波浪荷載作用下外海樁基承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)研究①

摘 要:海洋開(kāi)敞式碼頭、海洋平臺(tái)等外海樁基承臺(tái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用;本文分析了外海樁基承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)研究的意義;基于ABAQUS軟件中海洋工程模塊的數(shù)值模擬，研究了波浪荷載作用下外海樁基承臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)。

關(guān)鍵詞:動(dòng)力響應(yīng)樁基承臺(tái)波浪荷載

中圖分類號(hào):TU473文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(b)-0109-01

1 外海樁基承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)研究的意義

近幾年，外海樁基承臺(tái)(包括海洋開(kāi)敞式碼頭、海洋平臺(tái))得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

開(kāi)敞式碼頭一般指建造在沒(méi)有人工掩護(hù)設(shè)施的位于開(kāi)敞海域的碼頭。隨著運(yùn)輸船舶大型化的趨勢(shì)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些港口根據(jù)船型發(fā)展和市場(chǎng)需求規(guī)劃建設(shè)了不少20萬(wàn)噸級(jí)以上原油、散貨等碼頭(如上海寶鋼馬跡山礦石碼頭)，推動(dòng)了港口向深水發(fā)展。在深水區(qū)，建造防波堤的工程費(fèi)用相當(dāng)高;隨著船舶尺度加大，碼頭前允許作業(yè)波高也有所提高;適合建設(shè)大型碼頭的港口岸線資源越來(lái)越稀缺。因此，港口為適應(yīng)大型船舶對(duì)水域的要求，越來(lái)越多地采取在外海建設(shè)開(kāi)敞式碼頭的解決辦法。

海洋平臺(tái)是海洋石油天然氣資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。隨著陸上資源的日益枯竭，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用己日趨重要。目前我國(guó)己建成海洋平臺(tái)200余座，水深超過(guò)30m的平臺(tái)100余座。

但不管是海洋開(kāi)敞式碼頭，還是海洋平臺(tái)，外海樁基承臺(tái)所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，承受著多種隨時(shí)間和空間變化的載荷，包括風(fēng)、波浪、海潮、海流、冰等，其中波浪、風(fēng)、海流是主因。這種長(zhǎng)期、連續(xù)的作用會(huì)導(dǎo)致樁基承臺(tái)在使用過(guò)程中發(fā)生明顯、持續(xù)的振動(dòng)，從而加劇承臺(tái)的疲勞破壞、降低系統(tǒng)的可靠度，甚至影響平臺(tái)的正常生產(chǎn)活動(dòng)。在國(guó)內(nèi)外海洋開(kāi)發(fā)工程中，曾有不少海洋樁基承臺(tái)事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。尤其是海洋動(dòng)力因素造成的承臺(tái)損毀事故屢屢發(fā)生。例如，1968年“Rowlandhorn”號(hào)鉆井平臺(tái)事故;1969年我國(guó)渤海2號(hào)平臺(tái)被海冰推倒，造成直接經(jīng)濟(jì)損失2000多萬(wàn)元;1997年渤海4號(hào)烽火平臺(tái)倒毀;1980年北海Ekofisk油田的AlexanderLKienand號(hào)鉆井平臺(tái)發(fā)生傾覆，導(dǎo)致122人死亡。

由此可見(jiàn)，研究更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的技術(shù)來(lái)提高外海樁基承臺(tái)的安全性、結(jié)構(gòu)可靠性、延長(zhǎng)使用年限、改善樁基承臺(tái)作業(yè)者舒適感等問(wèn)題已成當(dāng)務(wù)之急。所以，加強(qiáng)外海樁基承臺(tái)在波浪、風(fēng)等作用下的動(dòng)力響應(yīng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究具有重要的意義。

目前對(duì)外海樁基承臺(tái)雖進(jìn)行了一些研究，但還存在以下一些不足，主要是很少或沒(méi)有考慮群樁與海底土的相互作用，雖然陸地上的建(構(gòu))筑物中較多地考慮了樁土的相互作用[1-5]。如，有的將樁基承臺(tái)在泥面處做固定假設(shè)，不考慮泥面下樁和土的影響;有的雖考慮樁土的作用，但僅針對(duì)獨(dú)樁的情形，沒(méi)考慮群樁的情形[6]。波浪、風(fēng)等作用于承臺(tái)結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致的長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)使海底樁周土弱化，而樁周土的弱化會(huì)使樁的豎向和水平向承載力降低，進(jìn)而使整個(gè)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載性能降低，因此，應(yīng)該考慮群樁與海底土的相互作用。

2 波浪荷載作用下的響應(yīng)研究

本文采用的研究方法主要是ABAQUS軟件有限元分析，必要時(shí)用大型流體計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行配合和補(bǔ)充。獲得的研究成果主要有:

(1)首先獲得了整個(gè)樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)的自振周期、振型和阻尼等動(dòng)力特性參數(shù)，然后針對(duì)典型工況，研究樁基承臺(tái)在波浪荷載、承臺(tái)上堆載等組合荷載共同作用下的頻域和時(shí)域角度的動(dòng)力響應(yīng)特性，獲得了承臺(tái)的變形和內(nèi)力變化規(guī)律。并分出考慮和不考慮群樁和海底土的相互作用兩種情形進(jìn)行了比較分析。

(2)研究了群樁和海底土的相互作用特性，獲得了群樁總承載力和變形的變化規(guī)律及群樁和海底土的相互影響機(jī)理。發(fā)現(xiàn)，樁基承臺(tái)在波浪荷載作用下，海底土體物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)出現(xiàn)不同程度的弱化、樁身總側(cè)阻力有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的退化。

(3)進(jìn)行了高樁墩式承臺(tái)、導(dǎo)管框架式承臺(tái)、高樁梁板式的動(dòng)力響應(yīng)和承載性能的比較。

(4)基于ABAQUS軟件中海洋工程模塊的數(shù)值模擬，研究了4×4群樁承臺(tái)在波高4.0m、頻率為0.2Hz、作用時(shí)間為5s、而波浪荷載為50kN/m2～600kN/m2的波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)樁上的最大側(cè)向位移隨波浪荷載的增大而增大，即5.37mm～30.85mm。研究了4×4群樁承臺(tái)在波高2.0m、頻率為0.2Hz、作用時(shí)間為5s、而波浪荷載為200～600kN/m2的波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)樁上的最大側(cè)向位移隨波浪荷載的增大而增大，即16.16～41.14mm。研究了4×4群樁承臺(tái)在波高4.0m、頻率為0.2Hz、波浪荷載為200kN/m2、而作用時(shí)間為10s的波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)樁上的最大側(cè)向位移分別為29.90mm、34.84mm、21.94mm。研究了4×4群樁承臺(tái)在波高7.0m、頻率為0.2Hz、波浪荷載為200kN/m2、而作用時(shí)間為5s、10s、15s的波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)樁上的最大側(cè)向位移為33.74mm。

(5)構(gòu)建了一套基于ABAQUS軟件有限元分析的外海承臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)和承載性能的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

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