朱亞洲，孫承猛，林?；?，張曉宇，秦洪德，姜 濱

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 3.中國石油集團(tuán) 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

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自升式平臺(tái)桁架式樁腿結(jié)構(gòu)選型方法

朱亞洲1,2，孫承猛3，林?；?，張曉宇3，秦洪德1，姜 濱1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 3.中國石油集團(tuán) 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

為優(yōu)化自升式平臺(tái)桁架式樁腿結(jié)構(gòu)構(gòu)型，采用參數(shù)化建模技術(shù)和SESAM的GeniE軟件，對(duì)不同構(gòu)型樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和總體性能進(jìn)行評(píng)估.選取拖航工況和自存工況進(jìn)行分析，結(jié)合母型資料，拖航工況時(shí)選取不同的樁腿節(jié)距構(gòu)型進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估；自存工況時(shí)選取不同的弦管間距和樁腿節(jié)距構(gòu)型對(duì)平臺(tái)抗傾覆能力、最大支反力、鎖緊力以及樁腿組件UC值進(jìn)行計(jì)算.以滿足強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為原則，結(jié)合各構(gòu)型樁腿結(jié)構(gòu)質(zhì)量，給出最優(yōu)的樁腿結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案.該方法快速完成了某型自升式平臺(tái)的樁腿構(gòu)型選取,結(jié)果表明該方法是自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)初期樁腿結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化的有效方法.

自升式平臺(tái)；桁架式樁腿；構(gòu)型選??；強(qiáng)度；拖航工況；自存工況

自升式平臺(tái)的樁腿直接站立于海床上，它不僅承受著外界環(huán)境載荷，還承受著來自于平臺(tái)的所有載荷作用，樁腿的損傷將導(dǎo)致整個(gè)平臺(tái)無法作業(yè)甚至重大海難事故的發(fā)生，這就使得樁腿成為自升式平臺(tái)強(qiáng)度分析中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu).國內(nèi)外學(xué)者對(duì)自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)研究已取得了大量的成果，但基本集中在對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)形式對(duì)比、載荷計(jì)算方法、強(qiáng)度計(jì)算方法及建造精度控制方法等方面的研究[1-5]，目前尚未有文獻(xiàn)資料對(duì)樁腿節(jié)距和弦管間距變化對(duì)平臺(tái)整體性能的影響來進(jìn)行研究.

自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)建造向深水化、個(gè)性化和特殊海域作業(yè)方向發(fā)展趨勢(shì)明顯，但符合上述功能要求的平臺(tái)可供參考母型資料匱乏，加之平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，因此，在設(shè)計(jì)初期，能夠綜合評(píng)估樁腿總強(qiáng)度影響因素，快速給出平臺(tái)樁腿節(jié)距和弦管間距最優(yōu)方案，是目前具有重要意義的研究課題.

目前桁架式樁腿的結(jié)構(gòu)型式有K型、逆K型以及X型等，公認(rèn)的最優(yōu)型式為逆K型，因此本文直接選取逆K型樁腿結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行研究.樁腿設(shè)計(jì)的通常做法是直接參考母型平臺(tái)的樁腿設(shè)計(jì)，還未有文獻(xiàn)詳細(xì)描述樁腿設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié).本文首次考慮不同的樁腿節(jié)距和弦桿間距，采用參數(shù)化建模程序，實(shí)現(xiàn)逆K型樁腿快速建模，然后通過SESAM的GeniE軟件讀取模型，對(duì)平臺(tái)自存工況下的樁腿結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度和拖航工況下的樁腿強(qiáng)度進(jìn)行校核，得到樁腿結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度校核結(jié)果、升降機(jī)構(gòu)鎖緊力、樁靴基底最大支反力、平臺(tái)抗傾穩(wěn)性等指標(biāo)隨樁腿節(jié)距和弦管間距變化的趨勢(shì)曲線，結(jié)合不同樁腿形式的耗鋼量，搜尋出各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，為自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造提供參考和依據(jù).

