自升式平臺就位過程觸底分析

許海東,隋依

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

自升式平臺就位放樁至海床時，樁靴可能在波浪、海流等載荷作用下與海床發生觸底碰撞，會造成樁腿、樁靴結構、升降機構、固樁架的損壞或破壞，使承載能力降低，進而影響整個平臺的結構安全[1]。觸底碰撞是在短時間內樁腿、樁靴與海底發生的一個復雜的非線性動態響應過程，目前國內外對樁靴與海底地基之間相互作用的研究主要集中于樁基、穿刺等方面[2-6]，少見樁腿下放過程中平臺在波浪下產生的整體動力響應對樁腿與海床產生的撞擊的研究報道。已有的研究集中于自升式平臺就位過程中樁腿、樁靴碰撞載荷或基于剛性地基條件下確定平臺收放樁可行性[7-10]。然而自升式平臺在就位過程中作業的地基類型是復雜多樣的，不同地基條件下如何確定平臺就位允許作業海況條件，未見相關論述。

工程上為防止樁腿和樁靴與海底的撞擊力過大，通常是限制作業環境條件。但如果環境條件限制得過于嚴格，可供選擇的作業時機就會減少，可能延長作業周期；但環境條件過于寬松，又會增加樁腿發生撞擊破壞的風險。因此，考慮以某自升式平臺為研究對象，針對黏土、砂土和巖土3種典型海洋地基，基于顯式動力分析方法建立樁腿-樁靴-地基有限元模型對不同海況下樁腿、樁靴觸底碰撞過程進行仿真分析，確定平臺在不同地基條件下的限制作業海況條件，為自升式平臺就位過程觸底碰撞提供計算和評估模式。

1 計算方法

就位過程中自升式平臺處于漂浮狀態，在環境載荷作用下，會引起平臺的運動，使接近海底的樁靴發生觸底碰撞，因此需要計算樁腿下放至接近海床時的整體動力響應，并將其作為觸底碰撞仿真模擬的動力效應，進行數值模擬，進而對結果分析。基于自升式平臺頻域內水動力響應原理，參照靶譜法和剛體運動的特性，將頻域運動響應轉換為時域樁靴速度時程，并取樁靴底部垂向速度的最大值作為后續碰撞仿真模擬的邊界輸入。采用顯示動力分析方法分析樁腿-樁靴-地基復雜的非線性碰撞問題。整個過程考慮了載荷傳遞的連續性，確保計算結果可靠合理。

1.1 頻域-時域響應轉換方法

將平穩海況下的海浪視為平穩的具有各態歷經性的隨機過程，將靶譜根據頻率劃分為N個區間，將代表所有N個區間內波能的N個余弦波疊加起來，即可得到海浪的波面時程曲線。

(1)

通過結構物的響應譜得到自升式平臺的運動幅度，則式(1)可寫為

(2)

對其求導可得到速度，由于要獲取樁靴底部撞擊海底地基一瞬間的垂向速度，由下式得到樁靴底面中心點的速度方程：

νP=νQ+ω×QP

(3)

式中:νP為樁靴底面中心點速度；νQ為自升式平臺重心位置處速度；ω為自升式平臺在重心位置處的角速度；QP為2點間空間位置矢量。

1.2 碰撞顯示動力分析方法

顯式動力學是基于結構動力學運動方程，主要算法采用Lagrangian增量法，結合動量方程、質量守恒方程及能量方程，連同材料模型和初始條件及邊界條件，組成完整的求解條件[11]。

該方法采用中心差分法求解，運動方程考慮阻尼影響后為：

(4)

式中:M為總體質量矩陣；P為總體載荷矢量；F由單元應力場的等效節點力矢量組集而成；H為總體結構沙漏黏性阻尼力；C=cM，為阻尼系數矩陣，其中，c為阻尼常數。

2 水動力計算

2.1 計算模型

某桁架式樁腿自升式平臺主體為箱形結構，樁腿為三角桁架式樁腿，由弦管、水平撐桿、斜撐桿及水平內撐桿組成，艉二艏一，樁腿下端設有樁靴，其結構為上、下表面削斜坡的箱型結構，主要結構參數見表1，樁腿參數見表2。

