自安裝井口平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

嚴(yán)明,潘護(hù)軍,楊學(xué)利,徐業(yè)峻,張述貴

(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.中國船級(jí)社實(shí)業(yè)有限公司青島分公司,山東 青島 266071)

自安裝井口平臺(tái)采用自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式,作為井口固定平臺(tái)使用。平臺(tái)具有樁靴,用來承載海底對(duì)平臺(tái)的支撐力,是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)。因此,樁靴的合理設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,對(duì)平臺(tái)總體抗傾抗滑性能及海上作業(yè)安全有著極為重要的影響[1-2]。所述自安裝井口平臺(tái)主體為長方體箱型結(jié)構(gòu),鋼制非自航,主要由主船體、樁腿與樁靴、升降系統(tǒng)、生活樓、直升機(jī)甲板及隔水管扶正架等部分組成。平臺(tái)站立狀態(tài)時(shí),船體負(fù)荷經(jīng)圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)通過升降系統(tǒng)傳遞到四個(gè)下端帶有樁靴的圓柱形樁腿上,見圖1,該平臺(tái)參數(shù)見表1。

表1 自安裝井口平臺(tái)主要參數(shù)

1 樁靴結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)樁靴采用的是上、下表面削斜坡的箱形結(jié)構(gòu),平面投影為正八邊形。箱形體最大高度為2.0 m,平面投影正八邊形的對(duì)邊距離7.4 m,中部平底部分為對(duì)邊距離4.2 m的正八邊形。

箱形體的外殼板由沿徑向和環(huán)向交叉布置的支撐構(gòu)件組成,樁腿貫穿其中,并由16道輻射板連接,使樁靴和樁腿之間的作用力能夠良好傳遞,輻射板上設(shè)置人孔。外板(上面板、下面板及圍板)均采用厚板加強(qiáng),輻射板之間的板格采用強(qiáng)梁進(jìn)行加強(qiáng)。上、下面板傾角為29°、17°,這樣設(shè)計(jì)既可提高插樁的導(dǎo)向性能,又可保證拔樁過程中樁靴的排泥性能。樁靴結(jié)構(gòu)材質(zhì)使用AH36、DH36、EH36高強(qiáng)度船用鋼。

樁靴內(nèi)部的柱形空間與樁腿連通,為提高平臺(tái)的站立穩(wěn)性,采用樁靴底板位置開設(shè)Φ700 mm孔用于樁腿內(nèi)部進(jìn)水的方式,來抵消平臺(tái)預(yù)壓和作業(yè)狀態(tài)下樁腿浮力的影響。同時(shí)開孔位置設(shè)封堵楔塊(采用鋼鏈懸掛于樁靴上),封堵楔塊采用倒“盤”形結(jié)構(gòu),并設(shè)加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)。樁靴入泥后,封堵楔塊壓入樁靴底部加強(qiáng)槽內(nèi),防止泥沙進(jìn)入樁腿內(nèi)部,樁腿外側(cè)的樁靴環(huán)形空間為水密結(jié)構(gòu),參見圖2。

圖2 樁靴總裝示意

2 樁靴結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 樁靴模型

利用ANSYS軟件構(gòu)建樁靴有限元模型(包含部分與樁靴連接的樁腿結(jié)構(gòu)),采用殼單元及梁?jiǎn)卧謩e模擬樁靴板材及其內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)件。板單元最大尺寸為0.25×0.25 m,梁?jiǎn)卧畲箝L度為0.25 m。在模型中,對(duì)樁靴外底板、外圍壁板、頂板、輻射板、桁材、加強(qiáng)筋以及部分樁腿結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[3]。

樁靴底部設(shè)計(jì)有封堵楔塊開孔,在模型中亦對(duì)底板對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行開孔。為安全起見,在樁靴整體計(jì)算時(shí),楔塊槽開孔位置的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型未建,作為強(qiáng)度裕量考慮,同時(shí)取樁腿頂端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固支約束。樁靴有限元模型參見圖3。

圖3 樁靴總裝圖

2.2 模型參數(shù)及腐蝕裕量

樁靴與地基接觸,樁靴結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)考慮了適當(dāng)?shù)哪ノg及海水腐蝕裕量,見表2。

