郭小亮， 崔文濤

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

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筒形基礎(chǔ)屈曲強(qiáng)度及非線性有限元分析

郭小亮， 崔文濤

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

為解決筒基屈曲強(qiáng)度的問(wèn)題，使筒形基礎(chǔ)得到更好發(fā)展，通過(guò)非線性有限元方法對(duì)于筒基的臨界屈曲強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)屈曲問(wèn)題出現(xiàn)的原因進(jìn)行了探討，為日后此類問(wèn)題的解決提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

筒形基礎(chǔ)；海洋平臺(tái)；屈曲強(qiáng)度；非線性分析；有限元法

0 引言

筒形基礎(chǔ)也叫吸力樁，或者吸力錨，被稱之為吸力錨時(shí)一般是作為海上系泊基礎(chǔ)使用的，比如單點(diǎn)系泊，或者作為多點(diǎn)系泊代替抓力貓和長(zhǎng)樁。筒形基礎(chǔ)在國(guó)外屬于相對(duì)成熟的技術(shù)，由于其安裝簡(jiǎn)便快捷，結(jié)構(gòu)重量大大減輕，因此已大量應(yīng)用于各種類型的海洋平臺(tái)、單點(diǎn)、多點(diǎn)系泊及水下管匯等結(jié)構(gòu)中，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也就是近二十幾年的時(shí)間，且技術(shù)發(fā)展還處于起步階段，很不成熟，幾乎沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可依。

近十年隨著筒形基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，渤海和南海潿洲海域相繼有幾個(gè)筒形基礎(chǔ)平臺(tái)得到應(yīng)用，例如曹妃甸18-1井口平臺(tái)、錦州9-3西井口平臺(tái)、渤中3-2隔水套管支撐井口和潿洲6-8井口平臺(tái)等。這幾個(gè)項(xiàng)目的成功應(yīng)用使得筒形基礎(chǔ)得到了一定程度的推廣，也為其發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，但是項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得研究和探討，其中一個(gè)問(wèn)題就是筒形基礎(chǔ)的屈曲強(qiáng)度。

1 相關(guān)案例分析

2008年曹妃甸18-1井口平臺(tái)建造完成，由于安裝時(shí)筒形基礎(chǔ)卻未貫入到指定深度，因而當(dāng)準(zhǔn)備更換安裝位置再次安裝下部結(jié)構(gòu)的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)施工人員發(fā)現(xiàn)筒形基礎(chǔ)出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，不得已將整個(gè)平臺(tái)重新運(yùn)回到碼頭，發(fā)生明顯變形的筒基也進(jìn)行了更換。此次事故讓人們對(duì)于筒形基礎(chǔ)的發(fā)展前景十分擔(dān)憂，也為筒形基礎(chǔ)的推廣和應(yīng)用蒙上了一層厚厚的陰影。

筒臂屈曲損壞照片、筒內(nèi)筋板屈曲損壞照片分別如圖1、圖2所示。圖1中，下部基礎(chǔ)的筒基發(fā)生了嚴(yán)重的變形，筒壁成波浪形。圖2中，筒基內(nèi)部沿著高度方向設(shè)置的防止屈曲的筋板也發(fā)生了嚴(yán)重的屈曲變形。從這2張圖可以看出，筒基的屈曲變形主要包含筒壁的屈曲和筒內(nèi)高度方向筋板的屈曲這2種。由于筒蓋下方有很密的筋板，且筒蓋的厚度很厚，所以一般頂蓋不容易發(fā)生屈曲。筒壁屬于大直徑薄壁結(jié)構(gòu)，雖然為了防止筒壁的屈曲，內(nèi)部設(shè)置了通長(zhǎng)的筋板，但筒基的筒壁和筋板仍然發(fā)生嚴(yán)重的變形，因此有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步研究。

圖1 筒壁屈曲損壞照片

圖2 筒內(nèi)筋板屈曲損壞照片

1.1 筒基貫入的整個(gè)過(guò)程

一般海底表面的泥土承載能力大都很差，筒基貫入初期，自重要遠(yuǎn)大于貫入阻力，因此一開(kāi)始不需要抽取負(fù)壓即可實(shí)現(xiàn)筒基的貫入，這個(gè)過(guò)程稱之為自重入泥，即僅依靠結(jié)構(gòu)及筒基自身的重量就可以實(shí)現(xiàn)筒基初始貫入的過(guò)程。自重入泥還有一個(gè)重要的作用，它為接下來(lái)的貫入提供了一個(gè)可以抽取負(fù)壓的密閉空間。接著便是啟動(dòng)泵閥系統(tǒng)抽取負(fù)壓。由于一開(kāi)始筒基入泥比較淺，貫入的阻力比較小，因此所需要的負(fù)壓也較小。隨著貫入深度的加大，貫入的阻力也不斷加大。貫入完成的最后一刻，貫入阻力達(dá)到最大，但此時(shí)筒基已經(jīng)大部分入泥，可以發(fā)生屈曲的范圍已經(jīng)很小。從這個(gè)過(guò)程很難判別出哪個(gè)時(shí)刻是筒基最容易發(fā)生屈曲的時(shí)刻。

