張大朋，范 浩，白 勇，朱克強(qiáng)，劉科偉

1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058

2.寧波大學(xué)海運學(xué)院，浙江寧波 315211

隨著人類對石油需求的不斷增加，陸地石油資源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，因此占全球石油資源總量約1/3的海洋石油資源成為關(guān)注的焦點[1-5]。海洋平臺作為海上油氣開發(fā)的主要裝備，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。目前，對海洋石油資源的開發(fā)逐漸從淺海到深海，從簡單地質(zhì)到復(fù)雜地質(zhì)擴(kuò)展，這要求海洋平臺能夠適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境，因此也對海洋裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高要求。

樁靴是支撐自升式平臺的最主要構(gòu)件之一，樁靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響平臺工作的安全性。板和加筋板是樁靴的主要構(gòu)件，當(dāng)受到的載荷超過一定值時，板和加筋板的破壞以及板的失穩(wěn)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終破壞。因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中需要同時考慮屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。本文結(jié)合某高度為106.68 m平臺的樁靴參數(shù)，通過必要簡化，使用ABAQUS軟件，建立5種載荷作用條件下樁靴的靜力學(xué)分析模型，并進(jìn)行有限元計算。利用所得計算結(jié)果對樁靴的主要支撐構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，同時結(jié)合計算結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計提供參考意見。

1 有限元建模

自升式平臺帶有能夠自由升降的樁腿，作業(yè)時樁腿下伸到海底，站立在海床上，利用樁腿托起船殼，并使船殼底部離開海面一定的距離（氣隙）。自升式平臺由平臺主體結(jié)構(gòu)、樁腿及升降機(jī)構(gòu)組成，其中自升式鉆井平臺的主船體部分是一個水密結(jié)構(gòu)，用于承載設(shè)備，以實現(xiàn)鉆井采油功能。當(dāng)其浮于海面上時，主船體部分產(chǎn)生的浮力用于平衡樁腿、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等的重力[6]。本文的研究對象是平臺的水下樁腿支撐結(jié)構(gòu)。

通常情況下，通過對實體建模進(jìn)行靜力學(xué)計算，但在劃分網(wǎng)格時，由于實體加入了構(gòu)件的板厚和桿件的截面厚度，導(dǎo)致對板厚進(jìn)行網(wǎng)格劃分時容易出現(xiàn)錯誤，由此導(dǎo)致計算不易收斂。因此采用先利用Solidworks軟件建立樁靴殼單元幾何模型，而后導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，再在ABAQUS中設(shè)置結(jié)構(gòu)所需要的板厚和桿件截面的方法進(jìn)行計算[7-10]。采用有限元分析軟件劃分網(wǎng)格時，對不連續(xù)的小構(gòu)件劃分網(wǎng)格較為困難。同時在分析過程中會增加計算時間和不收斂機(jī)率。因此在創(chuàng)建模型時，對結(jié)構(gòu)開孔、肘板、樁靴與樁腿的過渡等部位做了必要簡化。樁靴有限元分析模型如圖1所示。

圖1 樁靴有限元分析模型

2 樁靴所受的載荷

本文分析了5種載荷條件，包括預(yù)壓載工況、偏心工況、風(fēng)暴工況，其中預(yù)壓載工況包括3種不同的載荷形式。

2.1 預(yù)壓載工況

預(yù)壓載工況模擬樁靴逐漸進(jìn)入海床的情景，樁靴的底板與海床接觸的面積逐漸增加，本文取3種接觸直徑來模擬這個過程，支撐面積是繞中心分布的從最初最小滲透面積，到最終的埋置狀態(tài)面積。預(yù)壓載的3個工況分別為LC1、LC2、LC3，與之對應(yīng)的接觸直徑為3.048、9.114、15.6 m。工況LC1到LC3所受的外載均為84 710 kN。

2.2 偏心工況

海底地貌變化多樣，樁靴與海床不可能完全接觸，時常出現(xiàn)樁靴一部分與海床接觸，另一部分沒有與海床接觸的偏心現(xiàn)象。為了模擬偏心現(xiàn)象對樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，將樁靴承受到的最大支反力均勻加載在樁靴底部50%的受力面積上。其中最大支反力為84 710 kN。

2.3 風(fēng)暴工況

風(fēng)暴工況是指平臺在遭受極端惡劣環(huán)境作用的條件下，停止工作能夠自保的狀態(tài)。在風(fēng)暴工況中，樁靴受最大的垂向作用力、水平作用力以及最大的樁腿下導(dǎo)向處50%的彎矩。模擬風(fēng)暴工況下結(jié)構(gòu)所受的載荷見表1。

表1 風(fēng)暴工況載荷

3 結(jié)構(gòu)材料特征

由于平臺所處環(huán)境惡劣，所受載荷變化較大，對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，因此所選材料需要擁有足夠的強(qiáng)度。不同的板厚需要采用相應(yīng)強(qiáng)度的鋼材。其中對20 mm以下（包括20 mm）板厚的板材選用AH36型鋼，20～40 mm板厚的選用DH36型鋼，超過40 mm、小于100 mm板厚的選用EH36型鋼，而對于主要支撐構(gòu)件則選用EQ系列超高強(qiáng)度鋼。所選材料屬性見表2。

表2 結(jié)構(gòu)選用材料屬性

4 屈服強(qiáng)度校核結(jié)果

選取樁靴的主要支撐構(gòu)件進(jìn)行分析，通過計算得出構(gòu)件在所有工況條件下的應(yīng)力值（見表3），并選取構(gòu)件在所有工況條件下的最大應(yīng)力值與結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力值進(jìn)行比對，比值小于1為合格。