1 工況分析

在自升式平臺(tái)的整個(gè)生命周期中，主要經(jīng)歷拖航、安裝、作業(yè)和自存等工況，對(duì)樁腿而言，拖航工況、安裝工況和作業(yè)工況的環(huán)境條件相對(duì)比較溫和，決定其強(qiáng)度的工況為自存工況.平臺(tái)在拖航時(shí)，百米高度的樁腿立于甲板之上，平臺(tái)較小的搖擺會(huì)在樁腿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性載荷，因此本文在研究樁腿構(gòu)型選取時(shí)主要考慮拖航工況和自存工況.

1.1 拖航工況

自升式平臺(tái)拖航(濕拖)過程中，樁腿收回，高聳于平臺(tái)之上，處于漂浮狀態(tài)，受海洋風(fēng)、浪、流等因素影響顯著，如圖1所示.在外載荷作用下，平臺(tái)產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動(dòng)，在樁腿上產(chǎn)生較大的慣性載荷，對(duì)樁腿強(qiáng)度產(chǎn)生了較大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致樁腿損壞，因此拖航工況下的樁腿強(qiáng)度分析是樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化所必須考慮的工況.

圖1 拖航時(shí)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)

規(guī)范中假設(shè)平臺(tái)在拖航工況下的運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)任意時(shí)間t下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)θ為[6]

式中：T為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)周期，s；θ0為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)最大幅值，(°).

平臺(tái)橫搖/縱搖運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸位于水平面，并通過平臺(tái)的重心，距旋轉(zhuǎn)軸距離為r1的任一集中質(zhì)量的垂向加速度a為

則垂向加速度的最大值amax為

amax相對(duì)于重力加速度g的放大因子f1為

平臺(tái)升沉、縱蕩、橫蕩運(yùn)動(dòng)和風(fēng)載荷因素對(duì)橫搖/縱搖運(yùn)動(dòng)的耦合效應(yīng)，通過給定載荷因子γ=1.2，對(duì)重力加速度放大因子進(jìn)行簡(jiǎn)化考慮后，平臺(tái)橫搖/縱搖運(yùn)動(dòng)引起的距旋轉(zhuǎn)軸水平距離為r2的任一集中質(zhì)量的水平加速度最大值相對(duì)于重力加速度g的放大因子f2為

1.2 自存工況

自存工況是平臺(tái)所能承受的最惡劣的環(huán)境條件[7-8]，需要綜合考慮流體的作用、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和平臺(tái)的幾何非線性等，對(duì)該工況下的平臺(tái)進(jìn)行研究分析后需要提供樁腿的強(qiáng)度分析、樁腿在鎖緊裝置處的鎖緊力、樁腿的最大支反力以及平臺(tái)的抗傾能力等結(jié)果，從而對(duì)平臺(tái)的整體安全性能進(jìn)行全面的評(píng)估，為樁腿結(jié)構(gòu)形式的決定提供數(shù)據(jù)參考.

自升式平臺(tái)在自存工況下，桁架式樁腿站立于海底，承受海洋風(fēng)、波浪和海流的環(huán)境載荷、由外界變化載荷產(chǎn)生的慣性載荷以及平臺(tái)發(fā)生水平位移后由自重產(chǎn)生的幾何非線性載荷[9].

風(fēng)載荷是自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中的主控載荷之一，風(fēng)速隨時(shí)間和高度變化，通常情況下，參考結(jié)構(gòu)的高度系數(shù)和形狀系數(shù)，利用風(fēng)載荷計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式求解平臺(tái)風(fēng)載荷，但因其對(duì)構(gòu)件間遮蔽效應(yīng)等因素考慮不足，計(jì)算結(jié)果偏于保守，在缺乏母型船資料的情況下，風(fēng)洞試驗(yàn)是研究風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物作用的一種常用方法，風(fēng)洞試驗(yàn)方法可以綜合考慮構(gòu)件形狀、高度和位置的影響因素[10-13]，本文采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法獲取風(fēng)載荷數(shù)據(jù).

