毕业设计（论文）-渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计.doc

渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 渤海埕岛油田三桩腿平台设计学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院海洋工程系 专业年级 船舶与海洋工程2010级 论文答辩日期 2014年 06 月 10 日 中 国 海 洋 大 学渤海埕岛油田三桩腿平台设计摘 要 导管架平台具有研究成熟设计建造成本低的特点，适用于浅海海域的油气开采。本次设计是在渤海埕岛海域设计建造一座三桩腿平台，其设计海洋环境条件采用的是葫芦岛水文观测站附近的水文条件，该三桩腿平台的设计年限为15年。由于该油田属于边际油田，其开发经济价值不大，所以该平台采用三桩腿简易平台设计方案。 本文介绍的平台设计采用ANSYS有限元分析软件 ，该软件广泛用于海洋工程的设计。主要设计内容包含如下几点，依据海域环境水文条件计算平台所受的环境载荷;在各种环境条件下对导管架平台进行静力和动力分析，并进行地震响应分析；计算导管架平台桩基承载力，保证导管架平台桩基有足够承载能力;根据平台的计算结果大小不断调整平台尺寸，最后在保证平台结构稳定的条件下，使平台所耗材料最少。关键词：环境载荷；静力分析；动力响应；ANSYS软件Bohai Oilfield three CHENGDAO leg platform designAbstractIn marine development, especially the development of shallow water, jacket platforms are widely used in various countries form. The design is in the Bohai Sea CHENGDAO designed and built a three-leg platform, its design is used in marine environmental conditions and hydrological conditions Huludao hydrological observation stations near the three-leg platform design life of 15 years. As the oil belongs to marginal fields, the development of economic value is not, so the platform uses three simple leg platform design. This paper describes the design of the platform using ANSYS finite element analysis software, which is widely used in marine engineering design. The main design elements include calculating jacket platform subjected to environmental loads under ambient conditions; under various environmental conditions on the jacket platform for static and dynamic analysis and seismic response analysis; calculate the bearing capacity of pile jacket platform, ensure there is enough pile jacket platform carrying capacity; constantly adjust the size of the platform size, and finally get a reasonable structure, minimal design cost computing platform based on the results.Keywords: environmental loads;static analysis; dynamic response; ANSYS目录渤海埕岛油田三桩腿平台设计1摘 要2目录4第一章 前言61.1 选题背景和依据7第二章 环境条件92.1 导管架平台主要功能92.2 环境条件92.3 设计标准112.3.1平台用途和主要功能112.3.2使用年限112.3.3平台用钢材112.3.4依据规范112.4 平台主尺度112.4.1 设计要求：112.4.2 导管架尺寸：11第三章 环境荷载133.1 荷载计算133.1.1 固定荷载133.1.2 活荷载133.1.3 环境荷载133.2 荷载组合17第四章 建立有限元模型184.1 ANSYS单元划分184.2 模型计算184.3 有限元模型建立19第五章 平台整体结构静力分析255.1 平台位移255.2 平台应力强度校核27第六章 平台结构动力分析316.1 模态分析316.2 平台瞬态响应336.2.1 求阻尼系数、336.2.2 波浪载荷下瞬态动力分析34第七章 桩基承载力校核377.1 轴向承载力校核377.1.1 轴向承载力计算公式377.1.2 轴向承载力计算结果397.1.3 轴向承载力校核40第八章 地震作用418.1地震作用理论418.1.2反应谱理论418.2 ANSYS地震分析法418.3 导管架平台在荷载作用下的动力响应41参考文献45致谢46第一章 前言在改革开放以来，中国的发展取得了巨大的成果，但与此同时，中国也面临着能源危机。