表2 結(jié)構(gòu)腐蝕裕量

2.3 載荷工況

樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮預(yù)壓載、風(fēng)暴自存、漂浮和拔樁工況,以校核其結(jié)構(gòu)能否承受由樁腿傳遞的平臺(tái)自重、靜水壓力、可變載荷、環(huán)境載荷及預(yù)壓載荷。其中,預(yù)壓載及風(fēng)暴自存工況載荷較大,作為控制工況予以考慮[4]。

2.3.1 環(huán)境條件

平臺(tái)在海洋環(huán)境中受到風(fēng)、浪、流載荷的聯(lián)合作用,平臺(tái)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件見表3。

表3 環(huán)境條件

2.3.2 預(yù)壓載工況

平臺(tái)就位需進(jìn)行預(yù)壓載作業(yè),通過對(duì)角或單樁預(yù)壓的方式,使樁靴以下地基支撐力預(yù)先達(dá)到風(fēng)暴自存時(shí)的最大支反力,以保證平臺(tái)在風(fēng)暴來襲時(shí),樁靴不會(huì)繼續(xù)下沉。在此工況下,樁腿與樁靴的連接處可有效傳遞從樁腿到樁靴底座的力與彎矩[5]。

2.3.3 風(fēng)暴自存工況

風(fēng)暴自存工況下,平臺(tái)在承受較惡劣風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的同時(shí),還承受在風(fēng)浪誘導(dǎo)下產(chǎn)生的慣性力以及由側(cè)向位移引起的P-Δ效應(yīng),這些載荷都通過樁腿和樁靴最終傳遞到海底基礎(chǔ)。根據(jù)規(guī)范,風(fēng)暴自存工況,樁靴強(qiáng)度校核不僅要考慮結(jié)構(gòu)承受風(fēng)暴自存時(shí)的最大垂向和水平支反力,還要考慮樁腿作用于樁靴的力矩[6]。因樁靴(除中間樁腿部分)為水密結(jié)構(gòu),與海水不連通,故須考慮靜水壓力作用。

2.3.4 計(jì)算工況

平臺(tái)預(yù)壓載狀態(tài)時(shí),樁靴底部承載最大地基反力,單個(gè)樁靴預(yù)壓工況最大支撐力為44 100 kN。根據(jù)中國船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[7](2020)第2篇第4章4.6.1.3要求,對(duì)樁靴不同承載面積預(yù)壓工況及風(fēng)暴自存工況進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。工況對(duì)應(yīng)載荷描述見表4,圖4～9。

圖4 工況1

表4 樁靴強(qiáng)度校核主要工況

2.4 安全系數(shù)及許用應(yīng)力

樁靴材料采用AH36、DH36及EH36鋼,屈服應(yīng)力為355 MPa。根據(jù)中國船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[7](2020)第2篇第3章3.4.2規(guī)定,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及許用應(yīng)力參見表5。

圖5 工況2

圖6 工況3

圖7 工況4

圖8 工況5

圖9 工況6

表5 安全系數(shù)及許用應(yīng)力

2.5 應(yīng)力校核結(jié)果

對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算,得到各構(gòu)件最大應(yīng)力見表6。

表6 樁靴結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力 MPa

1)工況1。板最大應(yīng)力230 MPa,發(fā)生在樁腿內(nèi)立板人孔處;梁/骨材最大應(yīng)力198 MPa,發(fā)生在封堵楔塊開孔周圍的T450×12/140×16輻射梁上。

2)工況2。板最大應(yīng)力220 MPa,發(fā)生在頂板支撐梁處;梁/骨材最大應(yīng)力148 MPa,發(fā)生在封堵楔塊開孔周圍的輻射梁上。