波浪和海流載荷主要作用在樁腿上，可利用Morison公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中考慮自存工況下大幅波浪的非線性作用以及海流對(duì)波浪的拉伸影響等.其中樁腿的弦管屬于非規(guī)則圓形剖面，因此需對(duì)其做相應(yīng)的等效處理來進(jìn)行水動(dòng)力載荷計(jì)算[14-15].

波浪的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)將對(duì)樁腿產(chǎn)生慣性載荷，本文選擇動(dòng)態(tài)系數(shù)放大法計(jì)算該慣性載荷，即假設(shè)自升式平臺(tái)及其基礎(chǔ)相當(dāng)于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)[6]，平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅值與準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)幅值的比值是穩(wěn)定狀態(tài)下頻率和周期的函數(shù)，通過DAF(動(dòng)態(tài)放大因子)來計(jì)算周期性的正弦激勵(lì)，如

式中:TN為平臺(tái)固有周期，s，通過GeniE進(jìn)行模態(tài)分析獲取固有周期值；TW為波浪周期，s；ε為阻尼比，取0.07.當(dāng)DAF≥1.05時(shí)，需要計(jì)及慣性載荷影響，慣性載荷計(jì)算如下：

式中:BSAmplitude是一個(gè)波浪周期內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)基礎(chǔ)剪力的幅值;BS(Q-S)max為最大準(zhǔn)靜態(tài)基剪力；BS(Q-S)min為最小準(zhǔn)靜態(tài)基剪力.

自升式平臺(tái)的樁腿是相對(duì)柔性結(jié)構(gòu)，在上述各種載荷的作用下平臺(tái)將產(chǎn)生較大的水平位移，樁靴垂向支反力的作用線不再通過樁腿形心，導(dǎo)致樁腿的彎矩比線性分析結(jié)果大，此彎矩將引起附加變形，屬于大位移非線性問題[16-17].本文采用附加彎矩法考慮幾何非線性的影響，即將平臺(tái)在外載荷作用下計(jì)算得到的水平位移Δ和軸力P，按線性方法計(jì)算附加彎矩ΔM=P·Δ，將它與原計(jì)算的彎矩M1疊加，通過反復(fù)迭代求得總彎矩M[18].

2 模型建立

本文選取115.0、107.0、91.5 m這3種水深進(jìn)行分析，假設(shè)浪向和風(fēng)向一致，以0°，60°，90°，120°,180°風(fēng)向和浪向進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)波浪周期不隨波高和水深變化，具體參數(shù)見表1.

表1 海洋環(huán)境參數(shù)

本文采用SESAM的GeniE軟件建立自升式平臺(tái)有限元模型，對(duì)主船體結(jié)構(gòu)縱橫艙壁采用等效截面梁的形式進(jìn)行模擬，通過調(diào)整材料密度和施加質(zhì)量球的形式來調(diào)整整個(gè)主船體的質(zhì)量和重心.利用強(qiáng)度等效原則，樁腿弦管采用等效梁建模，撐管單元以實(shí)際尺寸的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬.

樁腿底部邊界條件依據(jù)規(guī)范取為海床下3.05 m 處鉸支[6].樁腿與主船體的連接的模擬是樁腿弦管與圍阱區(qū)上、下導(dǎo)塊和鎖緊結(jié)構(gòu)的3點(diǎn)連接，上下導(dǎo)塊只約束水平位移，鎖緊位置同時(shí)約束水平和豎直位移.

本文中風(fēng)載荷采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，按照力的大小和分布都相似的原則直接施加到結(jié)構(gòu)上；在GeniE軟件中計(jì)算波流載荷，采用Morison公式，選擇Stokes五階波理論，計(jì)算過程中軟件自動(dòng)加載波流載荷；考慮DAF效應(yīng)和P-Δ效應(yīng)，通過手工計(jì)算，采用剛性梁傳遞的形式，將上述附加載荷傳遞到結(jié)構(gòu)上,如圖2所示.圖2中紅色箭頭表示的是附加載荷，藍(lán)色球?yàn)橘|(zhì)量等效單元，在保證質(zhì)量重心不變的情況下施加.圖3描述了鎖緊機(jī)構(gòu)有限元分析模型.

