自升式平臺(tái)就位過(guò)程觸底分析

許海東,隋依

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

自升式平臺(tái)就位放樁至海床時(shí)，樁靴可能在波浪、海流等載荷作用下與海床發(fā)生觸底碰撞，會(huì)造成樁腿、樁靴結(jié)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、固樁架的損壞或破壞，使承載能力降低，進(jìn)而影響整個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全[1]。觸底碰撞是在短時(shí)間內(nèi)樁腿、樁靴與海底發(fā)生的一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jiàn)樁腿下放過(guò)程中平臺(tái)在波浪下產(chǎn)生的整體動(dòng)力響應(yīng)對(duì)樁腿與海床產(chǎn)生的撞擊的研究報(bào)道。已有的研究集中于自升式平臺(tái)就位過(guò)程中樁腿、樁靴碰撞載荷或基于剛性地基條件下確定平臺(tái)收放樁可行性[7-10]。然而自升式平臺(tái)在就位過(guò)程中作業(yè)的地基類型是復(fù)雜多樣的，不同地基條件下如何確定平臺(tái)就位允許作業(yè)海況條件，未見(jiàn)相關(guān)論述。

工程上為防止樁腿和樁靴與海底的撞擊力過(guò)大，通常是限制作業(yè)環(huán)境條件。但如果環(huán)境條件限制得過(guò)于嚴(yán)格，可供選擇的作業(yè)時(shí)機(jī)就會(huì)減少，可能延長(zhǎng)作業(yè)周期；但環(huán)境條件過(guò)于寬松，又會(huì)增加樁腿發(fā)生撞擊破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，考慮以某自升式平臺(tái)為研究對(duì)象，針對(duì)黏土、砂土和巖土3種典型海洋地基，基于顯式動(dòng)力分析方法建立樁腿-樁靴-地基有限元模型對(duì)不同海況下樁腿、樁靴觸底碰撞過(guò)程進(jìn)行仿真分析，確定平臺(tái)在不同地基條件下的限制作業(yè)海況條件，為自升式平臺(tái)就位過(guò)程觸底碰撞提供計(jì)算和評(píng)估模式。

1 計(jì)算方法

就位過(guò)程中自升式平臺(tái)處于漂浮狀態(tài)，在環(huán)境載荷作用下，會(huì)引起平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使接近海底的樁靴發(fā)生觸底碰撞，因此需要計(jì)算樁腿下放至接近海床時(shí)的整體動(dòng)力響應(yīng)，并將其作為觸底碰撞仿真模擬的動(dòng)力效應(yīng)，進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對(duì)結(jié)果分析?；谧陨狡脚_(tái)頻域內(nèi)水動(dòng)力響應(yīng)原理，參照靶譜法和剛體運(yùn)動(dòng)的特性，將頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)換為時(shí)域樁靴速度時(shí)程，并取樁靴底部垂向速度的最大值作為后續(xù)碰撞仿真模擬的邊界輸入。采用顯示動(dòng)力分析方法分析樁腿-樁靴-地基復(fù)雜的非線性碰撞問(wèn)題。整個(gè)過(guò)程考慮了載荷傳遞的連續(xù)性，確保計(jì)算結(jié)果可靠合理。

1.1 頻域-時(shí)域響應(yīng)轉(zhuǎn)換方法

將平穩(wěn)海況下的海浪視為平穩(wěn)的具有各態(tài)歷經(jīng)性的隨機(jī)過(guò)程，將靶譜根據(jù)頻率劃分為N個(gè)區(qū)間，將代表所有N個(gè)區(qū)間內(nèi)波能的N個(gè)余弦波疊加起來(lái)，即可得到海浪的波面時(shí)程曲線。

(1)

通過(guò)結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)譜得到自升式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅度，則式(1)可寫(xiě)為

(2)

對(duì)其求導(dǎo)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(diǎn)的速度方程：

νP=νQ+ω×QP

(3)

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

1.2 碰撞顯示動(dòng)力分析方法

顯式動(dòng)力學(xué)是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，主要算法采用Lagrangian增量法，結(jié)合動(dòng)量方程、質(zhì)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(yùn)動(dòng)方程考慮阻尼影響后為：

(4)

式中:M為總體質(zhì)量矩陣；P為總體載荷矢量；F由單元應(yīng)力場(chǎng)的等效節(jié)點(diǎn)力矢量組集而成；H為總體結(jié)構(gòu)沙漏黏性阻尼力；C=cM，為阻尼系數(shù)矩陣，其中，c為阻尼常數(shù)。

2 水動(dòng)力計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

某桁架式樁腿自升式平臺(tái)主體為箱形結(jié)構(gòu)，樁腿為三角桁架式樁腿，由弦管、水平撐桿、斜撐桿及水平內(nèi)撐桿組成，艉二艏一，樁腿下端設(shè)有樁靴，其結(jié)構(gòu)為上、下表面削斜坡的箱型結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，樁腿參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)參數(shù) m

