自升式平臺樁腿各構(gòu)件對樁腿強度影響規(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，計算了不同樁腿節(jié)距高度和主弦桿間距的自升式平臺的等效樁腿剛度、風(fēng)暴自存工況強度及不同弦桿和撐桿壁厚的自升式平臺風(fēng)暴自存工況強度，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樁腿強度的影響規(guī)律，從而對自升式平臺的樁腿選型、優(yōu)化設(shè)計及結(jié)構(gòu)加強起到一定指導(dǎo)意義。

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

中圖分類號：P75 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著人類對能源需求量的日益增加以及陸地能源的日漸枯竭，世界各國對海洋資源越來越重視，都加緊了對海洋資源的開發(fā)利用[1]。在各種海洋平臺中，自升式平臺適用于淺海海區(qū)，具有用鋼量少，造價低，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[2]。但自升式平臺樁腿長度有限，使它的工作水深受到了限制。最大工作水深大約為550ft左右，超過此水深樁腿重量增加很快，同時拖航時樁腿升起很高，對樁腿強度和平臺穩(wěn)性都很不利[3]。本文通過系列的計算，總結(jié)出樁腿各構(gòu)件對樁腿強度的貢獻規(guī)律，從而為樁腿優(yōu)化設(shè)計起到一定指導(dǎo)意義。

1? 自升式平臺的樁腿結(jié)構(gòu)

自升式平臺按樁腿數(shù)量來分一般有三腿、四腿、五腿[4]。因為三腿自升式平臺具有更加優(yōu)越的穩(wěn)性，目前全球的自升式鉆井平臺一般為三腿，占全部自升式平臺總量的80%以上[5]。按樁腿的形式來分可分為殼體式和桁架式兩類。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，這樣會導(dǎo)致更大的波浪載荷，結(jié)構(gòu)重量也會增加，從經(jīng)濟性來說不太合理[6]。因此，250～550ft水深的自升式平臺一般都采用桁架式結(jié)構(gòu)，桁架式樁腿按照弦桿數(shù)量來分又有三弦桿、四弦桿、典型三弦桿桁架式樁腿結(jié)構(gòu)見圖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，供升降機構(gòu)把平臺主體進行升降。

2? 不同樁腿的結(jié)構(gòu)形式

自升式平臺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，就總體強度而言樁腿相對船體而言往往是“薄弱”構(gòu)件，因此，樁腿整體強度計算是必不可少的。

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，桁架式樁腿的一個側(cè)面的等效剪切面積AQ可按圖2中公式計算[7]，而整個桁架式樁腿的截面幾何特性可按下式計算[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度（弦桿間距）為自變量，總結(jié)樁腿節(jié)距及弦桿距離對樁腿強度利用率的規(guī)律曲線如圖3～圖8。

4? 結(jié)論

對于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比分析中可得出如下結(jié)論：

（1） 總體上來說，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左右達到峰值，形式A在節(jié)距高10ft左右達到峰值。

（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時達到峰值，形式B在弦桿距離為25ft時達到峰值。

（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時達到相等，隨著樁腿節(jié)距高度變化在11ft時達到相等。

參考文獻

[1] 武少波，王初龍.自升式平臺風(fēng)暴自存狀態(tài)樁腿強度計算分析[J].船舶的標(biāo)準(zhǔn)化工程，2020，53（6）：48-52.

[2] 郭海強，黃守成.自升式平臺樁腿強度計算與分析[J].船舶工程， 2011，33（增刊1）：72-75.

[3] 蒙占彬.深水自升式平臺設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2016.

[4] 周炳煥，黃守成.自升式平臺樁腿結(jié)構(gòu)拖航強度分析[J].船舶工程，2011，33（增刊1）：60-64.

[5] 呂國興.自升式海洋平臺樁腿的結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化設(shè)計[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2016.

[6] 周海波，崔恩慧.基于Sesam軟件自升式平臺安全性分析的設(shè)計與實現(xiàn)[J].山東科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2019，27（17）：8，3.

[7] 李潤培，王志農(nóng).海洋強度分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[8] ABS. Mobile Offshore Drilling Units[S].2017.

[9] AISC. Manual of Steel Construction[S].13th.， Chicago，IL，2016.