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第10期)

本文通過參數(shù)化建模，避免了多工況、變結(jié)構(gòu)帶來的重復(fù)性建模工作，分析過程如下：

1)對(duì)各工況下的樁腿強(qiáng)度分析模型進(jìn)行參數(shù)化編程；

2)調(diào)用GeniE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模；

3)進(jìn)行環(huán)境載荷、重力載荷以及慣性載荷計(jì)算，并將載荷計(jì)算結(jié)果施加到強(qiáng)度分析模型中；

4)對(duì)拖航工況下的樁腿強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算，得到樁腿強(qiáng)度分析的校核結(jié)果；

5)改變樁腿節(jié)距，重復(fù)步驟1)～4)，得到樁腿不同節(jié)距時(shí)的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、各類部件強(qiáng)度校核結(jié)果的變化規(guī)律；

6)對(duì)自存工況下的樁腿總強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算，得到UC值、樁腿鎖緊裝置處的鎖緊力、抗傾覆能力和樁靴基底的支反力；

7)改變樁腿節(jié)距和弦管間距，重復(fù)步驟1)～3)、6)，得到不同樁腿構(gòu)型時(shí)的總強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及其變化規(guī)律.

3 結(jié)果分析

本文首先研究了拖航工況下不同節(jié)距對(duì)樁腿質(zhì)量和強(qiáng)度的影響，然后給出了自存工況下不同節(jié)距和弦管間距對(duì)樁腿質(zhì)量和總強(qiáng)度的影響.強(qiáng)度校核是對(duì)樁腿的屈服和屈曲的聯(lián)合校核，即考察樁腿承載外界環(huán)境載荷的能力，通常以外界影響/結(jié)構(gòu)承載力的百分比表示(UC)，當(dāng)UC<1,則代表樁腿結(jié)構(gòu)安全.

按照上述參數(shù)化建模方法進(jìn)行有限元分析，可以快速地完成樁腿結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)過程中涉及的工況多、分析次數(shù)多的反復(fù)性工作.

結(jié)合ABS規(guī)范[18]，屈服失效準(zhǔn)則要求，在靜載工況下，軸向或彎曲應(yīng)力的安全系數(shù)取值為1.67，剪切應(yīng)力安全系數(shù)取值為2.50；在組合工況下，軸向或彎曲應(yīng)力的安全系數(shù)取值為1.25，剪切應(yīng)力安全系數(shù)取值為1.88.屈曲失效準(zhǔn)則要求，在靜載工況下，構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度安全系數(shù)取值為1.67，組合工況下安全系數(shù)取值為1.25.

3.1 拖航工況下的結(jié)果校核

通過編程得出GeniE可以識(shí)別的命令文件，完成單樁腿參數(shù)化建模，在GeniE軟件中施加載荷，進(jìn)行拖航工況的樁腿強(qiáng)度計(jì)算，得到隨節(jié)距變化的樁腿質(zhì)量、通過模態(tài)分析可以得到平臺(tái)的固有周期，見表2.同時(shí)得到樁腿結(jié)構(gòu)校核UC，見表3.

表2 不同節(jié)距對(duì)應(yīng)的樁腿質(zhì)量及平臺(tái)固有周期

表3 樁腿屈曲和屈服校核UC值表

表3是在0°載荷方向進(jìn)行分析得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由結(jié)果可知，拖航工況下，樁腿斜撐管結(jié)構(gòu)UC值普遍高于其他結(jié)構(gòu)，當(dāng)樁腿節(jié)距取值7.930 m 時(shí)，管節(jié)點(diǎn)UC值激增至0.95，臨近失效.結(jié)合有限元分析樁腿結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，位于上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間的斜撐管結(jié)構(gòu)失效概率最大.因此，本文給出了不同節(jié)距下的斜撐管在不同外載荷方向下的強(qiáng)度校核結(jié)果，如圖4所示.

