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(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，深圳 518000；2.中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心，北京 100007)

張力腿筋腱樁基水平安裝誤差影響分析

高靜坤1，王一江1，梁園華2，韋斯俊2，孫政策2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，深圳 518000；2.中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心，北京 100007)

在設(shè)計(jì)海況下，計(jì)算張力腿平臺(tái)筋腱樁基在不同水平安裝誤差情況下的張力時(shí)歷，由此得到樁基水平安裝誤差距離與張力關(guān)系，根據(jù)該結(jié)果計(jì)算不同重現(xiàn)期海況中筋腱樁基水平安裝誤差對(duì)張力的修正值。根據(jù)整體性能分析得到的張力結(jié)果對(duì)筋腱強(qiáng)度進(jìn)行校核，同時(shí)考慮安裝誤差修正項(xiàng)的影響。認(rèn)為，在進(jìn)行整體性能的筋腱張力和強(qiáng)度分析時(shí)，考慮筋腱樁基水平安裝誤差很重要。

張力腿平臺(tái)；筋腱樁基；安裝誤差；修正

目前用于張力腿平臺(tái)(TLP)錨固基礎(chǔ)形式包括樁基、重力式基礎(chǔ)、吸力基礎(chǔ)、淺基礎(chǔ)等，也可以是各種基礎(chǔ)形式的組合[1-3]。筋腱將平臺(tái)和樁基礎(chǔ)連接，平臺(tái)主體受到的載荷通過(guò)筋腱傳遞到樁基礎(chǔ)進(jìn)而傳遞給地基。張力腿筋腱可以直接與樁基礎(chǔ)連接，也可以通過(guò)基盤(pán)與樁基連接，組成獨(dú)立式的群樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)不僅受到張力筋腱的拔拉力，且作為置于海洋中的結(jié)構(gòu)承受著包括地震等各種載荷。樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)選擇及其安裝制造方法對(duì)張力腿平臺(tái)整體的工作性能有極大的影響[4]。樁基安裝精度也會(huì)影響張力筋腱載荷傳遞，從而影響張力腿平臺(tái)在復(fù)雜海洋環(huán)境載荷中的整體性能。目前，國(guó)內(nèi)的研究更多地關(guān)注樁基礎(chǔ)在海底受到土壤作用對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響[5-6]。而關(guān)于樁基安裝對(duì)筋腱及平臺(tái)性能的研究較少。針對(duì)TLP采用筋腱直接與樁基礎(chǔ)連接的形式，聯(lián)合利用水動(dòng)力分析軟件HARP和海洋工程分析軟件Orcaflex，以中國(guó)南海海域?qū)λ钤?00 m左右某潛在開(kāi)發(fā)油田為例，對(duì)張力腿筋腱樁基水平誤差影響進(jìn)行分析。

1 計(jì)算原理和方法

1.1 耦合計(jì)算原理

TLP整體性能采用時(shí)域耦合方法進(jìn)行模擬，首先使用頻域方法計(jì)算平臺(tái)水動(dòng)力系數(shù)和波浪激勵(lì)力，然后與張力腿筋腱和立管系統(tǒng)耦合進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)求解。平臺(tái)的一、二階波浪激勵(lì)力、附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)都可以在頻域內(nèi)求解，然后整個(gè)TLP系統(tǒng)的耦合動(dòng)力計(jì)算可在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行。TLP系統(tǒng)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為[7]

(1)

式中：M表示廣義質(zhì)量矩陣；A∞表示無(wú)窮頻率附加質(zhì)量矩陣；X表示平臺(tái)位移矢量；K(t)表示延遲函數(shù)矩陣；D表示線性阻尼系數(shù)矩陣；C表示平臺(tái)回復(fù)力系數(shù)矩陣。方程右邊的外力FExternal(t)可以寫(xiě)為

FExternal(t)=F1st(t)+F2nd(t)+Fwind(t)+

Fcurrent(t)+Fmoor(t)

(2)

式中：F1st(t)和F2nd(t)分別為一、二階波激力；Fwind(t)為風(fēng)力；Fcurrent(t)為流力；Fmoor(t)為筋腱、立管系統(tǒng)的回復(fù)力。

方程(1)中的水動(dòng)力系數(shù)和波浪激勵(lì)力等可根據(jù)三維勢(shì)流理論求得，再通過(guò)傅里葉逆變換得到時(shí)域的結(jié)果，求解時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程即可得到TLP整體性能。本文利用HARP完成TLP的動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算。

1.2 筋腱強(qiáng)度校核方法

TLP筋腱強(qiáng)度校核分析目的是對(duì)在位狀態(tài)下的平臺(tái)系泊筋腱的強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保筋腱在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下滿足要求。根據(jù)API RP 2T中的推薦作法，需計(jì)算A、B、S 3個(gè)安全等級(jí)的筋腱利用比因子(UR)和相互作用比因子(IR)來(lái)校核其強(qiáng)度是否滿足要求。

