李德江，李 磊，曹慶禺，邵 丹

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺264000）

0 引言

SSCV II平臺是世界上首座無橫撐并且非對稱結構形式的半潛式海洋平臺。該平臺集海上重型起重作業(yè)、甲板貨物儲存及生活居住功能為一體，兩臺全回轉起重機全部位于右舷，單機起吊能力為1 800t，聯(lián)合起吊3 600t。作業(yè)海域包括西非和墨西哥灣，采用DP-3動力定位，并可滿足618人生活居住。

作為半潛式平臺安全運行的重要指標之一，結構的屈曲強度需要進行評估，多家船級社均有專門的規(guī)范對屈曲強度進行校核［1-3］。該文采用直接計算法對SSCVII平臺進行多種工況強度計算，對結構的屈曲強度進行全面的評估，評估流程及評估的結果可為此類平臺的設計提供參考。

1 平臺的有限元模型

平臺為4立柱雙浮體結構，由2個非對稱的浮體（主浮體和輔浮體），4個立柱和1個上船體組成，其主尺度見表1。

表1 平臺的主尺度

圖1 總體有限元模型

平臺有限元模型采用空間的板梁組合結構。其中外殼板、艙壁、甲板、T型材的腹板等采用4節(jié)點殼單元，T型材的面板、扶強材等采用2節(jié)點梁單元，總體有限元模型如圖1所示。

為了反映真實的重量分布，需要根據(jù)重量報告、壓載報告、總布置圖和艙室布置圖來進行調整重量分布。其中調整密度的方法一是用來調整因簡化建模而產生的質量差，二是將設備、管路、電氣、舾裝等各專業(yè)的重量以及壓載重量均布到結構上，采用集中質量點的方法用來模擬大型設備。

2 總體強度的計算

2.1 計算工況

按照船級社的要求，需要對平臺可能遇到的所有情況進行強度評估，包括靜水工況、風暴自存工況、正常工作工況、拖航工況、破損工況。

靜水工況用來評估結構處于最大吃水時的靜態(tài)強度；風暴自存工況用來評估結構遭遇百年一遇的風浪時的強度；正常工作工況用來評估結構處于正常工作狀態(tài)時的強度，如居住工況和起吊工況，此時海況通常比較溫和；拖航工況用來評估結構在自航遷移時的強度，此工況吃水較淺，波浪響應較大，對水線附近的結構強度應予以關注；破損工況用來評估結構的冗余能力，指部分結構破損后，其他結構的承載能力，此時的波浪載荷按照1年期的海況進行計算，通常約是百年海況的80%［4］。

2.2 計算載荷

直接計算中，將平臺承受的載荷分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，在后處理中將兩種載荷作用下的結構響應進行疊加。

靜態(tài)載荷包括平臺的自重，最大工作載荷，靜水浮力；動態(tài)載荷主要考慮波浪載荷的影響，而由風和流引起的載荷，可看作是穩(wěn)定的載荷，并且對于總體強度的影響是可忽略的，所以這些載荷在總體強度分析中是不考慮的。

2.3 波浪載荷的計算

波浪載荷的計算采用設計波法，選用的特征載荷包括浮筒間的分離力，橫軸的扭矩，浮筒間的縱向剪切力，浮筒上的垂向波浪彎矩，甲板質量的縱向加速度，甲板質量的橫向加速度，甲板質量的垂向加速度。

該類平臺由于無橫撐結構，上船體對于橫浪引起的浮筒間的分離力載荷非常敏感，尤其是立柱和上船體的連接部位需要特殊考慮。實際計算結果也證明，對于無橫撐的結構形式橫浪引起的分離力和分離彎矩是主導載荷。

3 屈曲強度評估

對于無橫撐的SSCVII，主要是由板、加筋板和加強筋組成。根據(jù)ABS規(guī)范，對板和加筋板的屈曲強度進行校核。

3.1 屈曲失效模式

對于平板和加筋板的結構形式，其屈曲失效模式包括三個層級：板的屈曲層級，加筋板的屈曲層級，強支撐的屈曲層級（如圖2所示）。

圖2 平板、加筋板失效模式

從可靠性的角度來看，沒有哪個層級的屈曲可以100%的防止，為了防止結構整體性屈曲發(fā)生，在設計中要保證后一層級結構的屈曲強度要高于前一層級［1］。

3.2 設計剛度要求

通過設計板，加強筋以及強支撐之間的剛度（慣性矩）來避免后一層級先于前一層級發(fā)生屈曲，即避免強支撐先于加強筋屈曲，加強筋先于板發(fā)生屈曲。具體的剛度要求如下：

