拖航工況自升式平臺樁腿結構強度計算分析

尹秀鳳，劉 靜，李 磊，于長江

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺264000)

自升式平臺到指定海域作業，需要進行遷移，即拖航。拖航按照時間和距離可以分成不超過12 h的近距離拖航(近海拖航)和超過12 h的遠距離拖航(遠洋拖航)。在拖航時，平臺主體漂浮在海面上或者擱置在運載駁船上，樁腿升起，樁腿通過固樁塊固定，使得樁腿的受風面積大，重心高，受較大搖擺慣性力以及力矩的作用。會產生樁腿在拖航的過程中損壞。因此，在設計初期，樁腿結構的強度是否滿足拖航狀態要求，非常重要［1］。近海拖航時間較短，且環境較溫和，樁腿的強度一般都能滿足。本文重點分析遠洋拖航工況下，樁腿強度在滿足規范美國船級社(ABS)規范以下稱《ABS規范》要求的前提下，對樁腿結構的影響。

1 載荷計算

平臺拖航時，樁靴收回到平臺主體，樁腿升到平臺的主甲板以上，通過鎖緊裝置使得樁腿和船體牢固地連接在一起。受環境載荷的作用，平臺發生搖擺運動后樁腿將受到動力載荷的作用，樁腿的動力計算通常采用準靜態的分析。主要受力包括:①風力;②平臺運動使樁腿傾斜，樁腿重量引起的力和力矩;③平臺運動產生的慣性力和力矩［2-3］。

1.1 風力

風力Fwind對樁腿的結構強度有較大的影響。

式中:v——風速，m/s;

Ch——高度系數;

Cs——形狀系數;

A——樁腿的受風面積，m2。

1.2 慣性力

在拖航工況下，假定平臺搖擺為簡諧運動，搖擺中心為水線面處的漂心，見圖1。搖擺角θ為

式中:θ0——搖擺幅值;

T——搖擺周期。

圖1 樁腿拖航工況下慣性力的計算

樁腿任意分段i的質量為m，則加速度引起的慣性力的分解為平行于樁腿軸線的分量FiH和垂直于樁腿的分量FiV。

1.3 樁腿的重力

樁腿在搖擺時由于樁腿發生傾斜，樁腿自重也可分解成平行于樁腿軸線的分力和垂直于樁腿軸線的分力。樁腿拖航工況下重力的計算見圖2。

圖2 樁腿拖航工況下重力的計算

樁腿傾斜θ角，樁腿自重的橫向FGH和垂向分力FGV分別為

遠洋拖航，《ABS規范》2008版的設計標準為:樁腿應能承受周期10 s，單擺幅值為15°的縱搖和橫搖運動時所產生的彎矩和由于樁腿傾斜而產生的重力彎矩的120%，風載荷沒有考慮。

2 樁腿結構優化

以某自升式平臺為例，樁腿結構為桁架式，其截面形狀為三角形，由弦桿(齒條板和半圓管組成)、水平撐桿和斜撐桿組成，見圖3。

圖3 樁腿結構

按照《ABS規范》的設計標準，就拖航工況下樁腿結構中的弦桿間距離、弦桿截面、水平撐桿截面和斜撐桿截面的變化，利用SACS軟件，依據AISC規范，對樁腿強度的影響進行計算分析。

2.1 弦桿間距離的改變

弦桿間距離見圖4，弦桿距離變化，樁腿結構截面外形也相應變化。本文在原來樁腿結構的基礎上，弦桿間距離減少1%～7%，其它保持不變，就拖航工況而言樁腿結構強度有所增強，尤其是弦桿的強度增強比較顯著，見圖5。

2.2 弦桿截面的改變

弦桿是桁架式樁腿結構的主要構件，主要由齒條板和半圓管組成，詳細截面形狀見圖6。改變此截面形式的弦桿在半圓管的厚度、半圓管外徑、齒條厚度，而其它保持不變。對樁腿的結構強度進行評估。具體計算結果見圖7～9。半圓管的厚度、半圓管半徑增加，齒條厚度增加，水平撐桿和弦桿的強度增強，斜撐桿沒有變化。

2.3 水平撐桿截面的改變

圖9 齒條不同厚度的樁腿結構強度UC值

水平撐桿根據API標準鋼管和ASTM標準鋼管表選擇不同的型號，分析計算不同水平撐桿的樁腿的結構強度，見圖10。

圖10 不同水平撐桿的樁腿結構強度UC值

分析可知，水平撐桿的變化對樁腿結構的弦桿強度基本沒有影響，對斜撐桿的強度影響也是非常小，但是對水平撐桿的影響非常顯著。水平撐桿壁厚不變，管徑越大，樁腿的結構強度越強;管徑不變，壁厚越大，樁腿的結構強度越強;但是相比較而言，管徑變化較壁厚變化對樁腿強度的影響較大。

2.4 斜撐截面的改變

斜撐桿根據API標準鋼管和ASTM標準鋼管表選擇不同的型號，分析計算不同斜撐桿的樁腿的結構強度，見圖11。

分析可知，斜撐桿的變化對樁腿結構的水平撐桿強度基本沒有影響，對弦桿的強度影響也是非常小，但是對斜撐桿的影響非常顯著。斜撐桿壁厚不變，管徑越大，樁腿的結構強度越強;管徑不變，壁厚越大，樁腿的結構強度越強;但是相比較而言，管徑變化較壁厚變化對樁腿強度的影響較大。

圖11 不同斜撐桿的樁腿結構強度UC值

3 結論

1)改變樁腿弦桿間的距離，對樁腿結構強度的影響較大，其弦桿、水平撐桿和斜撐桿的強度都有增加。

2)弦桿的改變，對樁腿中的弦桿強度影響較大;對水平撐桿的強度有影響;斜撐桿的強度基本沒有變化。

3)水平撐桿的改變，對樁腿中的水平撐桿強度影響較大;對斜撐桿的強度有影響;弦桿的強度基本沒有變化。

4)斜撐桿的改變，對樁腿中的斜撐桿強度影響較大;對弦桿的強度有影響;水平撐桿的強度基本沒有變化。

另外就拖航工況進行計算分析得到的上述結論，僅對工程人員進行平臺的基礎設計提供參考和借鑒。對于自升式平臺的重要結構樁腿而言，站位強度也非常重要，而且樁腿的結構設計要綜合考慮功能和布置等因素。

［1］陳 宏.“BMC 375”型自升式平臺簡況及設計特點［J］.中國海洋平臺，2010，25(5):2-3.

［2］孫東昌，潘 斌.海洋自升式移動平臺設計與研究［M］.上海:上海交通大學出版社，2008.

［3］歐進萍，段忠東，肖儀清.海洋平臺結構安全評定-理論、方法與應用［M］.北京:科學出版社，2003.