由于我国陆地上的油田开采殆尽，因此我们必须寻找新的石油来源，以满足我国高速发展的需要。我国有丰富的海洋资源，根据信息发现显示，我国海洋中有2.5亿吨的石油储备，这为我国未来的快速发展提供了有力能源保障。但同时，海上石油和天然气开发是一个高风险高技术的项目，在当前全球经济低迷的情况下，如何以有限的投资来满足边际油田的开发，从而获得边际油田的最大经济效益，这是一个值得我们去研究的课题。为了满足小型和边际海上油气田的开发，同时降低制造平台的成本，我们选取建造三桩腿简易平台，以减少材料的用量。 导管架平台具有研究成熟设计建造成本低的特点，适用于浅海海域的油气开采。本次设计是在渤海埕岛海域设计建造一座三桩腿平台，其设计海洋环境条件采用的是葫芦岛水文观测站附近的水文条件，该三桩腿平台的设计年限为15年。由于该油田属于边际油田，其开发经济价值不大，所以该平台采用三桩腿简易平台设计方案。 本文介绍了利用有限元分析软件平台的设计，它被广泛应用于海洋工程设计。主要设计内容包含如下几点，依据海域环境水文条件计算平台所受的环境载荷;在各种环境条件下对导管架平台进行静力和动力分析，并进行地震响应分析；对海洋平台桩基进行承载力的计算，为保证海洋平台桩基的足够的承载能力;根据平台的计算结果大小不断调整平台尺寸，最后在保证平台结构稳定的条件下，使平台所耗材料最少。导管架平台有如下特点：（ 1 ）主支撑结构为圆筒形钢材，受力均匀，不容易受到结构性损坏。 （ 2 ）导管架平台桩腿上有外套，在恶劣的海况下也可以打桩，从而减少平台的安装成本。 （ 3 ）导管架平台可以分段建造，最后再将各个模块组合起来，减少建造周期。 本次设计主要应用有限元分析软件辅助设计，随着软件开发和计算机技术广泛应用，SACSNASTRANANSYS等结构分析软件广泛应用于海洋工程设计和制造，为海洋开发提供了便利，使海洋工程设计数字化、安全化、经济化。其中， ANSYA软件是由美国著名软件公司ANSYS公司开发研制，已经在海洋工程领域有着广泛的应用，它提供的pipe59单位，可以模拟海洋波浪海流环境，进而对结构物进行静力和动力计算。1.1 选题背景和依据 海上石油与天然气开发已经超过200年的历史，特别是近年来近海石油和天然气勘探技术的飞速发展，使得海上油气开发得到越来越多的国家重视，如今从事海洋油气开发有 39个国家（或地区）。随着浅层大陆架上的石油勘探技术飞速进展，浅海油气开发也取得了巨大的成果。 随着海洋石油的探储量越来越大，海洋工程也快速发展起来。海洋开发是继原子能开发、宇宙空间开发之后，新兴发展起来的，对国家具有十分重要的战略意义的工程。1996年我国成功的在渤海海域建造一座导管架平台，从那以后，我国的平台设计建造方面开始飞速发展，迄今为止，已经大大小小建造100多座海洋平台。 随着陆地上的石油资源枯竭，越来越多的国家将目光转向海洋。在我国提出海洋强国战略目标之后，我国在海洋工程领域取得了一系列重大成就，同时各种海洋结构物也孕育而生。目前为止，在浅海海域大陆架地区，最广泛采用的是导管架平台形式。实践证明，导管架平台是浅海海域油气开发最有效的形式。导管架平台是利用桩腿侧面与土壤的摩擦力以及桩端承载力来支撑整个上部结构。导管架平台的主要构造特点是采用钢制框架结构，立柱承重，结构抵抗横向弯矩，钢桩基础打入海底深处。工作时的导管架平台，在承受上部模块和钢桩自重以外，还受到诸如风载荷、波浪载荷等环境载荷。本文以渤海海域为例，介绍了浅海15米水深导管架平台设计中的强度校核方法，包括以下几个内容：1 环境条件和设计依据的确定2 平台选型、主尺度和构件尺寸的确定3 环境载荷计算及各工况载荷的组合4 建立ANSYS模型5 平台静动力强度校核6 地震载荷下强度校核7 桩基承载力计算 第二章 环境条件2.1 导管架平台主要功能 本文设计的导管架平台为三桩腿简易平台，用于埕岛海域边际油田的开采，包括甲板、桩腿、导管架等部分。平台上部模块重量为200t。