表2 樁腿結(jié)構(gòu)尺度參數(shù) 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(jié)構(gòu)，PIPE單元模擬樁腿，非圓管截面的樁腿弦管截面按照SNAME(美國(guó)船舶與海洋工程協(xié)會(huì))提出的方法進(jìn)行選取和計(jì)算，PLATE單元模擬樁靴，建立水動(dòng)力分析模型(包括濕表面模型和Morison模型)，見(jiàn)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(yīng)計(jì)算結(jié)果

建立樁腿下放至接近海底位置的水動(dòng)力模型，設(shè)定海水密度為1 025 kg/m3，平臺(tái)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(gè)角度對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。波浪周期范圍為4～30 s，間隔為1 s。按照規(guī)范推薦值及SNAME提出的方法進(jìn)行CD、CM選取和計(jì)算。

在POSTRESP模塊進(jìn)行HydroD計(jì)算結(jié)果顯示和處理。因樁靴碰撞分析僅需提取樁靴垂向運(yùn)動(dòng)結(jié)果，因此只提取與垂向運(yùn)動(dòng)相關(guān)的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線(RAO)進(jìn)行分析。結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

由圖4可見(jiàn)，波浪入射角和周期對(duì)垂蕩、橫搖和縱搖3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都有影響，相對(duì)于垂蕩，橫搖和縱搖對(duì)波浪入射方向更加敏感。

浮式結(jié)構(gòu)的隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)可以通過(guò)波浪譜的輸入，經(jīng)由RAO得到響應(yīng)譜，即響應(yīng)譜與海浪譜之間的關(guān)系式如下。

(5)

式中:SR(ω)為響應(yīng)譜；Sη(ω)為海浪譜；H(ω)為浮式結(jié)構(gòu)的RAO。

選用JONSWAP譜作為輸入的海浪譜，考慮自升式平臺(tái)作業(yè)海域的特點(diǎn)，參考相關(guān)海況統(tǒng)計(jì)資料，重點(diǎn)分析3種海況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。各級(jí)海況的波高、周期見(jiàn)表3。

表3 海況參數(shù)

三級(jí)海況下垂蕩、縱搖和橫搖的響應(yīng)譜見(jiàn)圖5(0°～180°浪向，間隔為30°)。

圖5 響應(yīng)譜

由圖5可見(jiàn)，不同波浪入射角度很大程度上影響著各自由度的響應(yīng)幅值，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的幅值遠(yuǎn)大于其他2個(gè)自由度；四級(jí)和五級(jí)海況的響應(yīng)譜趨勢(shì)與三級(jí)海況一致，但海況等級(jí)越高，響應(yīng)譜的幅值越高，且不同海況下引起自由度響應(yīng)譜峰值的主要波頻成分不同。

2.3 時(shí)域響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

選擇充分海況情況，時(shí)歷分析時(shí)長(zhǎng)3 h，即10 800 s。對(duì)每一種海況下不同波浪入射角進(jìn)行時(shí)域分析，得到樁靴底部中心點(diǎn)的速度時(shí)程。選擇樁靴與地基作用時(shí)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(shí)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(jiàn)圖6。

圖6 速度時(shí)程內(nèi)最大垂向速度

由圖6可見(jiàn)，最大垂向速度隨著波浪入射角的變化呈現(xiàn)一定對(duì)稱性。隨著海況等級(jí)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(lái)越明顯。三級(jí)海況，當(dāng)入射角為300°時(shí)，垂向速度達(dá)到最大值0.186 m/s；四級(jí)海況，當(dāng)入射角為0°時(shí)，垂向速度達(dá)到最大值1.634 m/s；五級(jí)海況，當(dāng)入射角為0°時(shí)，垂向速度達(dá)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(duì)象，適當(dāng)簡(jiǎn)化模型，樁腿、樁靴采用理想的彈塑性材料，通過(guò)改變密度和彈性模量來(lái)模擬海洋地基的不同特性。

在ANSYS里選用梁?jiǎn)卧狟EAM161來(lái)模擬樁腿弦管和撐桿、樁靴內(nèi)骨架，選用殼單元SHELL163來(lái)模擬樁靴的外板、環(huán)形艙壁、輻射艙壁及樁腿-樁靴的連接板，選用實(shí)體單元SOLID164來(lái)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(jìn)行全約束，對(duì)樁靴、樁腿施加垂向速度，取自前述時(shí)域響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

選用面面自動(dòng)接觸，碰撞靜摩擦因數(shù)為0.10，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.05，阻尼系數(shù)為0.25。最后輸出K文件，并對(duì)關(guān)鍵字進(jìn)行添加和修改，導(dǎo)入到LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，并通過(guò)后處理軟件LS-PREPOST對(duì)結(jié)果進(jìn)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(guò)程中樁腿、樁靴的應(yīng)力變化。圖7～ 8分別為四級(jí)海況時(shí)碰撞瞬間、碰撞后典型時(shí)刻樁靴應(yīng)力云圖，圖9為四級(jí)海況時(shí)碰撞瞬間、碰撞后典型時(shí)刻樁腿應(yīng)力云圖。

