基于有限元的筒型基礎平臺強度分析

張 松，范曉飚，張 丹

（重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074）

0 引言

如今，世界經濟的高速發展帶來能源的大量消耗，世界油氣儲量迅速減少，陸上石油資源緊缺問題日漸突出，石油儼然成為世界海洋國家激烈爭奪的對象。為了國家經濟的發展和海洋強國的建設，必須大力開發海洋油氣資源?？碧介_發海洋油氣需要的關鍵裝備之一就是筒型基礎平臺，本文通過對筒形基礎平臺的強度校核對其建造提供了一定的依據。

1 結構形式及環境載荷

1.1 結構形式

本文所研究的筒型基礎平臺主要由基礎部分、立柱、十字支架及工作生活平臺4部分構成?；A部分包括基礎筒和筒柱，基礎深入水底泥土之中起到固定平臺的作用，立柱部分和基礎部分通過十字支架固定，平臺工作水深為8.4 m。

1.2 環境載荷

環境載荷是由于直接和間接的自然環境作用而產生的、作用在結構物上的載荷，本文研究的筒型基礎平臺的設計環境載荷主要包括冰載荷、海流載荷和風載荷。

1.2.1 冰載荷

冰浮在海面上，運動方向與海流的方向一致。考慮冰沿著與XOZ平面成0°、45°和90°夾角的方向與筒型基礎平臺的立管發生作用。由于立管是對稱的圓柱形，故0°、45°和90°方向的冰力大小相同。

目前國內外有很多計算冰載荷的方法，根據我國海域的實際情況，選用中國海洋石油總公司推薦的冰載荷計算公式，見式（1）。

式中：

m

為形狀系數，對圓形截面取0.9；

I

為嵌入系數；

f

為接觸系數；

σ

為單軸抗壓強度，MPa。對圓形截面的墩柱，嵌入系數

I

和接觸系數

f

的乘積為

式中：

D

為鋼管直徑，cm；

H

為冰厚度，cm。結合本筒型基礎平臺的環境條件，鋼管直徑

D

＝106.7 cm，冰厚度

H

＝40 cm，單軸抗壓強度

σ

＝2.1 MPa。

1.2.2 風載荷

風力的大小與風壓、受風面積、結構物高度和形狀有關。風載荷可分為風速方向上的水平風力和垂直于風速方向上的升力2部分。水平風力計算公式為

式中：

C

為高度系數值；

C

為形狀系數值；

V

為風速，按50年一遇計算；

A

為受風面積。

1.2.3 流載荷

流荷載與水深、海水密度和波浪相位角有關，這里水深取為8.4 m，海水密度取為1 025 kg/m。將海流參數輸入ANSYS中，通過分析可知，在波浪相位角為60°時，波流耦合值達到最大。

1.2.4 工作載荷

工作載荷也稱使用載荷，它是指在理想的環境中（即沒有環境載荷），由于結構的存在和使用而產生的載荷。筒型基礎平臺是立管平臺，立管的重量很小可以忽略，工作載荷主要是平臺的自重（含浮力），大小為1 397.7 kN。

1.2.5 載荷組合

根據平臺的對稱特征，考慮如下2種載荷組合，其中風載荷、冰載荷和流載荷方向相同。

1）工況 1：風載荷+冰載荷+流載荷+平臺自重+浮力（風載荷、冰載荷和流載荷與

XOZ

平面成0°方向）。2）工況 2：風載荷+冰載荷+流載荷+平臺自重+浮力（風載荷、冰載荷和流載荷與

XOZ

平面成45°方向）。

2 建立有限元模型

筒型基礎平臺泥面以下和水面以上部分使用Pipe16單元，泥面以上水面以下部分使用Pipe59單元，梁結構使用Beam188單元。通過ANSYS建模并進行仿真計算。

3 受力分析

3.1 筒型基礎平臺受力分析

筒型基礎平臺所處水域環境一般比較復雜，受到多種類型的載荷同時作用。為保證平臺的安全性，在受力分析時應對載荷最不利組合的工況進行分析。

1）工況1

筒型基礎平臺的位移情況見圖 1，水平合位移為2.1049 cm。在靜力分析中，甲板梁的位移不能超過其長度的1/300。本平臺取筒基的間距為甲板梁的長度，即12 m。因為2.104 9 cm＜4 cm，故平臺的靜位移滿足要求。

圖1 筒型基礎平臺的位移情況（0°）

2）工況2

筒型基礎平臺的位移情況見圖 2，水平合位移為2.066 cm。因為2.066 cm＜4 cm，故平臺的靜位移滿足要求。

圖2 筒型基礎平臺的位移情況（45°）

3.2 平臺應力分布云圖

工況2條件下，各構件的軸向應力圖和十字支架的彎曲應力圖分別見圖3～圖8。

圖3 立柱（水面以上）軸向應力圖

圖4 立柱（水面以下）軸向應力圖

圖5 筒柱（泥面以下）軸向應力圖

圖6 筒柱（泥面以上）軸向應力圖

圖7 基礎筒軸向應力圖

圖8 十字支架彎曲應力圖

4 強度校核

筒型基礎平臺結構在載荷作用下，應具有足夠的剛度和強度。根據結構整體受力分析，求得各個構件的內力，然后按照結構強度校核的要求，根據規范對應公式進行計算。強度校核包括軸向應力校核、剪應力校核以及折算應力校核。

4.1 強度理論

軸向應力計算公式及需滿足的強度條件分別見式（4）和式（5）。

式（4）和式（5）中：

σ

為軸向應力，N/m；

N

為軸向力，N；

A

為桿截面積，m；

M

為繞

x

軸的彎矩，N·m；

M

為繞

y

軸的彎矩，N·m；

W

為抗彎剖面模數，m；

σ

為鋼材屈服強度，N/m；[

σ

]為許用應力，N/m。

剪應力計算公式及需滿足的強度條件分別見式（6）和式（7）。

式（6）和式（7）中：

τ

為剪應力，N/m；

D

為截面平均直徑，m；

t

為截面管壁厚，m；

Q

為

x

方向的剪力，N；

Q

為

y

方向的剪力，N；

T

為扭矩，N·m；[

τ

]為許用應力，N/m。

4.2 立柱、筒柱和基礎筒的強度校核

工況1條件下，各構件軸向應力和剪應力的最大輸出結果如表3所示。軸向應力與軸向許用應力的應力比均小于 1，說明筒柱、立柱和基礎筒的軸向應力均滿足強度要求，且具有一定的安全儲備。剪應力與許用剪應力的應力比均小于1，說明筒柱、立柱和基礎筒的剪應力同樣也滿足強度要求，且具有一定的安全儲備。采用同樣方法對工況2進行強度校核，同樣得到滿足校核要求的結論。

表3 工況1條件下，各構件軸向應力和剪應力的最大輸出結果

4.3 十字支架的強度校核

工況1和工況2條件下，十字支架強度校核最大輸出結果見表4，最大等效應力,和最大彎曲應力均小于許用應力189 MPa。因此，十字支架滿足強度要求。

表4 工況1條件下，各構件軸向應力和剪應力的最大輸出結果

5 結論

1）對筒型基礎平臺進行結構靜力分析，其分析結果表明，當風載荷波浪相位角為 60°、冰載荷和風載荷作用方向為0°時位移最大（2.104 9 cm），滿足位移要求。

2）基礎筒、筒柱、十字支架和立柱上各構件的強度均滿足強度規范要求，并具有一定的強度儲備。

3）由于該筒型基礎平臺是立管式平臺，上部結構重量偏小，同時平臺的水深相對較淺，因此平臺不會出現整體性的失穩問題。