（1）加強筋的剛度要不小于i0

式中：i0為加強筋的最小慣性矩要求；s為加強筋和扶強材的間距；t為加強筋和扶強材所支撐板的厚度；v為泊松比取0.3；γ0為幾何系數(shù)。

（2）強支撐的剛度要滿足式（2）要求

式中：IG為支撐加強筋的強支撐的慣性矩（考慮有效帶板）；i0為用式（1）計算的慣性矩；B為強支撐的跨距；l為加強筋的跨距。

（3）腹板上扶強材的剛度要滿足（3）式要求

式中：Ie為腹板上扶強材的慣性矩（考慮有效帶板）；l為扶強材的跨距；t為腹板的板厚；s為扶強材的間距。

3.3 加強筋的局部屈曲

在結構設計過程中，為了避免加強筋發(fā)生局部屈曲，對其腹板的高厚比和面板折邊的寬厚比有一定的要求。如果設計不滿足下述要求，則需要校核加強筋的局部屈曲。對于面板的要求見式（4）

式中：b2為面板折邊寬度；tf為面板板厚；E為材料彈性模量；σ0為材料的屈服強度。

對于腹板的要求，角鋼和T型材見式（5），球扁鋼見式（6），扁鋼見式（7）

式中：dw為腹板的高度；tw為腹板的厚度。

3.4 平板層級的屈曲

該層級需要校核板的屈曲強度，極限強度以及板承受側向壓力強度的能力。

（1）板的屈曲強度

式中：σxmax，σymax分別為縱向和橫向最大的壓應力；τ為剪應力；σcx，σcy，τc分別為縱向和橫向的單軸壓力下的臨界強度和剪應力的臨界強度；η為最大的許用強度利用系數(shù)，靜載工況下取0.6，組合工況取0.8。

（2）板的極限強度

式中：σux，σuy，τu分別為縱向和橫向的單軸壓力下的極限強度和剪應力的極限強度；φ為縱向應力和橫向應力的關聯(lián)系數(shù)。

（3）板的側向壓力強度

式中：qu為板上所受的側向壓力，應不大于側壓的計算值，從公式（10）中可以看出，該計算值與板面內的應力水平有關，即σe為等效應力；α為板格的長寬比。

3.5 加筋板層級的屈曲

該層級需要校核加強筋及附連帶板的柱屈曲強度和扭轉屈曲強度。

（1）柱屈曲強度

式中：σa，σb分別為軸向壓力和彎曲應力；Cm為彎矩調整系數(shù)，通稱取0.75；σCA為臨界屈曲應力；σE（C）為歐拉屈曲應力。

（2）扭轉屈曲強度

式中：σCT為臨界扭轉屈曲應力。

3.6 強支撐的屈曲

該層級校核強支撐的屈曲強度。通常設計中用防傾肘板來避免強支撐發(fā)生扭轉屈曲，同時如果強支撐結構的長細比λ＞0.5的，則需要按照公式（11）來校核柱屈曲強度。對于強支撐的腹板則需要按照公式（8）來進行校核。

4 評估結果

以風暴自存下的結果來對總體屈曲強度進行評估，通過后處理程序對平臺所有板格進行屈曲強度的計算。在左舷輔助浮體的外殼上，選取一部分的板格作為示例，進行屈曲強度校核，板格尺寸見表2、表3，載荷情況見表4，校核結果見表5～表7。在表格中，側壓和應力的單位是MPa。

圖3 屈曲結果

表2 屈曲校核的板格尺寸

表3 板格的強支撐

表6 板和加筋板的屈曲校核結果（利用率）

表7 T型材的局部屈曲校核結果（利用率）

5 結語

通過直接計算法對非對稱且無橫撐結構形式的半潛式平臺進行了總體屈曲強度評估，計算工況包括了靜水工況，風暴自存工況、正常工作工況、拖航工況下、破損工況五種工況?？梢缘玫揭韵陆Y論：（1）直接計算法和屈曲強度校核方法符合船級社要求，可為同類平臺分析提供參考；（2）對于下浮體，按照壓頭設計出的結構尺寸通常大大超過屈曲剛度的要求；（3）對平板結構進行屈曲強度校核時，需要考慮側壓，板的極限強度，加強筋的屈曲強度以及強支撐的屈曲強度；（4）可通過編寫后處理程序對所有平板板格進行屈曲強度評估。

［1］ABS.Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structure［S］.2007.

［2］DNV.Buckling Strength of Plated Structure［S］.2002.

［3］CCS.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［S］.2005.

［4］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］.2008.