從圖7～8中顯示的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在觸底碰撞瞬間，應(yīng)力主要集中于樁靴底板中心區(qū)域，最大應(yīng)力發(fā)生在樁靴內(nèi)骨架。隨著碰撞過(guò)程的發(fā)展，樁靴底部與海底地基的接觸區(qū)域開(kāi)始增大，應(yīng)力開(kāi)始向樁靴頂部及四周分散，應(yīng)力開(kāi)始減小，最終由大部分骨架、內(nèi)部輻射板及隔板承受應(yīng)力，應(yīng)力均勻分布。

圖7 碰撞瞬間樁靴應(yīng)力云圖

圖8 碰撞后樁靴應(yīng)力云圖

由圖9可見(jiàn)，在碰撞發(fā)生瞬間，樁腿的主弦管承擔(dān)大部分來(lái)自樁靴傳遞的應(yīng)力。隨著碰撞過(guò)程的發(fā)展，主弦管上的應(yīng)力開(kāi)始向水平撐桿、水平內(nèi)撐桿、斜撐桿上傳遞，應(yīng)力主要由撐桿承擔(dān)，并在各撐桿間的連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)。

圖9 樁腿應(yīng)力云圖

類似地，計(jì)算得到三級(jí)和五級(jí)海況時(shí)砂土層的碰撞結(jié)果。碰撞發(fā)生0.1 s內(nèi)，3種海況下樁腿及樁靴最大應(yīng)力見(jiàn)表4。

表4 砂土層各海況下碰撞應(yīng)力分析

比較看出，碰撞對(duì)平臺(tái)的危險(xiǎn)性與海況惡劣程度直接相關(guān)。在不同海況下，碰撞在樁靴部位產(chǎn)生的最大應(yīng)力都位于樁靴底部中心區(qū)域，發(fā)生的時(shí)間大致都在碰撞瞬間。但在惡劣海況時(shí)，最大應(yīng)力的發(fā)生時(shí)間有所延遲。這主要是因?yàn)榕鲎舶l(fā)生后，樁靴仍在慣性速度下繼續(xù)下降，但此時(shí)應(yīng)力還沒(méi)有傳遞給其他板材和骨架，因此出現(xiàn)最大值。樁腿在碰撞過(guò)程中，最大應(yīng)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(duì)不同黏土、砂土及沿途等不同類型海洋地基，對(duì)不同海況條件下平臺(tái)就位時(shí)樁靴觸底碰撞進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖10。從圖10可以看出，當(dāng)自升式平臺(tái)作業(yè)于黏土、砂土地基時(shí)(如圖10a)、b)所示)，在五級(jí)海況以下就位，樁靴、樁腿構(gòu)件碰撞強(qiáng)度分析結(jié)果都可以滿足要求，其中在砂土地基就位時(shí)，樁靴骨架構(gòu)件最大分析UC值達(dá)0.93，接近臨界值，因此就位過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注海況信息；在巖土層地基作業(yè)時(shí)(如圖10c)所示)，在五級(jí)海況下就位時(shí)樁靴板材與骨架構(gòu)件最大分析值均超過(guò)臨界值，且樁靴骨架構(gòu)件最大分析UC值已達(dá)1.25，因此建議平臺(tái)在巖土地基就位時(shí)，在四級(jí)海況以下進(jìn)行就位。

圖10 樁腿、樁靴構(gòu)件碰撞分析結(jié)果

以四級(jí)海況為例，分析海洋地基分別為黏土層、巖土層時(shí)碰撞始末樁腿、樁靴的應(yīng)力情況，并與砂土層的結(jié)果進(jìn)行比較分析。發(fā)生碰撞0.1 s內(nèi)，3種海洋地基的樁腿及樁靴出現(xiàn)的最大應(yīng)力見(jiàn)表5。

表5顯示，樁靴觸底碰撞過(guò)程的危險(xiǎn)區(qū)域位于樁靴底部中心碰撞接觸區(qū)域，因此設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮樁靴底部骨架和底板位置，可通過(guò)加筋等方法適當(dāng)提高強(qiáng)度。

表5 四級(jí)海況各海洋地基碰撞應(yīng)力分析

4 結(jié)論

1)觸底碰撞瞬間樁靴應(yīng)力主要集中在樁靴底部中心區(qū)域，隨著碰撞的發(fā)生，應(yīng)力向骨架、隔板、頂板各部分?jǐn)U散。樁腿應(yīng)力隨著碰撞的發(fā)生逐漸向撐桿的連接區(qū)域集中，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。碰撞過(guò)程最危險(xiǎn)的位置是樁靴底部中心的板材和骨架，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮樁靴底部骨架和底板位置，可通過(guò)加筋等方法適當(dāng)提高強(qiáng)度。

2)平臺(tái)作業(yè)于黏土、砂土地基時(shí)，在五級(jí)海況以下就位，樁靴、樁腿構(gòu)件碰撞強(qiáng)度分析結(jié)果都可以滿足要求，但在砂土地基就位過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注海況信息；平臺(tái)在巖土地基就位時(shí)，建議在四級(jí)海況以下進(jìn)行就位。