桁架式服务平台桩腿疲劳寿命分析

郑贞明，崔超朋，唐柳伦

(1.浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州310030；2.上海韦迒船舶科技有限公司，上海 200021)

0 引言

近年来，我国海上自升式平台的建造量逐渐增多。自升式生活服务平台具有结构复杂、服役期长、工作环境恶劣等特点，桩腿在服役过程中受环境载荷的交变作用，很容易产生疲劳裂纹并产生一定的疲劳累计损伤，从而严重威胁整个平台的安全。因此，对自升式平台的桩腿进行准确合理的疲劳计算是十分必要的。

本文以90 m水深海上生活服务平台为例，研究了谱疲劳分析方法，论述了桁架式桩腿疲劳计算的原理和流程。上述关键技术的研究对提升我国自主研发和设计桁架式桩腿的能力具有重大意义。

1 谱疲劳分析方法

疲劳破坏是海洋平台的主要失效模式之一。目前，自升式平台结构疲劳分析方法有2种：简化疲劳分析法和谱疲劳分析法。简化疲劳评估方法根据作用的应力范围是低于或高于许用值来确定疲劳强度。谱疲劳分析法采用波能谱密度函数来描述每一个海况，通过动力分析方法求得平台结构的应力传递函数和应力谱，并用概率统计的方法求出桩腿节点相应的应力范围和应力循环次数，最后用迈因纳准则计算疲劳累计损伤从而估算节点的疲劳寿命。谱疲劳分析法由于用统计的方法来描述每一个海况，反映了海况的随机特性。本文采用谱疲劳计算方法进行计算。

1.1 海况的长期分布

本文采用中东地区的波浪散布图进行疲劳分析，海况的长期分布可由有义波高

H

、平均波浪周期

T

(平均过零周期)和每个波高和周期的发生概率

P

得出。波浪长期分布参数见表1。

表1 波浪长期分布参数

1.2 波浪谱密度函数

对于完全发展的海况，选择Pierson-Moskowitz谱进行分析计算。其表达式为

式中：

S

(

f

)为Pierson-Moskowitz谱的能量谱密度函数，m/Hz；

f

为频率，Hz。

1.3 应力范围响应谱

应力能量谱

S

(

f

)可通过应力传递函数

T

(

f

)和波浪散布图中某一个短期海况的波浪谱密度函数

S

(

f

)得到，如下式所示：

S

(

f

)=|

T

(

f

)|

S

(

f

)

1.4 应用迈因纳准则计算累积疲劳损伤

对于第

j

级海况和第

i

级应力范围，一年的应力循环次数可通过下式计算：

n

=315 368×10

P

P

f

式中：

P

为第

i

级应力范围出现的概率；

f

为第

j

级海况下的等效应力响应频率。

1.5 焊接管节点的S-N曲线

焊接管节点的

S

-

N

曲线公式如下：lg

N

=lg

k

-

m

lg

S

式中：

N

为在应力范围

S

作用下产生疲劳失效的预计循环数；lg

k

为

S

-

N

曲线在lg

N

轴上的截距；

m

为

S

-

N

曲线斜率的负倒数，一般在不至于引起混淆的情况下就称为

S

-

N

曲线斜率,具体取值见表2。

表2 管节点的设计S-N曲线

1.6 厚度修正

结构节点的疲劳性能与结构厚度有关。对于同一应力范围，随着构件厚度的增加，接头的抗疲劳性能会降低。工程中一般通过修正应力来解决板厚的影响。当厚度大于基准厚度时，应考虑尺度效应修正，修正公式如下：

S

=

S

(

t

/

t

)式中：

S

为许用应力范围，MPa；

S

为由

S

-

N

曲线得出的许用应力，MPa；

t

为基准厚度，焊接管节点的

t

=16 mm；

t

为杆件厚度，mm。

2 疲劳计算方法和过程

本平台的设计寿命为20 a，疲劳计算方法和过程如下：

(1)考虑了平台服役在90 m水深下的桩腿的疲劳寿命，波浪周期的范围取为0.8～14.0 s，并对浪向分别在0°、30°、60°、90°、120°、150° 和 180°时进行疲劳累积损伤分析。

