拖航工況自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

尹秀鳳，劉 靜，李 磊，于長(zhǎng)江

(煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái)264000)

自升式平臺(tái)到指定海域作業(yè)，需要進(jìn)行遷移，即拖航。拖航按照時(shí)間和距離可以分成不超過(guò)12 h的近距離拖航(近海拖航)和超過(guò)12 h的遠(yuǎn)距離拖航(遠(yuǎn)洋拖航)。在拖航時(shí)，平臺(tái)主體漂浮在海面上或者擱置在運(yùn)載駁船上，樁腿升起，樁腿通過(guò)固樁塊固定，使得樁腿的受風(fēng)面積大，重心高，受較大搖擺慣性力以及力矩的作用。會(huì)產(chǎn)生樁腿在拖航的過(guò)程中損壞。因此，在設(shè)計(jì)初期，樁腿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足拖航狀態(tài)要求，非常重要［1］。近海拖航時(shí)間較短，且環(huán)境較溫和，樁腿的強(qiáng)度一般都能滿(mǎn)足。本文重點(diǎn)分析遠(yuǎn)洋拖航工況下，樁腿強(qiáng)度在滿(mǎn)足規(guī)范美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范以下稱(chēng)《ABS規(guī)范》要求的前提下，對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)的影響。

1 載荷計(jì)算

平臺(tái)拖航時(shí)，樁靴收回到平臺(tái)主體，樁腿升到平臺(tái)的主甲板以上，通過(guò)鎖緊裝置使得樁腿和船體牢固地連接在一起。受環(huán)境載荷的作用，平臺(tái)發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng)后樁腿將受到動(dòng)力載荷的作用，樁腿的動(dòng)力計(jì)算通常采用準(zhǔn)靜態(tài)的分析。主要受力包括:①風(fēng)力;②平臺(tái)運(yùn)動(dòng)使樁腿傾斜，樁腿重量引起的力和力矩;③平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和力矩［2-3］。

1.1 風(fēng)力

風(fēng)力Fwind對(duì)樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大的影響。

式中:v——風(fēng)速，m/s;

Ch——高度系數(shù);

Cs——形狀系數(shù);

A——樁腿的受風(fēng)面積，m2。

1.2 慣性力

在拖航工況下，假定平臺(tái)搖擺為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，搖擺中心為水線(xiàn)面處的漂心，見(jiàn)圖1。搖擺角θ為

式中:θ0——搖擺幅值;

T——搖擺周期。

圖1 樁腿拖航工況下慣性力的計(jì)算

樁腿任意分段i的質(zhì)量為m，則加速度引起的慣性力的分解為平行于樁腿軸線(xiàn)的分量FiH和垂直于樁腿的分量FiV。

1.3 樁腿的重力

樁腿在搖擺時(shí)由于樁腿發(fā)生傾斜，樁腿自重也可分解成平行于樁腿軸線(xiàn)的分力和垂直于樁腿軸線(xiàn)的分力。樁腿拖航工況下重力的計(jì)算見(jiàn)圖2。

圖2 樁腿拖航工況下重力的計(jì)算

樁腿傾斜θ角，樁腿自重的橫向FGH和垂向分力FGV分別為

遠(yuǎn)洋拖航，《ABS規(guī)范》2008版的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:樁腿應(yīng)能承受周期10 s，單擺幅值為15°的縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的彎矩和由于樁腿傾斜而產(chǎn)生的重力彎矩的120%，風(fēng)載荷沒(méi)有考慮。

2 樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以某自升式平臺(tái)為例，樁腿結(jié)構(gòu)為桁架式，其截面形狀為三角形，由弦桿(齒條板和半圓管組成)、水平撐桿和斜撐桿組成，見(jiàn)圖3。

圖3 樁腿結(jié)構(gòu)

按照《ABS規(guī)范》的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就拖航工況下樁腿結(jié)構(gòu)中的弦桿間距離、弦桿截面、水平撐桿截面和斜撐桿截面的變化，利用SACS軟件，依據(jù)AISC規(guī)范，對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 弦桿間距離的改變

弦桿間距離見(jiàn)圖4，弦桿距離變化，樁腿結(jié)構(gòu)截面外形也相應(yīng)變化。本文在原來(lái)樁腿結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，弦桿間距離減少1%～7%，其它保持不變，就拖航工況而言樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所增強(qiáng)，尤其是弦桿的強(qiáng)度增強(qiáng)比較顯著，見(jiàn)圖5。

2.2 弦桿截面的改變

弦桿是桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，主要由齒條板和半圓管組成，詳細(xì)截面形狀見(jiàn)圖6。改變此截面形式的弦桿在半圓管的厚度、半圓管外徑、齒條厚度，而其它保持不變。對(duì)樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～9。半圓管的厚度、半圓管半徑增加，齒條厚度增加，水平撐桿和弦桿的強(qiáng)度增強(qiáng)，斜撐桿沒(méi)有變化。

2.3 水平撐桿截面的改變

圖9 齒條不同厚度的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度UC值

水平撐桿根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)鋼管和ASTM標(biāo)準(zhǔn)鋼管表選擇不同的型號(hào)，分析計(jì)算不同水平撐桿的樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，見(jiàn)圖10。

圖10 不同水平撐桿的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度UC值

分析可知，水平撐桿的變化對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)的弦桿強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，對(duì)斜撐桿的強(qiáng)度影響也是非常小，但是對(duì)水平撐桿的影響非常顯著。水平撐桿壁厚不變，管徑越大，樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng);管徑不變，壁厚越大，樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng);但是相比較而言，管徑變化較壁厚變化對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響較大。

2.4 斜撐截面的改變

斜撐桿根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)鋼管和ASTM標(biāo)準(zhǔn)鋼管表選擇不同的型號(hào)，分析計(jì)算不同斜撐桿的樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，見(jiàn)圖11。

分析可知，斜撐桿的變化對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)的水平撐桿強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，對(duì)弦桿的強(qiáng)度影響也是非常小，但是對(duì)斜撐桿的影響非常顯著。斜撐桿壁厚不變，管徑越大，樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng);管徑不變，壁厚越大，樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越強(qiáng);但是相比較而言，管徑變化較壁厚變化對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響較大。

圖11 不同斜撐桿的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度UC值

3 結(jié)論

1)改變樁腿弦桿間的距離，對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響較大，其弦桿、水平撐桿和斜撐桿的強(qiáng)度都有增加。

2)弦桿的改變，對(duì)樁腿中的弦桿強(qiáng)度影響較大;對(duì)水平撐桿的強(qiáng)度有影響;斜撐桿的強(qiáng)度基本沒(méi)有變化。

3)水平撐桿的改變，對(duì)樁腿中的水平撐桿強(qiáng)度影響較大;對(duì)斜撐桿的強(qiáng)度有影響;弦桿的強(qiáng)度基本沒(méi)有變化。

4)斜撐桿的改變，對(duì)樁腿中的斜撐桿強(qiáng)度影響較大;對(duì)弦桿的強(qiáng)度有影響;水平撐桿的強(qiáng)度基本沒(méi)有變化。

另外就拖航工況進(jìn)行計(jì)算分析得到的上述結(jié)論，僅對(duì)工程人員進(jìn)行平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。對(duì)于自升式平臺(tái)的重要結(jié)構(gòu)樁腿而言，站位強(qiáng)度也非常重要，而且樁腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮功能和布置等因素。

［1］陳 宏.“BMC 375”型自升式平臺(tái)簡(jiǎn)況及設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25(5):2-3.

［2］孫東昌，潘 斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.

［3］歐進(jìn)萍，段忠東，肖儀清.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)定-理論、方法與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.