表1 平臺主要結構參數 m

表2 樁腿結構尺度參數 m

在SESAM的GeniE模塊采用PLATE單元模擬主甲板、船底板、船體外板、艙壁等結構，PIPE單元模擬樁腿，非圓管截面的樁腿弦管截面按照SNAME(美國船舶與海洋工程協會)提出的方法進行選取和計算，PLATE單元模擬樁靴，建立水動力分析模型(包括濕表面模型和Morison模型)，見圖1～3。

圖1 幾何模型

圖2 濕表面模型

圖3 Morison模型

2.2 頻域響應計算結果

建立樁腿下放至接近海底位置的水動力模型，設定海水密度為1 025 kg/m3，平臺的工作水深為60 m，吃水4.215 m，波浪入射角取值范圍為0°～360°，間隔為15°，充分考慮波浪在各個角度對平臺運動的影響。波浪周期范圍為4～30 s，間隔為1 s。按照規范推薦值及SNAME提出的方法進行CD、CM選取和計算。

在POSTRESP模塊進行HydroD計算結果顯示和處理。因樁靴碰撞分析僅需提取樁靴垂向運動結果，因此只提取與垂向運動相關的垂蕩、橫搖和縱搖運動響應的傳遞函數曲線(RAO)進行分析。結果見圖4。

圖4 運動響應RAO

由圖4可見，波浪入射角和周期對垂蕩、橫搖和縱搖3個方向的運動響應都有影響，相對于垂蕩，橫搖和縱搖對波浪入射方向更加敏感。

浮式結構的隨機動力響應可以通過波浪譜的輸入，經由RAO得到響應譜，即響應譜與海浪譜之間的關系式如下。

(5)

式中:SR(ω)為響應譜；Sη(ω)為海浪譜；H(ω)為浮式結構的RAO。

選用JONSWAP譜作為輸入的海浪譜，考慮自升式平臺作業海域的特點，參考相關海況統計資料，重點分析3種海況下平臺的運動響應。各級海況的波高、周期見表3。

表3 海況參數

三級海況下垂蕩、縱搖和橫搖的響應譜見圖5(0°～180°浪向，間隔為30°)。

圖5 響應譜

由圖5可見，不同波浪入射角度很大程度上影響著各自由度的響應幅值，垂蕩運動響應的幅值遠大于其他2個自由度；四級和五級海況的響應譜趨勢與三級海況一致，但海況等級越高，響應譜的幅值越高，且不同海況下引起自由度響應譜峰值的主要波頻成分不同。

2.3 時域響應計算結果

選擇充分海況情況，時歷分析時長3 h，即10 800 s。對每一種海況下不同波浪入射角進行時域分析，得到樁靴底部中心點的速度時程。選擇樁靴與地基作用時最不利的情況，即取同一海況下垂向速度的最大值作為樁靴觸底時與地基碰撞的邊界輸入。各海況下不同波浪入射角的最大垂向速度見圖6。

圖6 速度時程內最大垂向速度

由圖6可見，最大垂向速度隨著波浪入射角的變化呈現一定對稱性。隨著海況等級的增加，速度值也逐漸增大，且受入射角度變化的影響也越來越明顯。三級海況，當入射角為300°時，垂向速度達到最大值0.186 m/s；四級海況，當入射角為0°時，垂向速度達到最大值1.634 m/s；五級海況，當入射角為0°時，垂向速度達到最大值3.897 m/s。

3 樁靴觸底碰撞分析

3.1 觸底碰撞有限元模型

以樁腿-樁靴為研究對象，適當簡化模型，樁腿、樁靴采用理想的彈塑性材料，通過改變密度和彈性模量來模擬海洋地基的不同特性。

在ANSYS里選用梁單元BEAM161來模擬樁腿弦管和撐桿、樁靴內骨架，選用殼單元SHELL163來模擬樁靴的外板、環形艙壁、輻射艙壁及樁腿-樁靴的連接板，選用實體單元SOLID164來模擬海底地基，建立樁腿-樁靴-海底有限元模型。為消除邊界影響，選擇海底地基尺寸是樁靴直徑的5倍。海底地基周邊進行全約束，對樁靴、樁腿施加垂向速度，取自前述時域響應計算結果。

選用面面自動接觸，碰撞靜摩擦因數為0.10，動摩擦因數為0.05，阻尼系數為0.25。最后輸出K文件，并對關鍵字進行添加和修改，導入到LS-DYNA求解器進行求解，并通過后處理軟件LS-PREPOST對結果進行查看和分析。

