拖航工況不同節距對自升式平臺樁腿強度影響

王 凱，樊巖松，李清斌，戴克文，姚湘琳

（1.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦124010；2.遼寧陸海石油裝備研究院有限公司，遼寧 盤錦124010）①

自升式海洋平臺在工作的全部過程中有多種不同的工作狀態，其中當平臺進行位置變動時，由于自身不具備自航功能，需要拖輪進行拖航。在拖航狀態下，主船體漂浮在海面上，樁靴收回，樁腿升到船體之上，甚至高出甲板上百米，平臺橫搖、縱搖時會形成巨大的搖擺慣性力，對樁腿強度提出了較高的要求。拖航工況的樁腿強度分析是自升式海洋平臺設計階段的重要研究內容［1－3］。

自升式海洋平臺樁腿的形式可分為殼體式和桁架式兩類，殼體式樁腿一般用于工作水深60～70 m，再深則需要增大樁腿尺寸，導致更大的波浪載荷，結構的質量也會增大。因此，深水自升式平臺多采用桁架式樁腿［1］。

桁架式樁腿的支撐型式主要有K型、X型、Inv－K型3種。其中Inv－K型樁腿具有較好的力學性能和經濟性［4－5］。本文以某Inv－K 型樁腿的自升式海洋平臺為例，運用Matlab參數化編程，通過GeniE進行結構建模和有限元分析，闡述了拖航工況下樁腿強度分析的一般過程，并考慮不同載荷方向以及節距對樁腿結構的影響。

1 建立有限元模型

在GeniE中建立桁架式樁腿有限元模型時需要注意的問題：

1） 樁腿弦桿為自定義梁單元，需保證其剛度、截面特性與實際一致，如圖1和表1；樁腿構件屬性如表2。

2） 邊界條件：拖航狀態下樁腿主要受到約束的部位在弦桿與鎖緊系統、上導塊位置交接處，上導塊位置約束狀態（xyzr x r y r z）＝（1 0 0 0 0 0），鎖緊系統位置的約束狀態（xyzr x r y r z）＝（1 0 1 0 0 0），1表示約束，0表示自由，樁腿邊界條件如圖2。

圖1 樁腿弦桿截面

表1 樁腿弦桿特性

圖2 樁腿邊界條件

整個樁腿高度125 170 mm，樁腿水平撐桿長度11 750 mm，節距7 925 mm，樁腿結構、桿件截面及材料屬性如圖3和表2。

圖3 Inv－K型樁腿結構形式

表2 樁腿構件屬性

2 計算載荷

樁腿在拖航狀態下的載荷有風載、重力以及由于運動引起的慣性力。按中國船級社《海上移動平臺入級與建造規范》，拖航工況分為油田內遷移和遠洋拖航2種，以遠洋拖航為例，作用在樁腿上的載荷（如圖4）按周期T＝10 s，單邊橫搖或單邊縱搖（如圖5）擺幅15°時的彎矩及平臺在相應傾角時重力彎矩的120%求得［6］。

圖4 樁腿基本工況載荷

圖5 拖航時自升式平臺的運動

2.1 風載

第i分段的風力為

風力引起的上導塊處的彎矩為

2.2 運動引起的慣性力

第i分段的慣性力F Ii在與樁腿軸線垂直方向的分量為

第i分段的慣性力F Ii在樁腿軸線方向的分量為

樁腿慣性力在上導塊處的彎矩為

2.3 樁腿傾斜θ角時的重力

自重W i在與樁腿軸線垂直方向的分量為

自重W i在與樁腿軸線方向的分量為

樁腿自重在上導塊處產生的彎矩為

與樁腿軸線垂直的載荷分量為

與樁腿軸線平行的載荷分量為

在上導塊處的總彎矩為

樁腿各構件的強度校核如下［5］：

同時承受軸向拉伸和彎曲組合作用的構件，其計算應力應滿足

同時承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構件，其計算應力應滿足

式中各符號含義可參見文獻［6］。

3 結果分析

對上述Inv－K型樁腿的有限元模型按基本工況組合進行加載分析，同時考慮樁腿節距變化對結構的影響，本文另外選取3種節距進行結構分析，節距變化對樁腿質量變化的影響如表3，按式（1）～（2）對樁腿弦桿、撐桿強度進行校核，計算結果如表4。

由表3～4知：節距變短，樁腿質量增大，K型夾角變小，樁腿位移是先減小后增大，不是單調變化的；樁腿構件UC值均小于1，即樁腿強度滿足規范要求；K型斜撐在樁腿所有構件類型中UC值最大。

表3 節距變化對樁腿質量和結構位移影響

對4種節距樁腿進行分析，在載荷方向（如圖6）為0～90°時，每隔10°分別計算樁腿K型斜撐的最大UC值，計算結果如圖7。

結合表3～4及圖7，當節距由7 925 mm降為7 355 mm時，樁腿構件的利用率均有明顯的降低，當節距由7 355 mm降為6 865 mm和6 435 mm時，樁腿質量逐漸增大，但樁腿構件的利用率并沒有明顯改善。K型斜撐的內力在30°載荷方向產生了極小值，在0°和60°載荷方向產生了極大值，考慮樁腿結構和載荷方向的對稱性，在90°方向應出現極小值，K型斜撐的最大內力隨載荷角度60°一個周期進行增減變化。

圖6 載荷方向角α的定義

圖7 4種節距K型斜撐在不同載荷方向下的最大UC值比較

4 結論

1） 樁腿質量和K型斜撐的夾角隨節距的變小呈現單調變化狀態，但樁腿承載后的結構位移變化不是單調的，K型斜撐夾角的選取對于桁架式樁腿結構的受力有很大的影響。

2） 位于上導塊附近的K型斜撐利用率最大。

3） 載荷方向對樁腿結構受力有影響，在拖航工況下對樁腿結構強度計算可僅考慮圖6中0°或60°的加載方向。

4） 樁腿節距變化對樁腿結構受力有影響，存在一個值使得樁腿質量和結構利用率達到最優。

［1］ 李潤培，王志農.海洋平臺強度分析［M］.上海：上海交通大學出版社，1992：86－87.

［2］ 陳宏，李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述［J］.中國海洋平臺，2007，22（6）：1－6.

［3］ 謝娜娜，馬廷霞，劉國昊，等.自升式海洋平臺樁腿樁靴有限元分析［J］.石油礦場機械，2013，42（11）：32－38.

［4］ 楊炎華，金書城.自升式海洋平臺樁腿結構優化設計［J］.船海工程，2011，40（6）：150－152.

［5］ 王瑜.基于有限元分析的自升式平臺桁架樁腿選型優化設計［J］.船舶設計通訊，2010，12（2）：60－64.

［6］ 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范［M］.北京：人民交通出版社，2012.