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        大型結(jié)構(gòu)物浮托安裝過(guò)程碼頭承載力分析

        2016-09-16 05:43:57海洋石油工程青島有限公司山東青島266520
        港工技術(shù) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:組塊碼頭受力

        李 林(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

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        大型結(jié)構(gòu)物浮托安裝過(guò)程碼頭承載力分析

        李 林
        (海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

        本文以荔灣3-1中心平臺(tái)為案例,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)5#滑道各部件,包括土體、樁土復(fù)合地基、滑道板、滑道塊以及駁船支撐結(jié)構(gòu)(DSF)建模,對(duì)場(chǎng)地的受力進(jìn)行系統(tǒng)分析研究,總結(jié)一套行之有效的方法,為工程施工提供重要的技術(shù)支持。

        浮托安裝;DSF;碼頭受力;有限元分析

        引 言

        深海采油結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中,通過(guò)液壓裝置將結(jié)構(gòu)物的支撐轉(zhuǎn)移到DSF上,將大型結(jié)構(gòu)物的重量通過(guò)DSF直接作用到建造場(chǎng)地上,對(duì)建造場(chǎng)地乃至碼頭受力進(jìn)行分析是建造過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。荔灣 3-1項(xiàng)目青島場(chǎng)地5#滑道是支撐樁式大型滑道,本文針對(duì)這一實(shí)際情況,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)5#滑道各部件,包括碼頭、滑道板、滑道塊以及駁船支撐結(jié)構(gòu)(DSF)建模,對(duì)場(chǎng)地的受力進(jìn)行系統(tǒng)分析研究,為結(jié)構(gòu)的安全建造提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 碼頭模型建模技術(shù)

        對(duì)5#滑道的土模型進(jìn)行建模分析,經(jīng)過(guò)鉆孔分析,得到的信息表明土體可以被分成4層,連同各層的參數(shù)如下所述。第1層的土體厚度值為35m,具有強(qiáng)度值φ=28°、c=35 kPa;第2層的相應(yīng)參數(shù)值為 45m、φ=20°、c=24 kPa;第 3層 4m、φ=4°、c=8 kPa;第4層4m、φ=10°、c=6 kPa。除此以外,所有土體層的變形模量值選取80 MPa,泊松比選取值0.25。在建立模型的過(guò)程中,采取對(duì)碼頭土體模型等比例放大的手段,以便于滑道的受力可以更好地被模擬,及滑道實(shí)際的長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)都被等比例地放大到2倍以上。建模過(guò)程采用Drucker-Prager plasticity準(zhǔn)則模擬土體的實(shí)際狀況,對(duì)建立的模型施加底面以及層面兩個(gè)位置的法向位移,強(qiáng)夯土地基的模擬使用SOLID 95實(shí)體單元。

        2 碼頭滑道板建模技術(shù)

        用 ANSYS軟件對(duì)碼頭滑道板進(jìn)行有限元建模,在建模之前,分析滑道板的材料以及力學(xué)性能,碼頭滑道板是一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中混凝土的型號(hào)為C35。所以用SOLID 65單元對(duì)滑道板進(jìn)行建模,采用這種單元進(jìn)行建模的依據(jù)是滑道板的混凝土成分具有很好的抗壓性能,而它的抗拉性能較差,SOLID 65單元適用于這種拉壓性能不均勻的材料的模擬,通過(guò)使用SOLID 65單元,既能很好地建立滑道板中鋼筋的有限元模型,也能對(duì)滑道板拉裂以及壓潰的過(guò)程進(jìn)行很好地模擬,設(shè)置材料的彈性模量值31.5 GPa,設(shè)置泊松比的值0.2,建立碼頭滑道板的ANSYS模型如圖1所示。

        圖1 碼頭滑道板三維模型

        3 大型結(jié)構(gòu)物與DSF有限元分析

        建造完成后,對(duì)大型組塊上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重量轉(zhuǎn)移,在這個(gè)過(guò)程中,大型組塊的上部結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)移到DSF結(jié)構(gòu),如圖2所示。由于DSF結(jié)構(gòu)放置于滑道塊上,所以,大型組塊上部結(jié)構(gòu)的重量實(shí)際由滑道來(lái)承擔(dān),對(duì)碼頭進(jìn)行有限元建模分析,保證其力學(xué)性能的可靠性十分重要。

        圖2 大型結(jié)構(gòu)物建造完成后總體情況

        3.1DSF建模技術(shù)

