自升平臺駁殼體式樁腿疲勞分析及影響因素

吳英照，劉益清

（1.山東省濟南船舶檢驗局，濟南 250000；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063）

0 引言

自航自升式平臺駁具有良好的機動性和操作性，駁船體可被抬離海面進行作業，亦可被降回海面、回收樁腿進行自航調遷。作為移動式平臺的一種，該類平臺多適用于淺水區域，且多采用殼體式樁腿。與其他類型的平臺相比其具有相對龐大的主體，在作業工況下樁腿承受的載荷集中度更大。

本文針對某自航自升式平臺駁，采用有限元軟件建立平臺模型，對典型工況下殼體式樁腿的屈服強度進行計算，找出樁腿結構的疲勞熱點。選取該平臺作業區域的波浪譜和S-N曲線進行樁腿疲勞壽命計算，并對該殼體式樁腿疲勞強度的影響因素做了探討和分析。

1 平臺尺度及參數

本文所研究的自航自升式平臺駁設計為國內沿海航區，作業水深約20 m。首尾各設置2根殼體式樁腿，作業時樁腿插入海底，甲板上的樁腿升降裝置通過液壓油缸將船體頂升出水面。不作業時船體降至漂浮狀態，并回收定樁腿于甲板面上。

本平臺樁腿采用殼體式，直徑為800 mm，壁厚為30 mm。平臺主要參數見表1，側視圖見圖1。

表1 平臺主體及樁腿主要參數

圖1 平臺側視圖

2 平臺結構有限元模型

文中采用MSC.PATRAN建立平臺結構。實際建模時忽略了桁材上的開孔、人孔和小肘板等，忽略上層建筑，其上的風壓等效加載在主體上，樁腿與穿過船體處的結構做了剛性關聯。

平臺結構有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 主體與樁腿結構有限元模型

圖3 樁腿結構有限元模型

3 樁腿屈服強度計算及疲勞熱點選取

為了得到樁腿結構的疲勞熱點，本文在3種典型工況下對樁腿屈服強度進行計算，以獲得樁腿結構的疲勞熱點區。

3.1 邊界條件

根據CCS《海上移動平臺入級規范》[1]，平臺主體結構被樁腿支撐時，模型邊界條件可設置在樁腿處，在泥面以下3 m處樁腿視為簡支，約束樁腿節點的三向線位移。

3.2 載荷工況及施加

考慮樁腿和平臺外載荷情況，所選取的3種典型工況及載荷組合，見表2。

表2 計算工況及載荷組合

3.2.1 風載荷計算

根據 CCS《海上移動平臺入級規范》，本平臺計算風載時風速V取為25.8 m/s[1]。

風壓為

作用于構件上的風力為

式中：P為風壓，kPa；S為平臺在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積，m2；Ch為受風構件的高度系數，其值可根據構件高度h，本文取1；CS為受風構件形狀系數，本文取1。

計算可以得到各工況下平臺所受風載荷，匯總如表3所示。

表3 各工況風載荷

3.2.2 波浪載荷計算

在海洋工程中，計算波浪力時，需要考慮結構物的構件尺寸，從而選擇哪種方法來計算波浪載荷。對D/L＜0.2（D是樁腿的直徑，L是波長）的小尺度結構來說，波浪力主要由拖曳力和慣性力組成[2]。對D/L＞0.2的大尺度結構來說，波浪力主要由繞射力和慣性力組成[2]。波形取決于所采用的波浪理論，根據設計波的參數，文中采用斯托克斯五階波理論計算波浪載荷，以最大波所對應的有效波高和周期確定設計譜[3]。

本殼體式樁腿直徑D為0.8 m，其上的波浪力用莫里森方程求解：

式中：ρ為流體密度；Cd為阻尼系數，即曳力系數；CM為慣性系數，CM=Cm+1，Cm為附連水質量系數；D為柱體直徑；vx為微段中點處水質點的水平速度，根據所選取波浪理論速度勢求?。?t為微段中點處水質點的水平加速度，根據所選取波浪理論速度勢求??；dz為柱體的單位長度。

對柱體從海底到水面做積分即得到柱體上的波浪力為

結合本平臺作業區域海況特點，設計波的波高取為H=7 m，周期取為T=8 s。通過計算得到4根樁腿上總的最大載荷為371 510 N，分攤到4根樁腿上。

3.2.3 流載荷計算

在工程設計中，常將海流看作是穩定的運動，并認為它們對平臺的作用力僅僅是拖曳力。在計算海流作用力時，應考慮流速與波浪水質點水平速度疊加后產生的拖曳力。作用于水下Z處的單位長度拖曳力為[2]

