自升式平臺風暴自存狀態樁腿強度計算分析

武少波，王初龍

（上海中遠船務工程有限公司，上海200231）

0 引言

自升式平臺作為一種可移動式海洋結構物，具有定位能力強、作業穩定性好、海上適應能力強等特點[1]，在大陸架海域油氣資源的勘探與開發中占有重要地位。許多對作業狀態站立穩性要求較高的風力發電安裝平臺也采用自升式平臺結構。

自升式平臺在服役期間受到風、浪、流等多種復雜環境載荷的聯合作用[2]，由于環境載荷的復雜性，對平臺結構的安全性也提出了很高的要求。自升式平臺主要由平臺主體、樁腿、升降機構、鎖緊機構、生活設施和生產設備等組成[3]。樁腿是自升式平臺的關鍵部件，樁腿結構的設計直接關系到平臺的整體安全性，需要對樁腿結構進行重點分析[4]。

本文以上海中遠船務設計制造的K5-MOPU自升式平臺為研究對象，基于ABS MODU等相關規范[5]相關要求，利用SACS有限元軟件對樁腿在風暴自存狀態下的環境載荷和結構強度進行了計算分析與校核，可以為相似工程提供借鑒。

1 計算模型簡介

本文以K5-MOPU自升式平臺為研究對象，平臺主體為四樁腿矩形布置形式，平臺樁腿為桁架式結構。平臺的主要參數如表所示。

在進行SACS有限元計算分析模型建模時，除樁腿導向結構采用彈簧單元模擬外，其他結構均采用梁單元進行模擬，有限元模型如圖1所示，邊界條件為簡支。

表1 平臺主尺度（單位：m）

圖1 平臺有限元模型圖

2 計算工況與載荷

自升式平臺的主要工作工況包括：作業工況、遷航工況、升降工況和風暴自存工況。一般情況下，平臺在風暴自存工況下受到的外載荷最大，平臺結構最為危險，因此本文選取風暴自存工況作為研究對象。風暴自存工況主要環境參數見表。風暴自存狀態自升式平臺承受的載荷可分為環境載荷和重量載荷2大類。

表2 環境參數

2.1 重量載荷

重量載荷主要包括空船重量、固定載荷、可變載荷和設備載荷。重量載荷見表，計算分析時，重量載荷以均布壓力的形式施加在平臺主體上。

表3 重量載荷

2.2 環境載荷

環境載荷包括風、浪、流載荷，參照ABS MODU規范和SNAME規范環境載荷計算要求。考慮平臺結構的對稱特點，計算時選取 0o、30o、60o、90o、120o、150o和180o作為計算工況。

1）風載荷

風載荷計算時，計算風壓按照式（1）進行計算。

式中：P為風載荷，N/m2；Vk為計算風速，m/s；Ch為高度系數；Cs為形狀系數。

作用于結構上的風載荷為

式中：P為計算風壓，N/m2；A為結構迎風投影面積，m2。

2）波浪載荷

樁腿受到的波浪載荷按照莫里森公式，采用斯托克斯5階波理論進行計算。

式中：Fw為單位長度波浪力，kN/m；FD為單位長度拖曳力，kN/m；FI為單位長度慣性力，kN/m。分別按照式（4）和式（5）進行計算，波浪繞射力忽略不計。

式中：C為系數，取1.025；D為構件寬度，m；CD為拖曳力系數；CM為慣性力系數；un為波速（構件法線方向），m/s；αn為波浪加速度（構件法線方向），m/s2。

3）海流載荷

海流載荷通過將流速與波速疊加，共同代入到莫里森公式中進行計算。

2.3 動態放大因子

自升式平臺在波浪和海流等動態環境載荷作用下會發生振動響應，自升式平臺動力響應的理論分析方法主要有時域分析法、頻域分析法和動力放大系數法[6]。本文參考SNAME[7]規范采用動態放大因子法研究平臺在外載荷作用下的動態響應。動態放大因子采用SDOF法將平臺簡化為單自由度系統進行計算，計算公式見式（6）。

式中：Ω為平臺自然頻率與波浪頻率之比，Ω=Tn/T，其中 Tn為平臺振動周期，T為波浪周期；ξ為阻尼因子。

2.4 P-Δ效應

樁腿強度計算分析時，需要考慮平臺側向位移產生的二次彎矩，即P-Δ效應。

式中：W為平臺重量，N；Δ為平臺側向位移，m。

等效 P-Δ力 FP-□=MP-□/l，其中 l為計算樁腿長度，m。

根據以上方法，分別計算風、浪、流等環境載荷，載荷計算結果見圖2和圖3，并將載荷按計算工況分別施加在平臺有限元模型上。

圖2 環境載荷基礎剪力

圖3 環境載荷傾覆力矩

3 計算結果分析與校核

根據規范要求，需要分別對樁腿屈服強度、鎖緊裝置承載能力、地基承載能力和預壓載能力以及平臺的抗傾穩性進行校核。

3.1 樁腿屈服強度校核

根據AISC[8]規范樁腿屈服強度校核衡準，對不同浪向角工況下樁腿結構的屈服強度進行校核，樁腿結構最大屈服強度利用率見表。

樁腿最大屈服強度利用率值出現在 0°浪向角工況，該工況下環境載荷也是所有工況中最大的，在此工況下，樁腿屈服強服滿足要求。

3.2 地基承載能力和預壓載能力校核

為防止在樁腿產生不均勻下沉導致的平臺傾斜或傾覆事故的產生，需要對平臺地基的預壓載能力進行校核，平臺單個樁腿預壓載力為79640Kn。預壓載能力校核結果見表5。

表5 預壓載能力校核

除了對預加載能力進行校核以外，還需要對平臺地基剪切承載能力進行校核，各工況地基剪切承載能力校核結果見圖4。

表4 樁腿強度校核

圖4 地基剪切承載能力校核曲線

計算結果表明在各計算工況作用下，地基承載能力和預加載能力均滿足要求。其中在 30°浪向角工況下，平臺地基承受載荷最大。

3.3 鎖緊裝置承載能力校核

樁腿和平臺主體連接的鎖緊裝置直接關系到平臺的安全，按照規范要求，需要對鎖緊裝置的承載能力進行校核。單個鎖緊裝置最大設計鎖緊力為44480kN，鎖緊裝置承載能力校核結果見表6，鎖緊能力滿足要求。

表6 鎖緊裝置承載能力校核

3.4 平臺抗傾穩性校核

平臺傾覆力矩主要由風浪流載荷傾覆力矩、慣性力傾覆力矩和 P-Δ效應傾覆力矩組成，根據環境載荷計算結果，在0°浪向角工況時平臺受到的傾覆力矩最大，按照規范要求，對該工況平臺的抗傾穩性進行校核，校核結果見表 7，平臺在風暴自存狀態下的抗傾穩性滿足要求。

表7 平臺抗傾穩性校核

4 結論

本文以K5-MOPU自升式平臺為研究對象，對其在風暴自存狀態下的樁腿強度進行了強度計算分析。分析結果表明：

1）平臺樁腿強度、鎖緊裝置能力、地基承載能力和平臺抗傾穩性均滿足規范要求，平臺設計合理；

2）0°浪向角工況環境載荷最大，樁腿結構屈服強度利用率較高，需要在進一步的計算分析中重點關注。