3.2 不同海況下碰撞分析

以海洋地基為砂土層為例，分析不同海況下樁靴觸底碰撞過程中樁腿、樁靴的應力變化。圖7～ 8分別為四級海況時碰撞瞬間、碰撞后典型時刻樁靴應力云圖，圖9為四級海況時碰撞瞬間、碰撞后典型時刻樁腿應力云圖。

從圖7～8中顯示的結果可以發現，在觸底碰撞瞬間，應力主要集中于樁靴底板中心區域，最大應力發生在樁靴內骨架。隨著碰撞過程的發展，樁靴底部與海底地基的接觸區域開始增大，應力開始向樁靴頂部及四周分散，應力開始減小，最終由大部分骨架、內部輻射板及隔板承受應力，應力均勻分布。

圖7 碰撞瞬間樁靴應力云圖

圖8 碰撞后樁靴應力云圖

由圖9可見，在碰撞發生瞬間，樁腿的主弦管承擔大部分來自樁靴傳遞的應力。隨著碰撞過程的發展，主弦管上的應力開始向水平撐桿、水平內撐桿、斜撐桿上傳遞，應力主要由撐桿承擔，并在各撐桿間的連接處出現應力集中點。

圖9 樁腿應力云圖

類似地，計算得到三級和五級海況時砂土層的碰撞結果。碰撞發生0.1 s內，3種海況下樁腿及樁靴最大應力見表4。

表4 砂土層各海況下碰撞應力分析

比較看出，碰撞對平臺的危險性與海況惡劣程度直接相關。在不同海況下，碰撞在樁靴部位產生的最大應力都位于樁靴底部中心區域，發生的時間大致都在碰撞瞬間。但在惡劣海況時，最大應力的發生時間有所延遲。這主要是因為碰撞發生后，樁靴仍在慣性速度下繼續下降，但此時應力還沒有傳遞給其他板材和骨架，因此出現最大值。樁腿在碰撞過程中，最大應力均位于主弦管或撐桿的連接處。

3.3 不同地基下碰撞分析

針對不同黏土、砂土及沿途等不同類型海洋地基，對不同海況條件下平臺就位時樁靴觸底碰撞進行分析，結果見圖10。從圖10可以看出，當自升式平臺作業于黏土、砂土地基時(如圖10a)、b)所示)，在五級海況以下就位，樁靴、樁腿構件碰撞強度分析結果都可以滿足要求，其中在砂土地基就位時，樁靴骨架構件最大分析UC值達0.93，接近臨界值，因此就位過程應加強關注海況信息；在巖土層地基作業時(如圖10c)所示)，在五級海況下就位時樁靴板材與骨架構件最大分析值均超過臨界值，且樁靴骨架構件最大分析UC值已達1.25，因此建議平臺在巖土地基就位時，在四級海況以下進行就位。

圖10 樁腿、樁靴構件碰撞分析結果

以四級海況為例，分析海洋地基分別為黏土層、巖土層時碰撞始末樁腿、樁靴的應力情況，并與砂土層的結果進行比較分析。發生碰撞0.1 s內，3種海洋地基的樁腿及樁靴出現的最大應力見表5。

表5顯示，樁靴觸底碰撞過程的危險區域位于樁靴底部中心碰撞接觸區域，因此設計時重點考慮樁靴底部骨架和底板位置，可通過加筋等方法適當提高強度。

表5 四級海況各海洋地基碰撞應力分析

4 結論

1)觸底碰撞瞬間樁靴應力主要集中在樁靴底部中心區域，隨著碰撞的發生，應力向骨架、隔板、頂板各部分擴散。樁腿應力隨著碰撞的發生逐漸向撐桿的連接區域集中，形成應力集中現象。碰撞過程最危險的位置是樁靴底部中心的板材和骨架，因此設計時應重點考慮樁靴底部骨架和底板位置，可通過加筋等方法適當提高強度。

2)平臺作業于黏土、砂土地基時，在五級海況以下就位，樁靴、樁腿構件碰撞強度分析結果都可以滿足要求，但在砂土地基就位過程中應加強關注海況信息；平臺在巖土地基就位時，建議在四級海況以下進行就位。