式中：v為設計流速，m/s)；A為構件在與流向垂直的平面上的投影面積，m2；CD為拖曳力系數，取1；ρ為海水密度，1.025 t/m3。

計算得到4根支柱的流載荷為144 320 N，分攤到4根樁腿上。

樁腿上波流載荷的施加如圖4和圖5所示。

圖4 101工況波流載荷

圖5 102工況波流載荷

3.3 計算結果及分析

將風載施加于平臺主體受風面的結構上，波流載荷施加于樁腿上，平臺自重以重力加速度方式施加，平臺負載根據《總布置圖》載荷作用方式以面力或集中力形式加載。通過計算提取101、102工況樁腿結構應力分布如圖6和圖7所示。

圖6 101工況樁腿應力分布

圖7 102工況樁腿應力分布

計算結果表明，樁腿在升降裝置處、船底板處、海平面處這3個地方出現了明顯的應力集中現象。在交變外載荷作用下這些地方的結構產生疲勞損傷的可能性最大。因此，需要對上述區域進行疲勞壽命分析。

4 樁腿疲勞壽命計算

交變的波浪載荷是引起樁腿結構疲勞破壞的主要環境載荷。短期內可認為波浪是一個平穩的隨機過程，波浪的長期分布則由許多短期海況組成。

進行樁腿的疲勞分析可以采用確定性方法和譜分析方法2種方法。采用譜分析法進行樁腿疲勞分析，能反映波頻范圍內波能的真實分布，計算結果更加真實、可靠[5]。

4.1 疲勞分析參數設置

本文應用SESAM/Framework進行樁腿疲勞分析，需要的各海況參數包括工作水深、浪向分布、短期海況（波浪譜）以及長期海況（波浪散布圖）等。

1）作業工況下作業水深為20 m。

2）浪向區間0°～180°，步長15°，共13個浪向角，浪向等概率分布。

3）短期海況即波浪譜，采用P-M譜，表達式為

式中：HS為有義波高，m；ω為波浪圓頻率，rad/s；TZ為平均跨零周期，s。

4）波浪散布圖，本計算采用中國沿海區域典型波浪散布圖[7]，如表4所示。

表4 中國沿海區域典型波浪散布圖

5）S-N曲線：SESAM/Framework模塊提供了包括API、DNV、NS3472、NORSOK、HSE、ABS以及DOE規范等的幾種S-N曲線供用戶選擇。通過比選，本文選用 DNV-X的 S-N曲線：LogN=Loga?mLogΔs。

6）應力集中系數（SCF）：計算疲勞累積損傷時的應力需要將計算名義應力乘以 SCF系數求得熱點應力范圍。

7）本平臺設計疲勞壽命為20年。

8）樁腿疲勞校核點：樁腿與升降裝置接觸處、樁腿在船底板處、樁腿在海平面處。

4.2 疲勞壽命計算結果

計算浪向區間為0°～180°，步長15°，共13個浪向角，周期 1.1 s～20 s共 28個周期。采用Framework計算364個單一浪向下的疲勞損傷度，再經過統計疊加得到樁腿的總損傷度及疲勞壽命，結果匯總如表5所示。

表5 樁腿疲勞壽命計算結果

可以看出，各樁腿在海平面處遭受到的交變載荷最為嚴重，從而疲勞累積損傷度也最大。平臺設計壽命為 20年，各樁腿疲勞壽命都有較大余量，可見該樁腿結構可以再進行優化設計，減小結構重量。

5 樁腿疲勞壽命影響因素分析

5.1 樁腿內部結構形式比較分析

殼體式樁腿主要用于淺水作業的平臺，且制作簡單，節省甲板空間?？梢杂袃炔拷Y構，也可無內部結構。樁腿內部的結構一定程度上可以增加樁腿的疲勞壽命，但同時也增加了樁腿自身的重量，不利于平臺的經濟性。

采用控制變量法，以原始樁腿結構為基準，改變內部結構形式，并保持整個樁腿的重量不變，對三種不同內部結構形式的樁腿進行疲勞壽命計算，以研究殼體式樁腿內部結構形式對樁腿疲勞壽命的影響，得到優化的內部結構形式。

