桁架式服務平臺樁腿結構強度分析

唐柳倫，易紅軍，林廣宏

(1.上海友倫船舶科技有限公司，上海 200021；2.青島海西重機有限責任公司，山東 青島 266520；3.中國船舶工業公司第七〇八研究所，上海 200000)

0 引言

自升式服務平臺主要為海上油田提供設備維護及人員居住等支持服務。隨著海洋資源的開發不斷向深海推進，市場對于自升式服務平臺的作業水深提出了更高的要求。傳統的殼體式樁腿若要在更深的水域工作則需增大樁腿尺寸，這必然導致平臺的整體重量增加，所承受的波浪載荷也就更大。而當作業水深大于60 m時，桁架式樁腿具有重量輕、受環境載荷影響小等優點，因此深水的自升式服務平臺宜采用桁架式樁腿。目前，國外已經出現采用桁架式樁腿的大型自升式風電安裝平臺，而國內處于探索階段。

本文主要介紹了使用SACS軟件建立桁架式樁腿自升式平臺有限元模型的過程，并對關鍵部位(平臺主體、樁腿與平臺主體連接部位、樁腿及邊界條件)的模擬方法進行了闡述，探討了桁架式樁腿的環境載荷(風、浪和流)、動態放大效應和P-Delta效應計算方法及影響因素，并對風暴自存工況和作業工況進行了分析，得到了環境載荷、慣性力、樁靴支反力和樁腿強度利用系數Uc值。

1 桁架式樁腿生活服務平臺概況

本文研究的生活服務平臺由平臺主體、4條桁架式樁腿(帶樁靴)、電動齒輪齒條升降系統、推進系統和錨泊定位系統等部分組成。平臺船體總長82.3 m，型寬44 m，設計吃水4.05 m；設置了2臺繞樁式起重機，單臺最大的起重能力為3 000 kN。平臺艏部設有可居住250人的生活區，平臺前部設有直升機平臺。

本平臺計算的工況有正常作業、吊作業、預壓、風暴自存和拖航等設計工況，本文選取了吊作業與自存工況2個典型的在位狀態工況進行研究。在位狀態下，外界載荷對樁腿強度提出了較高要求，因此在位狀態的樁腿強度分析是自升式平臺設計階段的重要研究內容[1-4]。

2 有限元模型的簡化方法

平臺主體呈四邊形，設有4條桁架式樁腿，每條樁腿截面為三角形，由3根弦桿組成。在建立平臺有限元模型時，需要對樁腿弦桿截面進行等效處理、對平臺主體模型剛度進行模擬、對樁腿和平臺主體連接處進行簡化及對邊界條件進行處理。

2.1 樁腿模型

桁架式樁腿主要由弦桿、斜撐桿、水平撐桿和內水平撐桿組成，在弦桿上裝有齒條。樁腿的型式見圖1。由于樁腿的弦桿為不常規形狀，弦桿截面見圖2，需要對弦桿截面進行等效處理，等效后的截面面積、慣性矩和不同方向上的截面模數見表1。在校核樁腿弦桿強度時，其等效截面不考慮齒條面積；在計算樁腿剛度時，可以考慮齒條面積，但不允許超過齒條面積的10%[5]。

圖1 桁架式樁腿型式

圖2 弦桿截面

表1 樁腿弦桿等效截面特性

2.2 平臺主體模型

平臺主體本身的強度需要單獨計算，因此在計算樁腿強度時可以對平臺主體結構進行簡化，將甲板、艙壁、舷側板和底板用工字鋼梁單元模擬。簡化模型見圖3。

圖3 平臺樁腿強度計算模型

2.3 平臺主體與樁腿連接處的簡化

平臺主體和樁腿之間通過上導向裝置、升降裝置和下導向裝置進行連接，其中：上導向裝置和下導向裝置主要限制平臺主體和樁腿之間的水平位移；升降裝置除了限制平臺主體和樁腿的水平位移外，還限制其垂向位移。在風暴自存和吊工況下，為了使平臺主體的載荷合理地傳遞到樁腿，上導向位置和下導向位置與樁腿連接處的單元設置為只承受軸向壓力的接觸單元。將齒輪齒條互相作用位置處的單元設置為只在齒受力方向承受軸向載荷的單元，簡化模型見圖4。上導向和下導向接觸單元的剛度為2×107kN/m；升降裝置的每個齒單元的剛度為6×105kN/m。

圖4 連接位置處簡化模型

2.4 邊界條件

邊界條件取泥面以下3 m進行簡支，這種處理比較簡單，也偏于保守。

3 載荷計算

計算時考慮了以下載荷：平臺固有重量和可變載荷、環境載荷(風、波浪和海流載荷)、動態放大效應、P-Delta效應和吊載荷。環境參數見表2。這些載荷以7個入射方向(0°、36°、54°、90°、126°、144°、180°)分別作用在有限元模型上。在所有工況中，使所有的環境載荷和吊載荷為相同作用方向施加，確保結構的載荷疊加達到最大。

表2 環境參數

3.1 風載荷

根據美國船級社(ABS)《RULES FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE UNITS(2018)》規范中給出的形狀系數和高度利用系數來計算作用在平臺主體和水線以上樁腿上的風壓和受風面積，從而獲得風載荷，最終將計算出的風載荷以點載荷的形式作用在有限元模型的對應位置上。本平臺吊作業狀態風速為15.5 m/s，風暴自存工況風速為51.5 m/s。風壓P計算公式如下：