圖4 不同載荷方向下的斜撐管UC值

綜合以上拖航工況下的樁腿強(qiáng)度分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1)樁腿質(zhì)量遞變趨勢(shì)與節(jié)距變化趨勢(shì)相反，即樁腿質(zhì)量隨節(jié)距增大而減小，由于樁腿為柔性構(gòu)件，在外載荷作用下，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)偏離，但其偏離位移與節(jié)距變化并不呈現(xiàn)遞變規(guī)律，此偏離值引起樁腿結(jié)構(gòu)幾何非線性效應(yīng)，即P-Δ彎矩.

2)由樁腿結(jié)構(gòu)單元屈曲與屈服聯(lián)合校核結(jié)果可知，上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間樁腿單元的斜撐管UC值最大，極易容易受損失效.

3)斜撐管UC值隨樁腿節(jié)距增大而增大，在不同方向的外載荷作用下，0°和60°方向斜撐管承載力最大，其失效概率最大，因此，在拖航工況下，可僅考慮0°和60°方向加載.

上述分析可知，在樁腿結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和質(zhì)量最輕要求的條件下，拖航工況下樁腿節(jié)距建議取值7.930 m.

3.2 自存工況下的結(jié)果校核

自存工況下，外界環(huán)境載荷作用于平臺(tái)，平臺(tái)抗傾能力評(píng)估是總強(qiáng)度分析中需要考慮的問題，抗傾覆能力為抗傾力矩與載荷彎矩的比值，其中，抗傾力矩是平臺(tái)固定載荷與50%可變載荷之和與抗傾力臂的乘積，載荷彎矩是風(fēng)浪流引起的彎矩與考慮動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)DAF和二次附加彎矩P-Δ效應(yīng)的三者之和；同時(shí)平臺(tái)底部所達(dá)到的最大支反力可以用來反推平臺(tái)的預(yù)壓能力；此時(shí)樁腿鎖緊裝置處的最大軸向力也為鎖緊裝置的能力評(píng)估提供了參考，通過有限元應(yīng)力云圖，在鎖緊機(jī)構(gòu)處，可以提取不同工況下的鎖緊力，因此總強(qiáng)度分析中給出了平臺(tái)的抗傾覆能力、最大支反力、鎖緊力以及樁腿構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果.

3.2.1 不同弦管間距的分析結(jié)果

計(jì)算中樁腿節(jié)距固定取為7.930 m ，以母型船11.75 m 為參考，0.5m 為步長(zhǎng)，選取5組不同的弦管間距，分別為10.75、11.25 、11.75、12.25、12.75 m.以目標(biāo)平臺(tái)115 m作業(yè)水深為例，對(duì)平臺(tái)校核結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5～8所示.

圖5 不同弦管間距0°載荷方向時(shí)的樁腿UC值

圖6 不同弦管間距時(shí)的最大鎖緊力

圖5是對(duì)0°載荷方向，不同弦管間距的樁腿結(jié)構(gòu)UC值進(jìn)行比較，由結(jié)果可知，弦管間距增大對(duì)弦管結(jié)構(gòu)和管節(jié)點(diǎn)UC值遞降趨勢(shì)顯著，撐管結(jié)構(gòu)UC值對(duì)弦管間距變化敏感性較弱，在所選取的弦管間距構(gòu)型條件下，樁腿所有組件結(jié)構(gòu)均滿足屈曲和屈服強(qiáng)度要求，因此，增大弦管間距有利于提升樁腿承載能力，但同時(shí)會(huì)增加樁腿結(jié)構(gòu)質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)性能降低，應(yīng)綜合考慮各種因素的影響.