表3 樁靴應(yīng)力計算結(jié)果

從表3可以看出，在預(yù)載工況中LC1工況條件下，樁靴主要支撐構(gòu)件的應(yīng)力值為最大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是，在預(yù)載工況條件下樁靴始終受垂直向下的載荷作用，而在樁靴剛開始接觸海床時樁靴與海床的接觸面積最小，使得海床對樁靴支撐面積最小，從而導(dǎo)致主要結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件應(yīng)力值最大。當(dāng)樁靴逐漸插入海床，樁靴底部與海床接觸逐漸增加，海床對樁靴的支撐面積也在增加，使得構(gòu)件的應(yīng)力值隨之下降。這說明在平臺坐入海底的過程中，樁靴剛開始接觸海床時的結(jié)構(gòu)受力最大。

從表3徑向艙壁一欄發(fā)現(xiàn)，徑向艙壁在5種載荷條件下的應(yīng)力值，較相同條件下的其他構(gòu)件應(yīng)力值都要大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：徑向艙壁支撐著樁靴的頂板和底板，此外環(huán)形艙壁1、環(huán)形艙壁2、環(huán)形艙壁3都與它相交，這使得徑向艙壁既承擔(dān)垂直方向的受力，又承擔(dān)水平方向的受力。因此徑向艙壁在所有工況條件下的應(yīng)力較其他構(gòu)件都大。

5 板的屈曲強(qiáng)度校核

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高強(qiáng)度鋼在海洋平臺上的應(yīng)用變得十分廣泛。由于高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，使得以拉應(yīng)力為主要特征的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題不再成為主要影響因素，因而結(jié)構(gòu)在同等受力條件下，采用高強(qiáng)度鋼的結(jié)構(gòu)板厚大大減小。然而板厚的減小，使得由壓應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)，構(gòu)成對結(jié)構(gòu)整體安全的挑戰(zhàn)。本文依據(jù)有關(guān)規(guī)范給出的經(jīng)驗公式，對高應(yīng)力區(qū)域的板和加筋板進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。

式中：σxmax為縱向最大壓應(yīng)力，N/mm2；σymax為橫向最大壓應(yīng)力，N/mm2；τ為邊緣切應(yīng)力，N/mm2；σcx為縱向臨界應(yīng)力，N/mm2；σcy為橫向臨界應(yīng)力，N/mm2；τc為邊緣臨界切應(yīng)力，N/mm2；η為最大許用強(qiáng)度利用系數(shù)，取0.8。屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果見表4。

6 樁靴主要構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

樁靴主要構(gòu)件的Mises應(yīng)力云圖見圖2～3。

從圖3（a）、（b）、（d）可以發(fā)現(xiàn)，在樁靴受力時，在構(gòu)件與構(gòu)件的接觸部位顏色較深，說明此處應(yīng)力值較大，當(dāng)遠(yuǎn)離接觸部位時，云圖顏色逐漸變淺，應(yīng)力值也逐漸下降。說明在同樣的載荷作用下，構(gòu)件邊緣部分和構(gòu)件與構(gòu)件接觸部分應(yīng)力較大，同時發(fā)現(xiàn)，相互接觸的構(gòu)件越多，應(yīng)力最大。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，平臺建造中最常使用對接接頭的焊接形式，而這種接頭形式使得焊趾處截面突變，結(jié)構(gòu)均勻性受到破壞。然而當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀出現(xiàn)急劇變化時，構(gòu)件局部應(yīng)力增加引起應(yīng)力集中。整個樁靴結(jié)構(gòu)是由不同厚度的板和桿件，通過焊接連接成一個整體的，而在構(gòu)件與構(gòu)件接觸部分，需要焊接的部分較其他部分較多，從而在這些區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中。觀察圖3（b）、（c）、（d） 發(fā)現(xiàn)，在環(huán)形艙壁的云圖中，顏色較深區(qū)域均按120°分布，與主要徑向艙壁分布一致。這說明徑向構(gòu)件是主要支撐構(gòu)件，并影響到與之相接處的板的應(yīng)力值。環(huán)形艙壁1～4的云圖顏色變化不明顯，說明環(huán)形艙壁所承擔(dān)的載荷較小。

圖2 樁靴頂板、底板構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

圖3 樁靴艙壁、底部三角形構(gòu)件Mises應(yīng)力云圖

7 結(jié)論

（1）從計算結(jié)果可得，所選主要支撐構(gòu)件在屈曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度方面都滿足規(guī)范要求。

（2）通過對比屈曲強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度計算結(jié)果得出：主要支撐構(gòu)件在多數(shù)載荷條件下所受作用力都較大，往往這些區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足要求，或者最大應(yīng)力值比許用應(yīng)力值小。同時在這些區(qū)域板的屈曲強(qiáng)度也較小，失穩(wěn)的可能性較大。

（3）通過屈曲強(qiáng)度計算結(jié)果得到，高強(qiáng)度鋼的采用對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較大。

（4）由于樁靴受不均勻載荷作用，導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為普遍。根據(jù)應(yīng)力云圖分析，在環(huán)形艙壁與徑向艙壁相交的部位應(yīng)力較大。建議在該相交部位使用強(qiáng)度更高的材料，以及在該部位采用圓角過渡來減少應(yīng)力集中。

（5）樁靴外板由不同板厚和不同強(qiáng)度鋼拼接而成，在板與板過渡位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。