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        能量近似法在深水長(zhǎng)樁自由站立分析中的應(yīng)用

        2018-06-01 09:44:59尹曉明王江宏張孝衛(wèi)于志強(qiáng)
        天津科技 2018年5期
        關(guān)鍵詞:鋼樁校核計(jì)算方法

        李 娟,尹曉明,王江宏,張孝衛(wèi),于志強(qiáng)

        (海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

        0 引 言

        樁基海洋平臺(tái)的樁通常為打入式鋼樁,采用蒸氣、柴油或液壓為動(dòng)力的沖擊錘將樁打入海底。樁無側(cè)向支撐段長(zhǎng)度為自由站立長(zhǎng)度,此樁段所處狀態(tài)為自由站立狀態(tài)。在樁的安裝過程中需對(duì)樁的自由站立強(qiáng)度進(jìn)行校核,即校核安置樁錘至樁打入設(shè)計(jì)入泥深度期間由錘和樁的重力以及環(huán)境荷載(風(fēng)波流)等引起的樁身應(yīng)力是否滿足樁身材料的強(qiáng)度要求。最常見的影響因素包括靜彎矩、軸向荷載、樁錘初始放置時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向荷載和環(huán)境荷載等。

        樁的破壞形式主要有強(qiáng)度破壞、整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)和疲勞破壞。對(duì)于直徑大、壁厚薄和超長(zhǎng)的樁,通常長(zhǎng)細(xì)比較大,破壞形式多為整體失穩(wěn)。歐拉公式作為經(jīng)典理論公式,經(jīng)常被用于計(jì)算軸心受壓桿件的整體失穩(wěn)許用應(yīng)力,其采用的模型為“理想壓桿模型”,即假定壓桿軸線是理想直線,壓力作用線與軸線重合,材料是均勻的,且兩端受集中壓力荷載。

        美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)出版的《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》[1],中規(guī)定,當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比超過一定值時(shí),需要考慮結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)并利用歐拉應(yīng)力公式計(jì)算容許軸向壓縮應(yīng)力Fa。對(duì)于深水樁而言,不僅具有端部壓載以及重量沿樁長(zhǎng)分布的特性,而且由于樁長(zhǎng)通常在 100,m以上,不同工況控制易導(dǎo)致壁厚較大,結(jié)構(gòu)較重。侯濤等[2]指出,對(duì)于深水長(zhǎng)樁,在計(jì)算容許軸向壓縮應(yīng)力時(shí),應(yīng)考慮重量對(duì)許用應(yīng)力的影響。鐵木辛柯應(yīng)用彈性穩(wěn)定理論[3],考慮樁身重量沿樁長(zhǎng)均勻分布,并給出了計(jì)算公式。這相當(dāng)于整個(gè)自由站立樁段均采用單一壁厚計(jì)算,而實(shí)際樁身是由多種壁厚組成的。在應(yīng)用中,保守考慮,一般會(huì)取自由站立樁段的最薄壁厚來計(jì)算樁的容許軸向壓縮應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果偏??;當(dāng)自由站立工況起控制作用時(shí),會(huì)造成計(jì)算壁厚比實(shí)際所需要大,增加了樁身重量;同時(shí)樁的安裝對(duì)其長(zhǎng)度和重量比較敏感,重量越重,長(zhǎng)度越長(zhǎng),對(duì)安裝機(jī)具的要求越高。

        本文以鐵木辛柯彈性穩(wěn)定理論為基礎(chǔ),按實(shí)際壁厚考慮沿樁長(zhǎng)分布的重量,結(jié)合 API RP 2A-WSD[1]及 AISC[4]規(guī)范公式,運(yùn)用能量近似法來計(jì)算樁是否滿足穩(wěn)定性要求,對(duì)現(xiàn)有自由站立的分析方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

        1 能量近似法計(jì)算軸向許用荷載理論值

        目前常用鋼管樁外徑相同,僅壁厚變化,許用荷載計(jì)算模型簡(jiǎn)單示意如圖1。

        圖1 軸向許用荷載計(jì)算模型Fig.1 Calculation model for axial allowable load

        假定撓度曲線為:

        計(jì)算截面處彎矩:

        彎曲應(yīng)變能:

        壓力做功:

        令 ΔU =ΔT ,有:

        樁頂軸向許用荷載理論值:

        樁底軸向許用荷載理論值:

        其中:iW∑為計(jì)算截面以上樁重,單位kN。

        2 軸向許用荷載

        API RP 2A-WSD[1]軸向許用應(yīng)力的計(jì)算公式是根據(jù)歐拉公式和 AISC[4]規(guī)范提出的,本文采用能量近似法計(jì)算樁頂許用荷載,根據(jù)AISC規(guī)范:

        當(dāng)Fe≥0.44F時(shí):Fcr=0.658(Fy/Fe)×Fy

        當(dāng)Fe<0.44Fy時(shí):Fcr= 0.877×Fe

        其中:Fa為允許軸向應(yīng)力,單位 MPa;Fe為允許軸向應(yīng)力理論值,單位 MPa;Fcr為允許軸向應(yīng)力臨界值,單位MPa;Fy為鋼材屈服應(yīng)力,單位MPa。