        采用 Beam 189來(lái)建立DSF的有限元模型,Beam 189是ANSYS中的一種梁?jiǎn)卧?。采用這種單元進(jìn)行建模是因?yàn)镈SF的主體由細(xì)長(zhǎng)桿組成,并且Beam 189單元可以為用戶提供直觀可視的截面編輯功能,所以采用這種建模方式會(huì)使真?zhèn)€過(guò)程更加方便快捷。由于截面翹曲的存在,考慮 Beam 189的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除空間6個(gè)自由度之外還會(huì)附加一個(gè)翹曲量,通過(guò)設(shè)置單元中KEYOPT(1)=1來(lái)表示。截面的設(shè)定除了自定義外,還可以采用軟件提供的梁截面庫(kù),其中包含 11種形狀,通過(guò)輸入相應(yīng)參數(shù)可以快速地定義截面。

        DSF建模結(jié)果如圖3所示,設(shè)置材料的力學(xué)性能為密度7 850kg/m3,彈性模量206 GPa,泊松比0.3。

        圖3 DSF的有限元模型

        3.2DSF與滑道MPC單元耦合模型

        上部組塊重量全部轉(zhuǎn)移到 DSF上之后,由于DSF放置于道上,有必要對(duì)二者的連接進(jìn)行建模分析,保證力學(xué)性能可靠性。DSF和滑道之間的連接為剛性固接,分別建立了DSF與滑道的有限元模型后,采用MPC 184單元進(jìn)行耦合來(lái)模擬剛性固接。

        MPC 184是一種多點(diǎn)約束單元,對(duì)于不同的的實(shí)際建模情況,MPC 184采用的約束的類(lèi)型是不一樣的。如前所述DSF結(jié)構(gòu)和滑道兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的連接類(lèi)型為剛性固連,在本節(jié)中,用MPC 184單元來(lái)模擬這種剛性約束進(jìn)行建模,在此應(yīng)設(shè)KEYOPT(1)=0(默認(rèn)值),該單元為剛性桿,具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn),只能沿三個(gè)方向平移,確保它是剛性固結(jié)。對(duì)于這種大應(yīng)變非線性問(wèn)題,采用MPC 184單元進(jìn)行求解十分適用。

        圖4 DSF與滑塊耦合整體有限元模型

        3.3碼頭受力分析

        荔灣3-1組塊總重 28 337.04t,DSF重量為3 000t,取2.0安全系數(shù),則總載荷為(28 337.04+3 000)×2=62 647.08t,載荷由DSF上部與組塊接觸的10個(gè)結(jié)點(diǎn)平均分擔(dān)。如圖5所示。

        圖5 碼頭整體建模

        約束施加如第1節(jié)所述,進(jìn)行求解,得到的滑道整體受力情況如圖6。

        圖6 大型結(jié)構(gòu)物碼頭整體有限元分析結(jié)果

        重量轉(zhuǎn)移結(jié)束后承載上部組塊重量時(shí),滑道受力的最大值 2 162 MPa,滿足抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=17.50 MPa的要求,滑道最大沉降位移為2 249 mm,也處在安全范圍。

        4 結(jié) 論

        針對(duì)荔灣3-1中心平臺(tái)和DSF的實(shí)際情況,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)5#滑道各部件,包括碼頭、滑道板、滑道塊以及駁船支撐結(jié)構(gòu)(DSF)建模,并利用MPC 184單元將土和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有機(jī)連接,建立鋼土耦合模型,有效提高了分析計(jì)算精度,通過(guò)系統(tǒng)的計(jì)算,獲得了良好的計(jì)算數(shù)據(jù),為工程的安全建造奠定基礎(chǔ)。

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        Large Structure Weight Transfer Process Building Ground Stress Analysis

        Li Lin
        (Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266520,China)

        The paper puts the Central platform in Liwan 3-1 project as a case,and applies the finite element analysis software ANSYS to build finite element models of soil condition,pillar soil-compound foundation,slide-road boards,slide-road blocks and DSF in 5#slide,and make a composite analysis of the site's stress situation.With the analysis,the paper will summarized an effective mode for engineering construction and provide theory and technique support.

        float-over installation; DSF; forces of wharf; finite element analysis

        U655.4

        A

        1004-9592(2016)04-0035-03

        10.16403/j.cnki.ggjs20160409

        2016.05.15

        十二五國(guó)家重大專項(xiàng):南海深水油氣開(kāi)發(fā)示范工程(2011ZX05056)

        李林(1983-),男,工程師,主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)建造工作。

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