1.2 筒基的結(jié)構(gòu)形式

該筒基直徑6 m，高度10 m，頂蓋處有高度1.5 m分布緊密的筋板，另外筒壁上有幾道沿高度通長(zhǎng)布置的筋板，吸力樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示?？紤]到貫入阻力的問(wèn)題，除了頂蓋外，筒基上沒(méi)有布置水平的筋板。筒基在設(shè)計(jì)時(shí)，最先考慮的是吸力樁頂蓋的強(qiáng)度，其次是筒壁的強(qiáng)度，最后才是筒壁內(nèi)部筋板的強(qiáng)度，這種設(shè)計(jì)與各部分的強(qiáng)度也密切相關(guān)。因?yàn)轫斏w是平板，在水壓的作用下最容易發(fā)生屈曲破壞，筒壁是圓柱形，發(fā)生屈曲的可能性次之，筋板是沿著高度方向承受載荷，它與頂蓋和筒壁構(gòu)成了T形梁的受力形式，因此最難發(fā)生屈曲。由此得出，在一般筒基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，頂蓋的鋼板厚度最大，筒壁次之，筋板最薄。

圖3 吸力樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)(單位：mm)

筒形基礎(chǔ)應(yīng)用于海洋平臺(tái)上，技術(shù)人員一般最為關(guān)心的是貫入性能和承載能力，即筒基可以安裝到泥面以下指定的設(shè)計(jì)深度，同時(shí)保證平臺(tái)在位工況下能夠抵抗作業(yè)和極端條件下的環(huán)境載荷(風(fēng)、波、流等，渤海等寒冷的海域還會(huì)有冰)、地震載荷、設(shè)備載荷、人員載荷等的考驗(yàn)。設(shè)計(jì)中也會(huì)按照大直徑薄壁圓筒的理論對(duì)筒形基礎(chǔ)進(jìn)行貫入屈曲分析，但僅限于理論公式的分析。不過(guò)從筒形基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，它并不完全屬于大直徑薄壁圓筒，因?yàn)橥残位A(chǔ)一端開(kāi)口，一端封閉。開(kāi)口端的約束是由海底泥土提供的約束，并且隨著貫入深度的不同，土體對(duì)于筒基的約束也在不停的變化之中，因此想要模擬整個(gè)過(guò)程中筒基的屈曲強(qiáng)度的變化，并不是一件容易的事。查看圖1和圖2現(xiàn)場(chǎng)損壞的照片，考慮筒基貫入的整個(gè)過(guò)程，并結(jié)合其具體的結(jié)構(gòu)形式，需要借助準(zhǔn)確且直觀的三維數(shù)值模擬分析來(lái)找出筒基發(fā)生屈曲的真正原因。

2 屈曲計(jì)算分析

在進(jìn)行計(jì)算分析之前需要確定約束形式和施加的載荷。

對(duì)于約束形式，前面已經(jīng)提到，在貫入的整個(gè)過(guò)程中，約束是在不斷變化的，因?yàn)橥不娜肽嘣诓粩嗟淖兓Ｔ儆芯褪峭不斏w和筒壁上的水壓隨著貫入深度的加深也在不斷的加大(泵閥系統(tǒng)提供)。可以選取其中幾個(gè)典型的時(shí)刻，比如開(kāi)始抽取負(fù)壓的時(shí)刻、貫入的中間時(shí)刻和貫入即將結(jié)束的時(shí)刻。還可以再在這幾個(gè)時(shí)刻中增加幾個(gè)來(lái)保證分析的準(zhǔn)確性，或者考慮一個(gè)比較簡(jiǎn)單和相對(duì)保守的辦法，選取自重入泥時(shí)候的入泥深度，同時(shí)選取貫入過(guò)程中最大的貫入壓力來(lái)進(jìn)行分析，這樣可以覆蓋貫入的整個(gè)過(guò)程。為了簡(jiǎn)便，本文選用后者進(jìn)行分析，保守考慮筒壁和頂蓋施加同樣的壓力，如圖4所示是計(jì)算分析的模型及約束形式。

圖4 筒基模型及約束條件

按照筒基的結(jié)構(gòu)圖紙建立了三維有限元分析模型，采用shell單元進(jìn)行模擬，分別賦予相應(yīng)的實(shí)常數(shù)來(lái)模擬不同的板厚。建模與一般的有限元分析相似，此處不再敘述。因?yàn)橐?jì)算筒基的屈曲強(qiáng)度，因此必然用到非線性分析，且需要同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性。材料非線性可以通過(guò)設(shè)置材料屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用理想的彈塑性模型；幾何非線性需要打開(kāi)大變形設(shè)置，通過(guò)收斂的設(shè)置來(lái)追蹤結(jié)構(gòu)變形的過(guò)程，主要是找出結(jié)構(gòu)臨界屈曲的應(yīng)力值。非線性分析的過(guò)程可參考相應(yīng)的有限元書(shū)籍獲得幫助。