2.2 环境条件 （1）设计水深： 15.0米 （2）潮位：以渤海平均海平面为基准 设计高水位： 3.48米；校核高水位： 4.68米 设计低水位： -3.02米；校核低水位: -4.05米 （3）波浪（50年重现期） 设计高水位最大可能波高： 3.2米；对应周期： 7.8秒 校核高水位最大可能波高： 5.1米；对应周期： 8.2秒 （4）海流表层流速： 136cm/s中层流速： 123cm/s底层流速: 109cm/s （5）风速（50年一遇） 风速： 50年一遇10分钟平均风速 25.0m/s （6）海冰： 设计冰厚（50年一遇）： 0.45m 抗压强度： 2300kPa （7）腐蚀和磨损：飞溅区构件腐蚀裕量： 3mm；飞溅区定义标高： -2.83m-3.98m冰接触区构件磨损量： 1mm；冰接触区标高： -1.14m+1.93m- 49 -（8）土壤条件 表2.2土壤条件土壤层号土壤名称深度m有效容重KN/m3设计抗剪切强度C(Kpa)1非常软粉质粘土04.87.182软粉质粘土4.8-10.98.98-353砂质粉砂10.9-15.19.4f=47.8kPaq=1.9MPa4细砂15.1-18.69.9f=81kpq=4.80Mpa5硬粉质粘土118.6-22.99766粉质细砂22.9-24.624.6-27.027.0-29.29.59.59.5f=81kpaq=4.80Mpa7细砂29.2-56.49.9f=96kPaq=9.6MPa8非常硬粉质粘土56.4-62.59.61209粉质细砂62.5-74.110.8f=96kPa，q=9.6MPa10非常硬粉质粘土74.1-94.69.61502.3 设计标准 2.3.1平台用途和主要功能 平台主要功能是在浅海如渤海锦州地区进行石油开采。2.3.2使用年限设计使用年限为 15 年。2.3.3平台用钢材导管架和桩基钢材所用D32钢材，甲板采用Q235钢材，据浅海固定平台规范，各钢材的屈服应力及许用应力如下表所示：D32Q235屈服应力315MPa235MPa许用应力189MPa141MPa2.3.4依据规范依从CCS浅海固定平台规范规范。2.4 平台主尺度2.4.1 设计要求：平台甲板采取12m14m方形结构：平台甲板采用板、梁结构，面积为12m14m，甲板板厚为 8mm ，Y向设5根主梁，X向设4根。考虑环境条件，决定采用摩擦桩基础三腿导管架平台：平台甲板高程：7.0m 工作点高程：5.5m2.4.2 导管架尺寸：表2.3 导管架设3层水平横撑水平横撑位置边长上部工作点附近处EL+4.60m8.38m中部EL-4.00m10.5m底部EL-15.00m12.72m表3.3 导管架结构尺寸桩腿导管水平横撑斜撑1200255502061030 根据规范要求：导管架平台斜度为1/10，潮差带不设斜撑，导管架底部设置防沉板，防沉板厚度为8 mm。则取桩壁厚为30 mm t=6.35+1000/100=16.35 mm。第三章 环境荷载3.1 荷载计算3.1.1 固定荷载 平台固定荷载包括两部分及导管架结构重量和上部模块重量，导管架结构重量包括导管架、钢桩、甲板组块以及其它平台附属结构的自重。水面以下的结构自重以等效自重计算，由ANSYS自动计算。上部模块重量根据平台详细设计提供的设备布置图确定，包括设备以及设备支撑的重量。甲板上部模块重量为200t，在ANSYS计算模型中上部模块对结构强度影响较小，因此没有建立上部模块模型，采取集中荷载的方式，加载于三根桩腿上。3.1.2 活荷载 活荷载包括设备中的液体,人员活动等，由于该荷载相对其他荷载较小，因此在计算时忽略该部分荷载。3.1.3 环境荷载（1）风荷载 作用于平台上的风载荷按下式计算： F=0.0473V2CsA 式中: F风荷载,N; V设计风速,km/h; Cs结构形状系数; A结构物迎风面积,m2。平台在海面以上部分在10米以下，因此风速在高度上没有变化。极端波浪工况和极端海冰工况均采用50年重现期的十分钟平均风速。Cs取值按浅海固定平台规范中的规定确定：大平板1.0甲板以下暴露的梁和桁材1.3钻井架1.25圆柱0.5表3.1 X方向风荷载计算结果分段结构ChCsF(kN)风力作用点M(kNM)上部模块1121.817.0259.74桩腿10.52.0463.50横撑10.51.7734.60表3.2 Y方向风荷载计算结果分段ChCsF(kN)风力作用点M(kNM)上部模块1121.817.0-259.74桩腿10.52.0463.50横撑10.51.484.60注：风荷载相对波浪和海冰荷载对平台总体结构的影响较小，因此在用ANSYS模拟计算时，将风荷载简化。其中上部模块的风荷载根据资料简化为一个集中力和一个弯矩，桩腿的风荷载简化为一个集中力。（2）冰载荷 导管架平台上的海冰作用荷载采用规范中的Korzhavin公式计算: 式中： 桩柱形状系数，对圆截面柱采用0.9； 局部挤压系数，根据中国船级社规范挤压系数K1=2.5； 桩柱与冰层的接触系数，接触系数K2=0.45； 桩柱宽度（或直径），b为1.2m； 冰层计算厚度,冰层厚度为0.45m。由渤海环境条件：2300kPa；冰荷载计算结果整个导管架平台受到的冰荷载为：330.92.50.401.20.452300=3351kN因为海平面处桩腿间距离大于8倍桩径，因此不考虑群桩效应。（3）波浪、流载荷该设计平台的桩径远小于波长，D/L远小于0.2，从而按照小尺寸结构物计算平台波浪力。设计海域水深为15 米，采用STOCKS 五阶波理论计算。