APIRP2A規(guī)范在樁自由站立強(qiáng)度分析中的應(yīng)用

郭海濤

1 概述

在海洋導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)中，APIRP2A是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必備規(guī)范之一。該規(guī)范除參考最新版本的美國(guó)AISC鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范外，還融入了大量的工程設(shè)計(jì)原理和海洋石油開發(fā)過(guò)程中所取得的寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合勝利埕島海域某導(dǎo)管架平臺(tái)樁基設(shè)計(jì)，介紹了該規(guī)范在導(dǎo)管架平臺(tái)樁的自由站立強(qiáng)度分析中的應(yīng)用。

2 樁自由站立強(qiáng)度分析

APIRP2A規(guī)定，當(dāng)在每根樁和套管上放置樁錘(樁頂鉆孔機(jī)具)時(shí)，應(yīng)校核由這些設(shè)備產(chǎn)生的樁應(yīng)力[1]。這些荷載可能是接樁的最大長(zhǎng)度的限制因素，尤其是按斜向打入或鉆入樁的情況。最經(jīng)常的影響因素包括:靜彎矩、軸向荷載和樁錘初始放置時(shí)產(chǎn)生的橫向荷載。

在進(jìn)行樁自由站立強(qiáng)度分析時(shí)，要根據(jù)樁的不同分段和對(duì)接情況，對(duì)每段樁進(jìn)行自由站立強(qiáng)度分析。如果是首段樁，在置錘的瞬間，在錘和樁的自重作用下，樁會(huì)下沉到泥面以下一定距離，直到樁周圍土阻力與樁錘系統(tǒng)自重達(dá)到平衡。此時(shí)將伸出泥面或露出導(dǎo)管架外的樁作為一段自由的立柱考慮，并對(duì)其剛度系數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。

樁的自由站立強(qiáng)度分析主要包括以下內(nèi)容:

1)軸向壓縮柱狀屈曲分析。

對(duì)于徑厚比D/t≤60(D為樁直徑;t為樁壁厚度)的構(gòu)件，允許軸向壓縮應(yīng)力Fa由下式確定:

當(dāng)Kl/r＜Cc時(shí):

當(dāng)Kl/r≥Cc時(shí):

其中，Cc=;E為楊氏彈性模量，MPa;K為有效長(zhǎng)度系數(shù);l為無(wú)支撐長(zhǎng)度，m;r為回轉(zhuǎn)半徑，m;Fy為屈服強(qiáng)度，MPa。

2)軸向壓縮彎曲分析。

容許彎曲應(yīng)力Fb應(yīng)由下式確定:

當(dāng)D/t≤10 340/Fy時(shí):

當(dāng)10 340/Fy＜D/t≤20 680/Fy時(shí):

當(dāng)20 680/Fy＜D/t≤300時(shí):

3)軸向壓縮和彎曲的組合屈曲分析。

承受壓縮和彎曲聯(lián)合作用的圓柱形構(gòu)件，在其全長(zhǎng)的各點(diǎn)上，均應(yīng)滿足以下要求:

當(dāng)Fa≤0.15Fb時(shí)，可用下式替代上述兩式:

其中，fa為軸向壓應(yīng)力，MPa;fbx，fby分別為x，y向彎曲應(yīng)力，MPa;為歐拉應(yīng)力，MPa;Cm為降低系數(shù)。

在具體進(jìn)行分析時(shí)，所需考慮的工況主要包括:

a.樁，錘重量+環(huán)境荷載+樁傾斜引起的偏心荷載+樁P—Δ效應(yīng);

b.樁，錘重量+環(huán)境荷載+樁P—Δ效應(yīng)+相當(dāng)于2%錘重量的側(cè)向荷載。

3 工程實(shí)例

勝利埕島油田某導(dǎo)管架平臺(tái)位于水深 11.1 m處，導(dǎo)管架頂標(biāo)高(+)6.000m。樁通過(guò)導(dǎo)管架以7.07∶1的空間斜度打入預(yù)定深度。樁采用φ1 500mm開口變壁厚鋼管樁，入泥深度 90m。由導(dǎo)管架工作點(diǎn)的位置和入泥深度可以確定每根樁的總長(zhǎng)度為108.372m。海上打樁時(shí)計(jì)劃采用IHC S-500打樁錘，分4段樁打入，樁體結(jié)構(gòu)見圖 1。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表 1，表 2。

2)自由站立強(qiáng)度校核結(jié)果。

表1 樁幾何和力學(xué)參數(shù)

表2 液壓錘性能及主要數(shù)據(jù)

根據(jù)上述分析方法，分別對(duì)每段樁進(jìn)行自由站立強(qiáng)度校核，結(jié)果見表 3。

表3 樁計(jì)算結(jié)果

由表 3中的計(jì)算結(jié)果可知，每段樁的應(yīng)力比值都小于 1，因此樁的自由站立強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析計(jì)算可以看出，該平臺(tái)樁滿足自由站立強(qiáng)度要求。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行分析時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)按照規(guī)范要求，在進(jìn)行樁自由站立強(qiáng)度分析時(shí)不能對(duì)容許應(yīng)力進(jìn)行放大。

2)在進(jìn)行樁自由站立強(qiáng)度分析時(shí)，應(yīng)同時(shí)結(jié)合打樁分析。靜應(yīng)力與打樁時(shí)動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)力組合，應(yīng)不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。

3)接樁長(zhǎng)度除滿足力學(xué)分析外，還應(yīng)密切結(jié)合施工工藝，以達(dá)到最佳效果。

[1] APIRP2A-WSD.Recommended practice for p lanning，designing and constructing fixed off shore platforms-working stress design [S].

[2] 吳 坤，紀(jì)寧玲.關(guān)于樁基設(shè)計(jì)的一點(diǎn)看法[J].山西建筑，2010，36(2):126-127.