        計(jì)算截面處軸向許用荷載:

        當(dāng)Fe≥0.44Fy時(shí),Pall,TM=0.658(Fy/Fe)×Fy×A /1.67

        當(dāng)Fe<0.44Fy時(shí),

        其中:A為樁橫截面積(取與最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)處橫截面積),單位 m2。

        3 彎曲許用應(yīng)力

        純彎時(shí)彎曲許用應(yīng)力 Fbend,根據(jù) API RP 2AWSD[1]公式3.2.3-1(a~c)計(jì)算得出。

        對(duì)于壓彎構(gòu)件,彎曲許用應(yīng)力需要考慮軸向應(yīng)力的影響,彎曲許用應(yīng)力Fall計(jì)算公式如下:

        其中:UCax為軸向力產(chǎn)生UC值。

        4 應(yīng)力校核方法

        樁自由站立時(shí)承受豎向壓力及彎曲應(yīng)力,為壓彎構(gòu)件,根據(jù) API RP 2A-WSD公式 3.3.1-(1-2),考慮樁身荷載的影響,校核如下:

        屈曲校核:

        屈服校核:

        其中:σx為軸向壓應(yīng)力,單位MPa;Pi為計(jì)算截面承受軸向荷載,單位 kN;Cm為彎矩折減系數(shù),取 1.0;σby、σbz為彎曲應(yīng)力,單位MPa;Fbend為純彎時(shí)彎曲許用應(yīng)力,單位 MPa;U Cax為軸向壓力產(chǎn)生 UC值;UCbend為彎曲應(yīng)力產(chǎn)生 UC值;U Ccomb為自由站立組合應(yīng)力產(chǎn)生UC值。

        其他符號(hào)同前文。

        5 自由站立分析計(jì)算工程實(shí)例

        考慮一座導(dǎo)管架固定式平臺(tái)所在水域的海圖水深為-91.1,m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)127,m,樁徑2.438,m,最終貫入深度為 105,m,進(jìn)行樁自由站立分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為:

        ①安裝時(shí),海上的環(huán)境條件:

        波浪:Hmax=2.6,m;Tmax=6.35,s。

        流速:海底為 0.3,m/s;中層為 0.3,m/s;表面為0.6,m/s。

        ②壓樁所用錘為 MENCK MHU800S,錘特性見表 1。

        表1 錘特性表Tab.1 Hammer parameters

        ③計(jì)算鋼樁自由站立長(zhǎng)度及傾角,自由站立長(zhǎng)度105.9,m,樁傾斜角度 0.7 °。

        ④鋼樁分段,詳見表2。

        ⑤計(jì)算模型及計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[2]。

        ⑥計(jì)算分析程序。

        樁錘系統(tǒng)建模和樁應(yīng)力計(jì)算采用美國(guó)BENTLEY公司的SACS程序進(jìn)行。許用應(yīng)力的計(jì)算以及應(yīng)力校核采用Excel編制程序計(jì)算。

        ⑦計(jì)算結(jié)果詳見表3。

        選取某工況進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果詳見表3、4。

        表2 鋼樁分段Tab.2 Pile parameters

        表3 計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results

        表4 計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results

        ⑧計(jì)算結(jié)果對(duì)比。取相同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算工況,將本文計(jì)算方法所得計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]計(jì)算方法所得結(jié)果相比較,詳細(xì)結(jié)果見表 5。從計(jì)算結(jié)果可以看出,利用文獻(xiàn)[2]計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)不滿足要求,需要增加壁厚或加大樁徑;而按照本文考慮實(shí)際壁厚沿樁長(zhǎng)分布的能量近似法計(jì)算,現(xiàn)有樁段設(shè)計(jì)能夠滿足自由站立強(qiáng)度校核要求,優(yōu)化效果明顯,節(jié)省了工程費(fèi)用。

        6 結(jié) 論

        本文依據(jù)鐵木辛柯彈性穩(wěn)定理論,采用能量近似法,在進(jìn)行深水長(zhǎng)樁自由站立軸向許用荷載計(jì)算時(shí),考慮鋼樁壁厚的實(shí)際分布,改進(jìn)了現(xiàn)有的自由站立計(jì)算方法。工程實(shí)例表明:按照改進(jìn)后的計(jì)算方法計(jì)算軸向許用荷載,可以減小鋼樁壁厚,樁重也相應(yīng)減小,節(jié)省了工程費(fèi)用;自由站立樁段壁厚變化越大,優(yōu)化效果越明顯?!?/p>

        表5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of calculation results

        [1]American Petroleum Institute.Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].API RP 2AWSD,21st Edition,2007.

        [2]侯濤,張孝衛(wèi),劉洪濤,等.鐵木辛柯彈性穩(wěn)定理論在深水樁自由站立分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2010,25(2):34-38.

        [3]鐵木辛柯 S P,蓋萊 J M.彈性穩(wěn)性理論第二版[C].北京:科學(xué)出版社,1965.

        [4]American Institute of Steel Construction INC.Specification for Structural Steel Buildings[S].13th Edition,2005.

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