根據(jù)API RP 2T，可以依據(jù)工作應(yīng)力法(WSD)和載荷抗力法(LRFD)計(jì)算筋腱利用比因子UR和相互作用比因子IR，UR和IR應(yīng)小于1。

1.2.1 WSD法

IR=A2+B2η+0.6|A|B≤1.0

(3)

UR=A=(ft+fb)SFt/Fy

(4)

B=fhSFC/Fhc

(5)

η=5-4Fhc/Fy

(6)

式中：ft為張力引起的筋腱軸向拉伸應(yīng)力；fb為彎矩引起的筋腱彎曲應(yīng)力；fh為靜水壓力引起的筋腱環(huán)向應(yīng)力；Fhc為臨界環(huán)向屈曲應(yīng)力。

筋腱彈性環(huán)向屈曲應(yīng)力Fhe為

Fhe=0.88E(t/D)2

(7)

式中：D為筋腱外徑；t為筋腱壁厚；E為筋腱材料彈性模量。

如果Fhe<0.55Fy(彈性屈曲)，F(xiàn)hc=Fhe。

如果Fhe≥0.55Fy(非彈性屈曲)，

Fhc=0.7Fy(Fhe/Fy)0.4≤Fy。

公式中的張力安全系數(shù)SFt和靜水力壓潰系數(shù)SFC，可以根據(jù)API RP 2T選取。

1.2.2 LRFD法

IR=A2+B2η+0.6|A|B≤1.0

(8)

A=(ft+fb)/(φtFy)

(9)

B=fh/(φhFhc)

(10)

公式中的系數(shù)與WSD法一致。校核過(guò)程中筋腱張力按下式進(jìn)行計(jì)算。

T=L1Tmargin+L2Tpre+L3(Ttide+Tmean+Tdyn)

(11)

式中：Tmargin為張力余度修正，包括筋腱樁基水平安裝誤差；Tpre為筋腱預(yù)張力；Ttide為筋腱張力的潮汐修正；Tmean為平均環(huán)境載荷引起的平均筋腱張力；Tdyn為動(dòng)態(tài)張力響應(yīng)部分。

式(11)中的載荷和抗力因子可以根據(jù)API RP 2T選取。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 筋腱參數(shù)

張力腿平臺(tái)每個(gè)立柱上設(shè)計(jì)布置2根張力腿筋腱，總共8根。張力腿筋腱由不同部分的圓柱形鋼管密封而成，每根筋腱由頂部、底部連接段和若干段長(zhǎng)度相同的主體段構(gòu)成。頂部連接段用于筋腱與平臺(tái)Porch連接固定，底部連接段用于筋腱與樁基接收器的連接，主體段將頂部和底部連接段在海水中連接成完整的張力腿筋腱。筋腱參數(shù)和安裝坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 張力腿平臺(tái)筋腱參數(shù)及導(dǎo)覽孔坐標(biāo)

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

張力腿平臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合分析需要利用HARP軟件完成，在HARP中建立張力腿平臺(tái)與筋腱、立管系統(tǒng)的耦合模型，見(jiàn)圖1。利用Orcaflex進(jìn)行樁基水平安裝誤差分析和筋腱強(qiáng)度分析，數(shù)值模型見(jiàn)圖2。根據(jù)HARP耦合計(jì)算結(jié)果篩選出張力最大的#1號(hào)和#5號(hào)筋腱作為分析的關(guān)鍵筋腱。

圖1 張力腿平臺(tái)耦合分析模型

圖2 張力腿平臺(tái)筋腱樁基誤差和強(qiáng)度分析模型

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 筋腱樁基水平安裝誤差對(duì)筋腱張力的影響

在進(jìn)行樁基安裝誤差分析時(shí)，假設(shè)樁基安裝誤差變化范圍在0.15～0.90 m，間隔0.15 m，計(jì)算張力腿平臺(tái)在不同設(shè)計(jì)海況下，不同安裝誤差的筋腱張力時(shí)歷結(jié)果。樁基誤差對(duì)筋腱預(yù)張力的影響見(jiàn)圖3，樁基安裝偏離設(shè)計(jì)位置越遠(yuǎn)，安裝誤差越大，筋腱預(yù)張力較設(shè)計(jì)初始預(yù)張力逐漸增大。

圖3 樁基水平誤差對(duì)筋腱預(yù)張力影響

各設(shè)計(jì)海況中筋腱樁基水平誤差影響結(jié)果見(jiàn)圖4～6。圖4～6中“max變化值”表示有安裝誤差的張力最大值與準(zhǔn)確安裝張力最大值的差值，“min變化值”表示有安裝誤差的張力最小值與準(zhǔn)確安裝張力最小值的差值?！癿ax變化率”等于“max變化值”與準(zhǔn)確安裝張力最大值的比值，“min變化率”等于“min變化值”與準(zhǔn)確安裝張力最小值的比值。