圖7 不同弦管間距時(shí)的基底最大支反力

圖8 不同弦管間距時(shí)的抗傾穩(wěn)性

由圖6結(jié)果可知，5組典型載荷方向的鎖緊裝置處最大鎖緊力對(duì)弦管間距變化具有較強(qiáng)的敏感性，最大鎖緊力隨弦管間距增大迅速降低，本文研究所參考的平臺(tái)鎖緊裝置最大承載力達(dá)72 500 kN，在所選取的弦管間距下，鎖緊力都在安全范圍之內(nèi)，且弦管間距越大，鎖緊裝置越安全；通過圖6比較，亦可知鎖緊力在載荷方向60°時(shí)最大，0°方向載荷作用下鎖緊力最小.

由圖7結(jié)果可知，各載荷方向下的最大支反力均出現(xiàn)在11.75 m弦管間距附近，最大支反力是樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考參數(shù)，同時(shí)也直接影響平臺(tái)預(yù)壓載能力；通過圖7比較，亦可知120°載荷方向下的地基支反力高于其他方向載荷方向的地基支反力.

由圖8結(jié)果可知，平臺(tái)抗傾穩(wěn)性對(duì)弦管間距較為敏感，隨弦管間距增大而增大，在本文所選取的弦管間距構(gòu)型下，平臺(tái)都具有較好的抗傾能力；通過圖8比較，亦可知60°載荷方向下平臺(tái)抗傾能力相對(duì)低于其他載荷方向，但該載荷方向下最低的抗傾穩(wěn)性系數(shù)亦在1.5以上，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求.

綜合以上研究結(jié)果可知，各弦管間距都滿足平臺(tái)整體性能的要求，因此按照質(zhì)量最輕的原則，并同時(shí)考慮樁靴對(duì)地承壓比的要求，取弦管間距為11.75 m.

3.2.2 不同樁腿節(jié)距的分析結(jié)果

本文取弦管間距11.75 m ，在保證樁腿總長(zhǎng)不變，并滿足上下段樁腿長(zhǎng)度要求，改變定長(zhǎng)段樁腿節(jié)數(shù)，選取5組不同的樁腿節(jié)距對(duì)自存工況下的樁腿總強(qiáng)度進(jìn)行研究，樁腿節(jié)距分別為7.090、7.485、7.930、8.420、8.980 m，以目標(biāo)平臺(tái)115 m 作業(yè)水深為例，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)化分析得出的結(jié)果如圖9～12所示.

圖9 不同樁腿節(jié)距0°載荷方向時(shí)的樁腿UC值

圖10 不同樁腿節(jié)距時(shí)的最大鎖緊力

圖11 不同樁腿節(jié)距時(shí)的基底最大支反力

由圖9～12的分析結(jié)果可知，當(dāng)樁腿節(jié)距取值7.485 m時(shí)，樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的UC值、鎖緊力和支反力均達(dá)最大，平臺(tái)的抗傾能力亦為最差，其他節(jié)距取值時(shí)分析結(jié)果變化平緩.究其原因，當(dāng)節(jié)距取值7.485 m時(shí)，平臺(tái)固有周期與計(jì)算的波浪周期接近，進(jìn)而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致平臺(tái)各項(xiàng)性能指標(biāo)降低，因此，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免平臺(tái)固有周期與外界環(huán)境載荷作用周期接近的情況.

綜合以上研究結(jié)果可知，除了7.485 m 的樁腿節(jié)距，其他樁腿節(jié)距都滿足平臺(tái)整體性能的要求，因此按照質(zhì)量最輕的原則，針對(duì)自存工況分析，可取最大的樁腿節(jié)距8.98 m.

圖12 不同樁腿節(jié)距時(shí)的抗傾穩(wěn)性

3.2.3 不同弦管間距和樁腿節(jié)距的樁腿質(zhì)量結(jié)果

樁腿結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化應(yīng)在保證平臺(tái)整體性能的同時(shí)，還應(yīng)使其質(zhì)量達(dá)到最輕，圖13，14給出了隨弦管間距和樁腿節(jié)距變化的樁腿質(zhì)量結(jié)果.