原始樁腿結構以及3種不同結構形式的樁腿，如圖8所示。其中，1號為原始樁腿；2號樁腿沿垂向增加加強筋?20×100共4根，增加重量約為2 010 kg；3號樁腿沿徑向增加加強筋，厚度32.2 mm，內徑φ1=500 mm，外徑φ2=740 mm共34根垂向均勻分布，增加重量約為2 010 kg；4號樁腿垂向和徑向都增加加強筋，厚度分別為2號和3號的一半，增加重量約為2 010 kg?；赑-M譜，采用DNV和API曲線進行計算，計算結果見表6～表9。

圖8 不同的樁腿內部結構形式

表6 1號樁腿疲勞壽命計算結果

表7 2號樁腿疲勞壽命計算結果

表8 3號樁腿疲勞壽命計算結果

表9 4號樁腿疲勞壽命計算結果

各形式樁腿相對于1號樁腿最小疲勞壽命增加比例匯總結果如表10所示。

表10 最小疲勞壽命增加比例

從計算結果可知，在殼體式樁腿內部增設加強筋可以顯著提高樁腿的疲勞壽命。在同等材料的基礎上，沿垂向和徑向都增加加強筋（4號結構形式）疲勞壽命增長率最高；其次，3號結構形式對樁腿的疲勞壽改善不大，相比之下，2號結構形式對樁腿疲勞壽命的改善更好。從建造工藝方面來講，2號結構形式也便于制作。

5.2 樁腿外徑尺寸比較分析

通常管徑和壁厚越大越能夠滿足結構強度的要求，但過大的管徑會增加樁腿上的波浪載荷，并且樁腿過重也會給升降裝置帶來不利影響。采用控制變量法改變樁腿的直徑和壁厚來研究樁腿結構尺寸對樁腿疲勞壽命的影響，可以為設計初期確定樁腿的尺寸提供一定的依據。

計算時樁腿直徑選取5個尺寸：760 mm、780 mm、800 mm、820 mm、860 mm，壁厚選取5個尺寸：20 mm、23 mm、25 mm、27 mm、30 mm組合起來共25種不同的結構尺寸，分別采用DNV和API曲線進行計算，部分計算結果如表11和表12所示。

表11 780×20樁腿疲勞壽命計算結果

表12 820×20樁腿疲勞壽命計算結果

各尺寸樁腿最小壽命匯總結果見表13和表14。

表13 DNV-X 曲線最小疲勞壽命

表14 API-X曲線最小疲勞壽命

由計算結果可知，同等樁腿外徑下，樁腿壁厚越大疲勞壽命也越大，同等壁厚時，樁腿外徑越大疲勞壽命也越大。

進一步利用所得的25個樣本結果采用ISIGHT的多島遺傳算法（Multi-Island GA）求解最優化的樁腿尺寸。

優化范圍：直徑[600.0＜x＜860.0]，厚度[15.0＜x＜30.0]。設置優化變量、約束和優化目標之后進行優化，直至樁腿的疲勞壽命接近20年，優化結果如表15所示。

表15 優化結果

可見，本平臺在給定的設計載荷工況下，設計壽命按20年考慮，采用DNV-X曲線，理論上最優的樁腿外徑和壁厚分別是624.55 mm和15.58 mm；采用API-X曲線，理論上最優的樁腿外徑和壁厚分別是616.08 mm和16.64 mm；而本平臺設計方案給出的樁腿外徑和壁厚分別是800 mm和30 mm，超過了最優值，使用壽命也將超過20年。

6 結論

1）通過分析可知，對于該類平臺駁，殼體式樁腿的疲勞熱點通常出現在樁腿與升降裝置、船體底部結構、海平面接觸處。其中，海平面附近樁腿的疲勞壽命最低。

2）樁腿直徑、壁厚是殼體式樁腿疲勞壽命分析中兩個比較敏感的影響因素。在設計中應當根據指定的使用壽命對樁腿直徑、壁厚進行優化設計。另外，在殼體式樁腿內部適當的設計加強筋構件，對提高樁腿疲勞壽命也具有重要作用。

3）通常殼體式樁腿的材料利用率比桁架式樁腿低，對其進行優化設計顯得尤為重要。本文提供的設計方法可以作為該類樁腿設計的一個參考。