式中：Ch為高度系數；Cs為構件形狀系數；vK為風速；f為計算風壓時的系數，此處f取0.611。

風力F計算公式如下：

F=PA

式中：A為投影面積，m2。

3.2 波浪和海流載荷

由文獻[6]可知，當D/L≤0.2時，為小尺度構件，其中：D為樁柱的等效直徑，L為波長。對于小尺度構件單位長度上的波浪力和海流力，可用莫里森(Morison)公式計算拖曳力和慣性力后，再按照同相位合成。作用于直立柱體任意高度z處單位柱高上的水平波浪力fH為：

對于桁架式樁腿，需要根據文獻[5]中的相關公式計算出等效CD和CM。流載荷輸入線性的表面流和泥面流速后，SACS軟件可以自動選取最大波浪和海流力矩對應的相位角，最后計算出波流力和波流力矩。

3.3 動態放大效應載荷

為了考慮動態放大效應，需要在模型上施加額外的水平力和力矩。根據規范[5]，計算時把平臺視為一個單自由度系統，分別計算40、80 m這2種水深的動態放大因子DAF，計算公式如下：

式中：Tn為平臺的固有周期，可通過直接對平臺進行模態分析獲得；T為波浪周期；ζ為臨界阻尼比，本文取0.07。

式中：Fin為慣性力；F(Q-S)max為最大波浪基礎剪力；F(Q-S)min為最小波浪基礎剪力。

Min=FinHCM

式中：Min為慣性力矩；HCM為質心垂向高度(以鉸支點為參考點)。

3.4 P-Delta效應載荷

P-Delta效應(重力二階效應)是由于自升式平臺樁腿側向剛度較弱，在環境載荷作用下會發生側向位移。這一位移將導致船體處樁腿的軸向力的作用線不再沿著樁腿中心，因此會產生一個附加彎矩，附加彎矩的值等于船體與樁腿連接處的樁腿軸向力乘以船體的側向位移。這種附加彎矩又會在線彈性理論計算的位移基礎上產生一個附加位移，這增加的位移將導致軸向力與彈性臨界力的比率改變。

平臺在風、波、流載荷作用下，產生了水平側向位移δ。平臺重力將對樁腿產生附加彎矩，并考慮由于軸向壓縮引起的樁腿側向位移引起的二次力和彎矩的影響。

式中：Δ為側向位移；δ為主船體線彈性一階側向位移；P為樁腿平均受壓載荷；PE為整根樁腿的彈性臨界力。

MP-Δ=FGΔ

式中：MP-Δ為P-Δ引起的彎矩值；FG為船體重量。

P-Δ引起的彎矩值在質心位置處施加水平力的方式模擬，其作用方向與風載荷、波浪載荷等環境載荷方向一致。

3.5 2臺3 000 kN繞樁吊載荷

2臺3 000 kN繞樁吊作業載荷，在簡化模型中起重機相應的端面施加作業載荷。每個角度選取同時作業的最危險狀態。

4 計算結果

4.1 環境載荷

自存工況的環境載荷和吊工況的環境載荷分別見表3和表4。

表3 自存工況環境載荷

4.2 樁腿最大利用系數Uc值

本文使用SACS軟件進行計算工作。SACS軟件中使用的評估規范為API規范。API規范規定構件壓彎計算的許用應力在組合工況下可以增大1/3作為校核標準。根據API規范校核標準，得到樁腿的利用系數Uc值在下導向位置處最大。平臺樁腿結構在本文設定的2個典型計算工況下的樁腿最大利用系數Uc值計算結果為：風暴自存工況0.78，吊作業工況0.45。

表4 吊作業工況環境載荷

4.3 樁靴最大支反力和齒輪處最大齒力

通過計算分析可知，環境載荷126°方向作用時，在斜對角背風樁腿受的支反力最大。各計算工況下樁靴最大支反力見表5。齒輪處的最大齒力見表6。

表5 各工況樁靴最大支反力值 單位：kN

表6 各工況齒輪處最大支反力 單位：kN

5 結論

在進行桁架式樁腿強度分析計算時，模型的等效處理至關重要。本文基于某實際項目計算分析給出了樁腿強度計算的過程，結論如下：

(1)在建立樁腿的詳細模型時，需保證弦桿的幾何特性與實際保持一致，其中齒條面積是否考慮根據規范的要求實施。在簡化平臺主體模型時，工字鋼的截面特性要與平臺主體實際的特性一致。在建立平臺主體與樁腿連接處的模型時，要考慮連接處的剛度與實際是否一致。此剛度對結果的影響比較大，所以尤其注意。

(2)載荷要考慮平臺固有重量和可變載荷、環境載荷(風、浪和流)、動態放大效應、P-Delta效應和吊載荷。對于非圓截面的桁架式樁腿需要準確確定拖曳力系數和慣性力系數，才能準確計算樁腿上的風載荷和波流載荷。

(3)本文使用SACS軟件對國內首座桁架式樁腿強度進行了分析計算，選取2個典型工況進行分析。在所有工況中，吊作業工況的樁靴底部支反力最大；風暴自存工況齒力最大，樁腿最大利用系數Uc值最大，樁腿的強度利用系數小于1，最大齒力小于最大許用齒力值，因此結果滿足規范要求。

(4)本平臺中樁腿的Uc值為0.78，有優化的空間，在保證齒力滿足條件的前提下，可以適當地優化樁腿的主弦桿、水平撐桿和斜撐桿的尺寸。