圖13 樁腿質(zhì)量隨弦管間距的變化趨勢(shì)

圖14 樁腿質(zhì)量隨樁腿節(jié)距的變化趨勢(shì)

根據(jù)圖13,14可知，弦管間距從12.75 m減小到10.75 m，樁腿質(zhì)量降幅達(dá)到137 t ；樁腿節(jié)距從7.090 m增加到8.980 m，樁腿質(zhì)量降幅達(dá)到169 t ，綜合考慮弦管間距和樁腿節(jié)距因素，可實(shí)現(xiàn)減重300 t左右.

結(jié)合拖航工況及自存工況聯(lián)合分析，如果選取自存工況下推薦的8.980 m 樁腿節(jié)距，在拖航工況下，樁腿斜撐管和管節(jié)點(diǎn)將失效，因此，可以快速的確定最優(yōu)樁腿節(jié)距7.930 m 和弦管間距11.75 m 的樁腿構(gòu)型.

本文參考平臺(tái)樁腿節(jié)距由8.540 m 降至7.930 m，弦管間距由13.10 m降至11.75 m ，樁腿質(zhì)量降低達(dá)20%左右，經(jīng)濟(jì)性顯著.

4 結(jié) 論

1)拖航工況下，樁腿斜撐管和管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度對(duì)樁腿節(jié)距變化敏感性較強(qiáng)，隨節(jié)距增大，UC值增大，在節(jié)距7.930 m時(shí)UC值激增至0.95，臨近失效，因此，7.930 m 為樁腿節(jié)距極限值.

2)拖航工況下，斜撐管UC值普遍高于其他樁腿組件，結(jié)合不同載荷方向下的斜撐管UC值分析，可知0°和60°載荷方向下的斜撐管失效概率最大.

3)自存工況下，樁腿撐管UC值對(duì)弦管間距變化敏感性較弱，但弦管間距UC值和鎖緊力隨弦管間距增大而降低，平臺(tái)抗傾能力隨弦管間距增大而增強(qiáng).

4)自存工況下，樁腿節(jié)距取值7.485 m時(shí)，因其構(gòu)型下的平臺(tái)固有周期接近波浪周期，水動(dòng)力動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)顯著，導(dǎo)致樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的UC值、鎖緊力和支反力均達(dá)最大，平臺(tái)的抗傾穩(wěn)性亦為最差，因此需要考慮樁腿構(gòu)型變化對(duì)平臺(tái)固有周期的影響.

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(編輯 張 紅)

The configuration selection method for truss type legs of self-elevating platform

ZHU Yazhou1,2, SUN Chengmeng3, LIN Haihua3, ZHANG Xiaoyu3, QIN Hongde1, JIANG Bin1

(1.College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China； 2.School of Architecture &Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China； 3. China Petroleum Liaohe Equipment Company, Bohai Equipment Manufacturing Co., Ltd., Panjin 124010, Liaoning, China)

In order to optimize the structure configuration of the truss type legs of the self-elevating platform, the parametric modeling method and GeniE software of SESAM were adopted to evaluate the performance and strength of different leg configurations. Towing and survival conditions were analyzed in the study process. Series of leg bay heights were chosen for strength analysis under towing condition. Different leg configurations with chord spaces and bay heights under survival condition were chosen to calculate the anti-overturning capacity, maximum reaction of support, locking force and the UC values of leg components. Considering the leg weight, the optimal decision for the leg configuration was given according to the principle satisfying the optimized strength and economy. A certain jack-up unit leg design was finished rapidly by this method. The study result indicates that the present method is effective for leg configuration selection and optimization in the preliminary design stage.

self-elevating platform; truss legs; configuration selection; strength; towing condition; survival conditions

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.10.023

2015-05-20

CP-375自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件研制資助(Y-14M000003)

朱亞洲(1982—)男，講師，博士；

姜 濱(1963—)男，教授，博士生導(dǎo)師

朱亞洲，zhuyazhou_cplec@126.com

P751

A

0367-6234(2016)10-0155-07