圖4 一年一遇海況中樁基水平誤差對(duì)筋腱張力極值影響

圖5 百年一遇海況中樁基水平誤差對(duì)筋腱張力極值影響

圖6 千年一遇海況中樁基水平誤差對(duì)筋腱張力極值影響

由圖4～6可見(jiàn)，同樣的安裝誤差量，在不同的海況中導(dǎo)致張力最大值和最小值變化不一樣：例如，對(duì)于0.30 m(1 ft)樁基水平安裝誤差，一年一遇海況張力最大值變化81.1 mTon，百年一遇海況張力最大值變化206.3 mTon，千年一遇海況張力最大值變化265.8 mTon。由此可見(jiàn)，同樣的安裝誤差，越惡劣的海況筋腱張力極值變化越大。

在海況不變的情況下，安裝誤差量越大對(duì)筋腱張力極值的影響越大：一年一遇海況中，最大值變化率由1.74%增大為10.81%，最小值變化率由1.53%增大為10.35%；百年一遇海況中，最大值變化率由3.38%增大為20.73%，最小值變化率由4.09%增大為24.73%；千年一遇海況中，最大值變化率由3.66%增大為22.63%，最小值變化率由2.77%增大為23.33%。

3.2 筋腱強(qiáng)度校核分析

由方程(11)可知，筋腱張力分量Tmargin包括筋腱樁基水平安裝誤差。在筋腱強(qiáng)度校核時(shí)，需要考慮樁基水平安裝誤差影響，根據(jù)3.1結(jié)果對(duì)張力進(jìn)行修正。校核筋腱強(qiáng)度時(shí)，考慮樁基安裝誤差為0.30 m和0.60 m的余度修正。例如，0.30 m安裝誤差修正：對(duì)于一年一遇海況Tmargin增加81.1 mTon余度修正，百年一遇海況Tmargin增加206.3 mTon余度修正，千年一遇海況Tmargin增加265.8 mTon余度修正。

考慮樁基安裝誤差后筋腱強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表2，圖7為筋腱強(qiáng)度校核得到的利用比因子UR和相互作用比因子IR沿筋腱高度方向的變化。由表2可見(jiàn)，在校核筋腱強(qiáng)度時(shí)考慮樁基水平安裝誤差修正計(jì)算得到的校核系數(shù)UR和IR要大于沒(méi)有誤差修正的值。同樣的誤差水平，海況條件越惡劣，誤差對(duì)筋腱強(qiáng)度的影響越大。例如，按照WSD法計(jì)算UR，考慮安裝誤差計(jì)算得到的因子要大4%～9%。如果沒(méi)有誤差修正，計(jì)算得到的UR和IR值達(dá)到0.95，那么考慮樁基安裝誤差后校核的結(jié)果就無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。所以在設(shè)計(jì)階段，筋腱強(qiáng)度校核時(shí)考慮樁基水平安裝誤差修正，是一個(gè)更為合理安全的做法。由圖7可見(jiàn)，校核計(jì)算得到的UR和IR在每個(gè)連接處會(huì)發(fā)生突變，原因是整根筋腱由不同部分連接而成，在每個(gè)連接處因?yàn)榻孛娌灰恢?，?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在強(qiáng)度校核時(shí)更應(yīng)注意。

表2 筋腱強(qiáng)度校核結(jié)果

圖7 樁基水平誤差0.3 m筋腱強(qiáng)度校核結(jié)果——UR和IR沿筋腱長(zhǎng)度分布

4 結(jié)論

1)樁基水平安裝誤差對(duì)筋腱張力極值的影響不可忽略，樁基水平安裝誤差能顯著增大筋腱頂部最大張力或者減小筋腱底部最小張力。同樣的安裝誤差，海況越惡劣，筋腱張力極值受到的影響越大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)需加以重視。

2)在進(jìn)行筋腱強(qiáng)度校核時(shí)，樁基水平安裝誤差修正項(xiàng)對(duì)校核系數(shù)利用比因子UR和相互作用比因子IR的影響顯著，尤其對(duì)極限工況和自存工況下筋腱強(qiáng)度校核結(jié)果的影響更為明顯。設(shè)計(jì)階段，筋腱強(qiáng)度校核時(shí)考慮樁基水平安裝誤差修正，是一個(gè)更為合理、安全的做法。

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The Effect of Horizontal Installation Error for TLP Tendon Pile

GAOJing-kun1,WANGYi-jiang1,LIANGYuan-hua2,WEISi-jun2,SUNZheng-ce2

(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China; 2.CCS Ocean Engineering Technology Research and Development Center, Beijing 100007, China)

The TLP motions in designed sea states were simulated and tendon tension time history results were obtained with various pile installation errors to investigate the relation between installation error and tendon tension. The corrections about tendon tension were decided by the relation between installation error and tendon tension. The tendon strength was analyzed by considering the tendon pile installation error corrections. The results showed that it is necessary to consider pile installation corrections when calculating tendon tension in global performance analysis and performing tendon strength analysis.

tension leg platform; tendon pile; installation error; correction

P751

A

1671-7953(2017)05-0090-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.025

2016-11-09

修回日期：2016-11-28

工信部“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

高靜坤(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)及工程管理