(2)选取了桩腿所有的节点进行疲劳强度分析。动态放大系数、应力集中系数和

P

-

D

效应在计算中都有考虑。

2.1 桩腿疲劳分析有限元模型

桩腿疲劳分析有限元模型见图1。平台船长82.3 m，型宽44 m，型深6.5 m，水深90 m，气隙10 m，入泥深度3 m，桩靴底部铰支。

图1 桩腿疲劳分析有限元模型

2.2 疲劳载荷

2.2.1 固定载荷

本平台的最大举升重量为117 243 kN，其中包括了船体重量87 813 kN和可变载荷29 430 kN。同时，在分析中还考虑了桩腿和桩靴的重量，他们的重量分别为26 782 kN和6 278 kN。

2.2.2 拖曳力系数

水动力载荷大小取决于自升式平台桩腿主弦杆、斜撑杆、水平撑杆和内水平撑杆。主弦杆间距为9 500 mm，水平撑杆和斜撑杆管径为220 mm，内水平撑杆管径为168.3 mm。具体形式见图2和图3。

图2 桁架式桩腿

图3 弦杆截面

波浪载荷将被离散为一系列的载荷点作用在有限元模型上，通过施加的波浪载荷可以得到计算所需的力和倾覆力矩。波浪载荷是通过莫里森方程计算得到的，所应用的波浪理论为艾利波理论。等效的桩腿拖曳力系数

C

和惯性力系数

C

根据

SNAME

T&RB

5-5规范求得，分别为：

C

=3.07，

C

=2.86。

2.2.3 循环载荷

疲劳损伤主要是由作用在结构上的循环载荷所引起的，因此在疲劳计算中，不考虑浮力、重力等的非循环载荷。通常认为，风载荷、流载荷的频率要远远大于波浪载荷的频率，因此风载荷和流载荷的影响可以忽略不计，在疲劳计算中只考虑波浪载荷作用下的疲劳损伤。

2.2.4 动态放大系数

用SACS软件对90 m水深下的模型进行模态计算，计算结果为：自振周期为10.8 s(考虑

P

-

D

效应)，阻尼系数取7%。

2.2.5 应力集中系数

对于管节点，还需要考虑应力集中系数的影响。应力集中系数的大小与节点的几何形状、载荷的加载方式有关。本文根据

API

RP

2

A

-

WSD

，

OCTOBER

2007规范使用Efthymiou公式来估算管节点应力集中系数的大小。

2.3 累计损伤

本文选取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°这7个不同浪向进行了疲劳累积损伤分析，总损伤参考规范《海洋工程结构物疲劳强度评估指南》2.2.2中的公式计算如下：

疲劳寿命为：

Y

=1

/D

式中：

D

为疲劳总损伤；

n

为应力范围

S

的实际循环次数；

N

为结构在应力范围

S

的恒幅交变应力作用下达到破坏所需的循环次数；

Y

为疲劳寿命，a。

2.4 计算结果及评估

从疲劳的计算结果看，其疲劳寿命最短的位置在下导向的附近区域。经过计算，90 m水深下疲劳寿命为73.7 a，满足规范对疲劳寿命的要求。

3 结论

本文介绍了自升式服务平台桁架桩腿结构的谱疲劳分析方法，使用SACS软件建立了疲劳分析的简化模型，基于累计损伤理论校核了桩腿的疲劳寿命。得到发下结论：

(1)疲劳的分析区域桩腿和平台船体下部的连接位置与桩腿和桩靴的连接位置为疲劳关键区域，合理确定疲劳分析区域，能够有效提高计算效率。

(2)该自升式平台桁架桩腿和平台船体下部的连接区疲劳寿命最短。