自升式平臺(tái)樁腿各構(gòu)件對(duì)樁腿強(qiáng)度影響規(guī)律探討

賈森 劉安琴 劉鵬飛

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-7135

摘? 要：根據(jù)ABS規(guī)范以及AISC規(guī)范，計(jì)算了不同樁腿節(jié)距高度和主弦桿間距的自升式平臺(tái)的等效樁腿剛度、風(fēng)暴自存工況強(qiáng)度及不同弦桿和撐桿壁厚的自升式平臺(tái)風(fēng)暴自存工況強(qiáng)度，得出了樁腿節(jié)距高度、主弦桿間距、弦桿和撐桿剖面壁厚對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而對(duì)自升式平臺(tái)的樁腿選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)起到一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)? 樁腿強(qiáng)度? 影響規(guī)律? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P75 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（c）-0039-04

Discussion on the Influence of Various Components of Jack up Platform Leg on the Leg Strength

JIA Sen1? LIU Anqin1*? LIU Pengfei2

（1.Wenjing College， Yantai University， Yantai， Shandong Province，264000 China;? 2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264000 China）

Abstract： According to ABS code and AISC code， the equivalent leg stiffness， storm self survival strength and storm self survival strength of jack up platform with different leg pitch height and main chord spacing are calculated， and the influence law of leg pitch height， main chord spacing， chord and strut section wall thickness on leg strength is obtained， So it has a certain guiding significance for the selection， optimization design and structural strengthening of the jack up platform.

Key Words： Jack up platform; Leg strength; Influence law; Optimization design

隨著人類(lèi)對(duì)能源需求量的日益增加以及陸地能源的日漸枯竭，世界各國(guó)對(duì)海洋資源越來(lái)越重視，都加緊了對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用[1]。在各種海洋平臺(tái)中，自升式平臺(tái)適用于淺海海區(qū)，具有用鋼量少，造價(jià)低，在各種海況下幾乎都能持續(xù)工作并且效率比較高等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。但自升式平臺(tái)樁腿長(zhǎng)度有限，使它的工作水深受到了限制。最大工作水深大約為550ft左右，超過(guò)此水深樁腿重量增加很快，同時(shí)拖航時(shí)樁腿升起很高，對(duì)樁腿強(qiáng)度和平臺(tái)穩(wěn)性都很不利[3]。本文通過(guò)系列的計(jì)算，總結(jié)出樁腿各構(gòu)件對(duì)樁腿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)規(guī)律，從而為樁腿優(yōu)化設(shè)計(jì)起到一定指導(dǎo)意義。

1? 自升式平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)

自升式平臺(tái)按樁腿數(shù)量來(lái)分一般有三腿、四腿、五腿[4]。因?yàn)槿茸陨狡脚_(tái)具有更加優(yōu)越的穩(wěn)性，目前全球的自升式鉆井平臺(tái)一般為三腿，占全部自升式平臺(tái)總量的80%以上[5]。按樁腿的形式來(lái)分可分為殼體式和桁架式兩類(lèi)。殼體式樁腿一般工作水深在250ft以下，再深則需增大樁腿尺寸，這樣會(huì)導(dǎo)致更大的波浪載荷，結(jié)構(gòu)重量也會(huì)增加，從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)不太合理[6]。因此，250～550ft水深的自升式平臺(tái)一般都采用桁架式結(jié)構(gòu)，桁架式樁腿按照弦桿數(shù)量來(lái)分又有三弦桿、四弦桿、典型三弦桿桁架式樁腿結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。桁架式樁腿由弦桿，斜撐桿、水平撐桿、內(nèi)水平撐組成，在弦桿上有齒條，供升降機(jī)構(gòu)把平臺(tái)主體進(jìn)行升降。

2? 不同樁腿的結(jié)構(gòu)形式

自升式平臺(tái)船體的剛度要比樁腿的剛度要大得多，而且從樁腿的受力情況可知樁腿為壓彎構(gòu)件，就總體強(qiáng)度而言樁腿相對(duì)船體而言往往是“薄弱”構(gòu)件，因此，樁腿整體強(qiáng)度計(jì)算是必不可少的。

由于樁腿被理想化為相當(dāng)桿件，所以首先要求得這些相當(dāng)桿件的截面幾何特性。根據(jù)ABS規(guī)范，桁架式樁腿的一個(gè)側(cè)面的等效剪切面積AQ可按圖2中公式計(jì)算[7]，而整個(gè)桁架式樁腿的截面幾何特性可按下式計(jì)算[8]。

式中，A表示樁腿截面面積;AQy=AQz為樁腿的y、z向的等效剪切面積，表示了樁腿抗剪切能力;Iy、Iz、為樁腿對(duì)y、z軸的慣性矩，表示了樁腿抗彎能力;IT為樁腿截面扭轉(zhuǎn)慣性矩，表示了樁腿抗扭能力;v表示材料泊松比[9]。

3? 不同結(jié)構(gòu)形式樁腿的利用率

對(duì)圖2所列4種形式的樁腿，分別定義Iy=Iz/weight、IT/weight、AQy=AQz/weight為樁腿的利用率（weight，為一個(gè)節(jié)距高度的腿重量），以其為因變量，以樁腿節(jié)距的高度及水平桿長(zhǎng)度（弦桿間距）為自變量，總結(jié)樁腿節(jié)距及弦桿距離對(duì)樁腿強(qiáng)度利用率的規(guī)律曲線如圖3～圖8。

4? 結(jié)論

對(duì)于A、B、C、D四種形式的樁腿的Iy、Iz、IT、AQy、AQz的利用率曲線圖的對(duì)比分析中可得出如下結(jié)論：

（1） 總體上來(lái)說(shuō)，隨著樁腿節(jié)距的高度和弦桿間距的增加，樁腿形式B的IT、AQy=AQz、的利用率都明顯優(yōu)于其他3種，形式A的利用率次之，形式D的利用率最差。而在Iy、Iz的利用率上，四種形式都差不多，形式B的利用率略低于其他三種，但相差不大。

（2）Iy、Iz的利用率隨著樁腿節(jié)距高度的增加而減小。IT、AQy=AQz的利用率曲線呈現(xiàn)為二次曲線的形式，隨著樁腿節(jié)距高度的增加先增加， 繼而減小，形式B、C、D在節(jié)距高15ft左右達(dá)到峰值，形式A在節(jié)距高10ft左右達(dá)到峰值。

（3）Iy、Iz、IT的利用率隨著樁腿弦桿距離的增加而增加，4種形式的利用率差別不大。AQy=AQz利用率隨著樁腿弦桿距離的增加先增加，繼而減小，其中形式A、C、D弦桿距離為15ft時(shí)達(dá)到峰值，形式B在弦桿距離為25ft時(shí)達(dá)到峰值。

（4）可以看出AQy=AQz利用率當(dāng)樁腿節(jié)距的高度和弦桿距離相當(dāng)時(shí)其利用率最高。形式B和形式D的IT、AQy=AQz利用率隨著弦桿距離變化在34ft時(shí)達(dá)到相等，隨著樁腿節(jié)距高度變化在11ft時(shí)達(dá)到相等。

參考文獻(xiàn)

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