自升式平台风暴自存状态桩腿强度计算分析

武少波，王初龙

（上海中远船务工程有限公司，上海200231）

0 引言

自升式平台作为一种可移动式海洋结构物，具有定位能力强、作业稳定性好、海上适应能力强等特点[1]，在大陆架海域油气资源的勘探与开发中占有重要地位。许多对作业状态站立稳性要求较高的风力发电安装平台也采用自升式平台结构。

自升式平台在服役期间受到风、浪、流等多种复杂环境载荷的联合作用[2]，由于环境载荷的复杂性，对平台结构的安全性也提出了很高的要求。自升式平台主要由平台主体、桩腿、升降机构、锁紧机构、生活设施和生产设备等组成[3]。桩腿是自升式平台的关键部件，桩腿结构的设计直接关系到平台的整体安全性，需要对桩腿结构进行重点分析[4]。

本文以上海中远船务设计制造的K5-MOPU自升式平台为研究对象，基于ABS MODU等相关规范[5]相关要求，利用SACS有限元软件对桩腿在风暴自存状态下的环境载荷和结构强度进行了计算分析与校核，可以为相似工程提供借鉴。

1 计算模型简介

本文以K5-MOPU自升式平台为研究对象，平台主体为四桩腿矩形布置形式，平台桩腿为桁架式结构。平台的主要参数如表所示。

在进行SACS有限元计算分析模型建模时，除桩腿导向结构采用弹簧单元模拟外，其他结构均采用梁单元进行模拟，有限元模型如图1所示，边界条件为简支。

表1 平台主尺度（单位：m）

图1 平台有限元模型图

2 计算工况与载荷

自升式平台的主要工作工况包括：作业工况、迁航工况、升降工况和风暴自存工况。一般情况下，平台在风暴自存工况下受到的外载荷最大，平台结构最为危险，因此本文选取风暴自存工况作为研究对象。风暴自存工况主要环境参数见表。风暴自存状态自升式平台承受的载荷可分为环境载荷和重量载荷2大类。

表2 环境参数

2.1 重量载荷

重量载荷主要包括空船重量、固定载荷、可变载荷和设备载荷。重量载荷见表，计算分析时，重量载荷以均布压力的形式施加在平台主体上。

表3 重量载荷

2.2 环境载荷

环境载荷包括风、浪、流载荷，参照ABS MODU规范和SNAME规范环境载荷计算要求。考虑平台结构的对称特点，计算时选取 0o、30o、60o、90o、120o、150o和180o作为计算工况。

1）风载荷

风载荷计算时，计算风压按照式（1）进行计算。

式中：P为风载荷，N/m2；Vk为计算风速，m/s；Ch为高度系数；Cs为形状系数。

作用于结构上的风载荷为

式中：P为计算风压，N/m2；A为结构迎风投影面积，m2。

2）波浪载荷

桩腿受到的波浪载荷按照莫里森公式，采用斯托克斯5阶波理论进行计算。

式中：Fw为单位长度波浪力，kN/m；FD为单位长度拖曳力，kN/m；FI为单位长度惯性力，kN/m。分别按照式（4）和式（5）进行计算，波浪绕射力忽略不计。

式中：C为系数，取1.025；D为构件宽度，m；CD为拖曳力系数；CM为惯性力系数；un为波速（构件法线方向），m/s；αn为波浪加速度（构件法线方向），m/s2。

3）海流载荷

海流载荷通过将流速与波速叠加，共同代入到莫里森公式中进行计算。

2.3 动态放大因子

自升式平台在波浪和海流等动态环境载荷作用下会发生振动响应，自升式平台动力响应的理论分析方法主要有时域分析法、频域分析法和动力放大系数法[6]。本文参考SNAME[7]规范采用动态放大因子法研究平台在外载荷作用下的动态响应。动态放大因子采用SDOF法将平台简化为单自由度系统进行计算，计算公式见式（6）。

式中：Ω为平台自然频率与波浪频率之比，Ω=Tn/T，其中 Tn为平台振动周期，T为波浪周期；ξ为阻尼因子。

2.4 P-Δ效应

桩腿强度计算分析时，需要考虑平台侧向位移产生的二次弯矩，即P-Δ效应。

式中：W为平台重量，N；Δ为平台侧向位移，m。

等效 P-Δ力 FP-□=MP-□/l，其中 l为计算桩腿长度，m。

根据以上方法，分别计算风、浪、流等环境载荷，载荷计算结果见图2和图3，并将载荷按计算工况分别施加在平台有限元模型上。

图2 环境载荷基础剪力

图3 环境载荷倾覆力矩

3 计算结果分析与校核

根据规范要求，需要分别对桩腿屈服强度、锁紧装置承载能力、地基承载能力和预压载能力以及平台的抗倾稳性进行校核。

3.1 桩腿屈服强度校核

根据AISC[8]规范桩腿屈服强度校核衡准，对不同浪向角工况下桩腿结构的屈服强度进行校核，桩腿结构最大屈服强度利用率见表。

桩腿最大屈服强度利用率值出现在 0°浪向角工况，该工况下环境载荷也是所有工况中最大的，在此工况下，桩腿屈服强服满足要求。

3.2 地基承载能力和预压载能力校核

为防止在桩腿产生不均匀下沉导致的平台倾斜或倾覆事故的产生，需要对平台地基的预压载能力进行校核，平台单个桩腿预压载力为79640Kn。预压载能力校核结果见表5。

表5 预压载能力校核

除了对预加载能力进行校核以外，还需要对平台地基剪切承载能力进行校核，各工况地基剪切承载能力校核结果见图4。

表4 桩腿强度校核

图4 地基剪切承载能力校核曲线

计算结果表明在各计算工况作用下，地基承载能力和预加载能力均满足要求。其中在 30°浪向角工况下，平台地基承受载荷最大。

3.3 锁紧装置承载能力校核

桩腿和平台主体连接的锁紧装置直接关系到平台的安全，按照规范要求，需要对锁紧装置的承载能力进行校核。单个锁紧装置最大设计锁紧力为44480kN，锁紧装置承载能力校核结果见表6，锁紧能力满足要求。

表6 锁紧装置承载能力校核

3.4 平台抗倾稳性校核

平台倾覆力矩主要由风浪流载荷倾覆力矩、惯性力倾覆力矩和 P-Δ效应倾覆力矩组成，根据环境载荷计算结果，在0°浪向角工况时平台受到的倾覆力矩最大，按照规范要求，对该工况平台的抗倾稳性进行校核，校核结果见表 7，平台在风暴自存状态下的抗倾稳性满足要求。

表7 平台抗倾稳性校核

4 结论

本文以K5-MOPU自升式平台为研究对象，对其在风暴自存状态下的桩腿强度进行了强度计算分析。分析结果表明：

1）平台桩腿强度、锁紧装置能力、地基承载能力和平台抗倾稳性均满足规范要求，平台设计合理；

2）0°浪向角工况环境载荷最大，桩腿结构屈服强度利用率较高，需要在进一步的计算分析中重点关注。