因?yàn)榉蔷€性的分析是一個(gè)比較耗時(shí)的工作，而且很容易出現(xiàn)不收斂的情況，導(dǎo)致計(jì)算分析失敗，因此需要在非線性分析之前引入1個(gè)初始的缺陷，來(lái)加快收斂的過(guò)程。一般的做法是首先進(jìn)行一個(gè)特征值的屈曲計(jì)算，獲得理論上的臨界屈曲應(yīng)力，同時(shí)得到它的第1階模態(tài)。在第1階模態(tài)的基礎(chǔ)上引入1個(gè)微小的變形作為缺陷，用于觸發(fā)屈曲計(jì)算，加快計(jì)算的收斂。

接下來(lái)就是進(jìn)行非線性有限元的分析，此處略去計(jì)算的過(guò)程，直接給出計(jì)算分析的結(jié)果。通過(guò)讀取筒壁上施加的載荷和筒壁徑向位移的數(shù)據(jù)繪制出1條曲線，如圖5所示。當(dāng)出現(xiàn)壓力不增加而位移大幅增長(zhǎng)的時(shí)候就可認(rèn)為筒壁出現(xiàn)了屈曲，這個(gè)點(diǎn)即被認(rèn)為是屈曲臨界點(diǎn)。圖中可以看出臨界屈曲應(yīng)力約為0.28 MPa。

圖5 載荷位移曲線

此時(shí)查看筒基的應(yīng)力和變形情況，如圖6、圖7圖所示。從圖中可以看出筒壁向內(nèi)凹陷的位移也就只有5 cm，應(yīng)力水平除了個(gè)別地方的應(yīng)力集中點(diǎn)不能作為參考外，最大應(yīng)力約為200 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。這說(shuō)明屈曲剛剛發(fā)生的時(shí)候，筒壁還處于小變形和低應(yīng)力狀態(tài)，只有屈曲真正發(fā)生了，產(chǎn)生了塑性變形時(shí)結(jié)構(gòu)才進(jìn)入大變形和高應(yīng)力的狀態(tài)。

3 結(jié)論

曹妃甸筒基在現(xiàn)場(chǎng)貫入的壓力監(jiān)測(cè)顯示，貫入壓力一直低于0.28 MPa，也就是說(shuō)計(jì)算結(jié)果顯示筒基是不可能發(fā)生屈曲的，可能有其他的因素存在。現(xiàn)場(chǎng)的反饋是，發(fā)生最嚴(yán)重變形的筒基在貫入過(guò)程中出現(xiàn)了貫入困難的現(xiàn)象，考慮筒基下部可能存在異物增加了貫入阻力，而且此筒基相比其他筒基多1根中央立柱，該立柱的高度與筒基一致，它的存在大大增加了貫入的阻力。施工人員在發(fā)現(xiàn)貫入困難的時(shí)候沒(méi)有采取其他措施，而是繼續(xù)加大貫入壓力，這可能導(dǎo)致筒基內(nèi)部的密封泥土發(fā)生了嚴(yán)重的滲流作用，土體對(duì)于筒基底部的環(huán)向約束大大減弱，這可以通過(guò)圖1觀測(cè)到，筒基底部變形最為嚴(yán)重。

圖6 屈曲發(fā)生時(shí)筒壁徑向位移云圖

圖7 屈曲發(fā)生時(shí)筒基等效應(yīng)力云圖

通過(guò)上述的原因分析和有限元計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

(1)屈曲臨界狀態(tài)時(shí)，筒基結(jié)構(gòu)處于小變形、低應(yīng)力的狀態(tài)，因此現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要嚴(yán)格控制貫入的壓力。

(2)貫入前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)進(jìn)行探摸，清理安裝位置的雜物。

(3)當(dāng)貫入困難時(shí)應(yīng)立即停止操作，分析清楚原因后再進(jìn)行施工，或者更換安裝地點(diǎn)。

(4)筒基設(shè)計(jì)中應(yīng)專門(mén)增加非線性的有限元分析，保證筒基具有足夠的屈曲強(qiáng)度。

(5)筒基應(yīng)設(shè)置沿筒基高度布置的筋板，筋板的高度和間隔需要根據(jù)非線性有限元分析的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

[1] 王永勝.桶型基礎(chǔ)平臺(tái)在渤海邊際油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008：1-34.

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2016-02-14

郭小亮(1982—)，男，工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；崔文濤(1982—)，男，工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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