰撞过程的发展，主弦管上的应力开始向水平撑杆、水平内撑杆、斜撑杆上传递，应力主要由撑杆承担，并在各撑杆间的连接处出现应力集中点。

图9 桩腿应力云图

类似地，计算得到三级和五级海况时砂土层的碰撞结果。碰撞发生0.1 s内，3种海况下桩腿及桩靴最大应力见表4。

表4 砂土层各海况下碰撞应力分析

比较看出，碰撞对平台的危险性与海况恶劣程度直接相关。在不同海况下，碰撞在桩靴部位产生的最大应力都位于桩靴底部中心区域，发生的时间大致都在碰撞瞬间。但在恶劣海况时，最大应力的发生时间有所延迟。这主要是因为碰撞发生后，桩靴仍在惯性速度下继续下降，但此时应力还没有传递给其他板材和骨架，因此出现最大值。桩腿在碰撞过程中，最大应力均位于主弦管或撑杆的连接处。

3.3 不同地基下碰撞分析

针对不同黏土、砂土及沿途等不同类型海洋地基，对不同海况条件下平台就位时桩靴触底碰撞进行分析，结果见图10。从图10可以看出，当自升式平台作业于黏土、砂土地基时(如图10a)、b)所示)，在五级海况以下就位，桩靴、桩腿构件碰撞强度分析结果都可以满足要求，其中在砂土地基就位时，桩靴骨架构件最大分析UC值达0.93，接近临界值，因此就位过程应加强关注海况信息；在岩土层地基作业时(如图10c)所示)，在五级海况下就位时桩靴板材与骨架构件最大分析值均超过临界值，且桩靴骨架构件最大分析UC值已达1.25，因此建议平台在岩土地基就位时，在四级海况以下进行就位。

图10 桩腿、桩靴构件碰撞分析结果

以四级海况为例，分析海洋地基分别为黏土层、岩土层时碰撞始末桩腿、桩靴的应力情况，并与砂土层的结果进行比较分析。发生碰撞0.1 s内，3种海洋地基的桩腿及桩靴出现的最大应力见表5。

表5显示，桩靴触底碰撞过程的危险区域位于桩靴底部中心碰撞接触区域，因此设计时重点考虑桩靴底部骨架和底板位置，可通过加筋等方法适当提高强度。

表5 四级海况各海洋地基碰撞应力分析

4 结论

1)触底碰撞瞬间桩靴应力主要集中在桩靴底部中心区域，随着碰撞的发生，应力向骨架、隔板、顶板各部分扩散。桩腿应力随着碰撞的发生逐渐向撑杆的连接区域集中，形成应力集中现象。碰撞过程最危险的位置是桩靴底部中心的板材和骨架，因此设计时应重点考虑桩靴底部骨架和底板位置，可通过加筋等方法适当提高强度。

2)平台作业于黏土、砂土地基时，在五级海况以下就位，桩靴、桩腿构件碰撞强度分析结果都可以满足要求，但在砂土地基就位过程中应加强关注海况信息；平台在岩土地基就位时，建议在四级海况以下进行就位。