300 ft自升式平台在升起工况下桩腿强度分析

周海波

摘要：本文以某300ft自升式平台为研究对象，基于DNV SESAM对其桩蹆进行有限元强度分析。本文对桩腿结构进行了详细建模，采用WAJAC计算波浪和流载荷的水动力，风载荷根据规范计算；采用单自由度方法对桩腿进行强度分析，同时考虑动力放大效应以及二阶P-delta效应；计算出桩腿在升起工况下的最大应力，并根据规范要求对桩腿进行了强度校核。

关键词：自升式平台；桩腿强度；有限元

中图分类号：U656 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2018）025-0338-02

一、平台主要参数

本文计算选取的300ft自升式平台（Jackup）是三角形主体、三条桩腿三角桁架式结构，平台主要参数包括：船体长度、型宽、型深、桩腿横向间距、桩腿纵向间距和设计升起空船重量，分别为62.72m、56.4m、7.75m、37.2m、35.84m、6700MT。桩腿的主要参数包括：桩腿最大承载、斜撑类型、桩腿截距、弦杆距离、桩腿长度和桩靴底部面积，分别为6000MT、Reversed K、7.5m、10m、135m、175m。

二、平台结构的建模

采用SESAM软件的GeniE模块建模，桩腿采用二维梁单元模拟，主船体采用板和梁单元模拟，并对桩靴结构进行了简化。为了模拟船体真实的刚度，只对高腹板的桁架结构建模，分析桩腿强度不必对主船体进行详细建模，以减小网格数量，加快运算时间。平台的海底约束处理手段是将桩靴下表面上的结点简支。桩腿和船体的连接采用释放自由度的方法来模拟，泥土采用简支边界条件。实例计算结果表明这类方法可靠且合理，广泛应用于工程实践。

三、平台升起工况下的载荷设定

桩腿在升起工况中必须满足自存和钻井修井工况的强度要求。平台升起工况的各个工况工作载荷包括环境条件，泥土条件，重量分布等。其中自存工况假设为50年一遇环境载荷。风载荷的选取根据规范计算，浪向角从0度计算到180度。桩腿水动力系数的计算参考SNAME（4），同时考虑了海生物的生长。拖曳力和惯性力系数的取值见下表1：

对于弦杆的水动力系数，计算取三个弦杆水动力系数的平均值，取各个浪向角水动力系数的最大值。波浪理论采用斯托克斯5阶波。

四、强度分析

在计算桩腿强度时，当平台的固有周期和波浪频率比较接近时候，单自由度方法（SDOF）分析结果过于保守，动态放大载荷不可忽略；由于自升式平台结构的特殊性水平刚度比较弱当受较大的垂向载荷时则需要考虑P-delta，可以采用在主船体重心处加水平载荷的方法来模拟此二阶效应。

桩腿整体强度计算基于准静态分析方法，这种方法没有直接考虑自升式平台的动态响应，因此在分析过程中必须考虑额外的动力放大载荷，这种动态响应贯穿整个自升的工况。在采用单自由度（SDOF）方法计算动态响应会引入动力放大系数（DAF）以及惯性力。由于较大的轴向压力，桩腿梁的侧向弯曲刚度会减小，因此船体受到环境载荷的水平位移会增大。对上述风载荷、波浪动载荷分别按0度、30度、60度、90度、120度、150度、180度分配计算工况，同时考虑二阶效应水平载荷，并按上述角度分配计算工况，所得的计算工况组合同时考虑第一次计算一阶位移，以及通过计算一阶变形后再进行第二次载荷组合，进行强度分析计算。

五、强度校核及结果

1.弦杆强度校核

对于桩腿弦杆这种非圆管构建强度校核参考AISC2005规范，采用双对称或者单对称构建承受弯矩和轴向力的校核公式。参考弦杆各个工况利用率最大的两个梁单元规范校核参数，可以得到在自存1工况和正常修井工况，某些弦杆的利用率超过了1.0，因此必须对该位置的弦杆进行加强。在保证齿条长度和宽度不变的基础上加厚了弦杆的板厚，将原来40mm的圆管壁厚加厚到55mm。

2.横撑和斜撑强度校核

对于圆管校核采用API2005规范，对轴向受压和弯矩的管状构件，必须在整个长度范围内的所有点满足下面两条公式：

横撑和斜撑各个工况最大利用率的两根梁的规范校核结果如下表6：

六、结语

本文对自升式平台进行了有限元建模，其中对桩腿采用梁模型进行了詳细建模，对于船体采用简化板和梁模型，工作载荷采用缩放密度和质量点的方法来模拟。对平台在升起工况下受到的风、浪和流载荷进行了合成，同时考虑了动态放大载荷以及P-deha效应的影响，计算得到桩腿的应力后根据规范对桩腿进行校核，完成了桩腿强度和屈曲的校核。经过校核桩腿的强度和屈曲在风暴自存和正常钻井工况以及正常修井工况均满足规范要求。