3)工況3。板最大應(yīng)力216 MPa,發(fā)生在頂板支撐梁處;梁/骨材最大應(yīng)力138 MPa,發(fā)生在輻射板人孔圍板。

4)工況4。板最大應(yīng)力209 MPa,發(fā)生在頂板與支撐梁連接處;梁/骨材最大應(yīng)力147 MPa,發(fā)生在輻射板人孔圍板。

5)工況5。板最大應(yīng)力263 MPa,發(fā)生在樁腿與頂板連接處;梁/骨材最大應(yīng)力247 MPa,發(fā)生在輻射板人孔圍板。

6)工況6。板最大應(yīng)力為249 MPa,發(fā)生在4.5～6.5 m之間的板格上;梁/骨材最大應(yīng)力為229 MPa,發(fā)生在底板最外圈環(huán)梁上。

應(yīng)力云圖詳見圖10～15。

圖10 工況1

圖11 工況2

圖12 工況3

圖13 工況4

圖14 工況5

圖15 工況6

3 封堵楔塊有限元分析

樁靴底部設(shè)封堵楔塊,采用4根鋼制懸鏈將楔塊懸掛于樁靴底部。其主要作用為插樁時(shí)保證樁腿內(nèi)進(jìn)水,并防止泥沙進(jìn)入樁腿內(nèi)部;拔樁時(shí)楔塊在重力作用下自動(dòng)脫落,保持樁腿內(nèi)液面與水面平齊。

封堵楔塊采用“盤”式結(jié)構(gòu),斜面傾斜角度35°,頂板采用45 mm鋼板,斜板采用24 mm鋼板,敞開面采用20 mm加強(qiáng)筋對(duì)頂板和斜板進(jìn)行加強(qiáng)。對(duì)應(yīng)封堵楔塊,樁靴底部設(shè)等角度楔塊槽,并采用16道20 mm輻射板進(jìn)行加強(qiáng)。封堵楔塊距離樁靴底板下沿150 mm,楔塊槽深度224 mm,保證封堵楔塊能夠始終在楔塊槽內(nèi)。封堵楔塊安裝示意見圖16。

圖16 封堵楔塊安裝示意

3.1 校核工況

考慮楔塊所受載荷、地基不均勻性及封堵楔塊與楔塊槽對(duì)位不均勻性等因素,確定以下極端工況作為封堵楔塊強(qiáng)度校核的主要工況。

1)工況1。封堵楔塊斜面與楔塊槽接觸,楔塊斜面在X、Y、Z向約束。根據(jù)表4中工況1,此時(shí)封堵楔塊受力最大,為5 341 kN,見圖17。

圖17 工況1示意

2)工況2。封堵楔塊一側(cè)為上沿局部與楔塊槽接觸,另一側(cè)為下沿局部與楔塊槽接觸,約束僅對(duì)上下沿接觸部分設(shè)X、Y、Z向約束,約束位置為單根筋板支撐位置。根據(jù)表4中工況5,此時(shí)封堵楔塊僅50%受力,為1 720 kN。由于受力不均,斜板與楔塊槽不能完全接觸,見圖18。

圖18 工況2示意

3.2 封堵楔塊有限元分析

利用ANSYS構(gòu)建封堵楔塊有限元模型(圖19),采用殼單元模擬頂板、斜板及加強(qiáng)筋。考慮楔塊磨蝕作用,扣除腐蝕裕量3.5 mm。

圖19 封堵楔塊有限元模型

封堵楔塊材質(zhì)采用DH36及EH36,屈服應(yīng)力為355 MPa。根據(jù)中國船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[7](2020)第2篇第3章3.4.2規(guī)定,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及許用應(yīng)力見表7。

表7 安全系數(shù)及許用應(yīng)力

根據(jù)前面工況分析,通過有限元軟件計(jì)算,封堵楔塊最大應(yīng)力詳見表8。工況1、工況2應(yīng)力云圖見圖20～21。

表8 封堵楔塊最大應(yīng)力 MPa

圖20 工況1應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

提出的一種適用于自安裝井口平臺(tái)的無浮力式樁靴,可有效的解決平臺(tái)站立狀態(tài)時(shí)樁腿浮力對(duì)平臺(tái)的不利影響。計(jì)算分析表明,該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,安全性得到有效驗(yàn)證,為自安裝井口平臺(tái)的進(jìn)一步工程應(yīng)用提供技術(shù)保障。