平台波浪力计算采用Morison公式： F垂直构件轴线方向上的单位长度的水动力矢量,N/m; FD垂直构件轴线方向上的,在构件轴线和u平面内的单位长度上的阻力矢量, N/m;FI垂直构件轴线方向上的,在构件轴线和du/dt平面内的单位长度上的惯性力矢量, N/m; Cd阻力系数，根据CCS建议，对 对于圆柱体构件取为0.7; Cm惯性力系数，对圆柱体构件取为2.0; W海水重度,N/m3; g重力加速度,m/s2; D构件的直径(包括海生物附生),m; u垂直构件轴线的水质点的速度分矢量,m/s，水质点的速度和加速度采用流函数理论计算; |u|u的绝对值 du/dt垂直构件轴线的水质点的加速度分矢量,m/s2。海流作用在导管结构上的作用力可采用浅海固定平台规范中的计算公式: 式中： 阻力系数； 海水密度，kg/m3； V设计海流速度，m/s； 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，m2/m。V采用平台所在海域海流最大值。 波浪海流荷载计算结果ANSYS程序中，提供了能够计算杆件在波浪海流作用下的pipe59单元，可以计算导管架在海洋中的受力情况，在完成ANSYS建模后，将海洋环境数据输入ANSYS提供的水表之中，ANSYS将按照所用波浪理论计算导管架波流力。根据波浪要素波高与水深比值大于0.2（H/d0.2），选用STOCKS五阶波进行计算。 STOCKS 五阶波理论是假设海浪波的振幅是在一定范围，用该波浪理论可以求边界条件或波动方程不为线性的波浪作用力，它是将非线性的波浪由线性的正弦余弦函数叠加替代，其波浪水质点运动轨迹近似为圆形，运动方向有一段很小的位移，在计算波浪力时阶数越高计算步骤越复杂。3.2 荷载组合 荷载组合按CCS规范中建议的做法进行,平台结构计算按照最不利的情况计算。平台荷载包括环境荷载和固定荷载,荷载组合有以下几种形式:表3.3 组合工况工况作用方向风浪流冰结构自重上部设备重量1029030490第四章 建立有限元模型有限元分析方法的核心思想是将连续的结构划分为若干个单元，各个结构单元之间由节点连接在一起，从而可以将整体结构看成是由若干个单元组成的集合体。ANSYS是由美国公司开发的一款著名的仿真软件(Computer-aided engineering software,CAE),ANSYS广泛应用于工程设计的各个领域，它提供了多种计算机仿真方案，在海洋工程中ANSYS为海洋结构物设计提供了各种结构单元，它能使海洋结构物在建造之前前进行严格的、虚拟的分析。4.1 ANSYS单元划分导管架平台的不同位置受力情况也有很大差别，因此我们需要对导管架平台各个部位进行单元划分，划分结果如下；表5.1 ANSYS单元分配ANSYS单元类型导管架平台结构Pipe16海面以上泥面以下导管架构件Pipe59海面以下泥面以上导管架构件Beam4甲板梁Mass21上部模块等效质量4.2 模型计算 结构模型化的过程中，为了简化桩腿计算，将钢桩导管架和插入装简化到最外面一层，将桩厚度改为等效壁厚。对圆管杆件，惯性矩IZ的计算公式： 式5、1 式中：D管的外径； d管的内径。由刚度等效，得出： 式5、2设等效后的单元的外径D、内径d；导管架的外径D1、内径d 1；桩腿的外径D2、内径d 2。取D= D1由得出：即d4d14+d24 + - D24（5.6）代入数据得出d4=11504-（10004-9604）=1.5681012 d=1119.1mm则可得到等效壁厚为 t(1200-1119.1)/240.5mm4.3 有限元模型建立）几何模型建立由水深条件和设计要求，计算各关键点的位置坐标，在ANSYS程序modeling模块中输入对应的坐标以建立关键点。本文所涉及的平台几何模型一共建立了34个关键点通过ANSYS绘制出这些关键点。绘制关键点的命令为“PreprocessorModelingCreate Keypoints In Active CS”，然后通过操作镜像绘制出其他位置的关键点“Preprocessor Modeling Move/Modify Keypoints”。表5.2 部分关键点坐标NO.X，Y， Z LOCATION1707.02047.030-47.04705.55045.560-45.5710.050-258-1.536.61-259-1.536.61-25 199.050-15 20-1.055.82-1521-1.055.82-15 ）链接关键点，绘制出导管架平台的几何模型根据之前所绘制的关键点创建平台管架直线的命令是： “Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines”。图5.1 ANSYS建立的导管架平台几何结构） 单元类型和实常数 定义单元类型：该导管架一共包括四种单元模型，其中导管部分应用pile16和pipe59单元，还包括甲板梁结构单元beam4，以及质量点单元mass21,定义单元的命令为“Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select”。定义单元实常数：在选择所需要的导管架结构单元类型以后，定义合个单元的尺寸操作为“ Preprocessor Real Constants Add select Type * OKinput ”，根据设计要求选择所需单元类型。 根据平台设计要求，本次设计平台一共定义8中结构单元类型（Set 1Set 8），各个单元分配如下图所示：表4.3 单元实常数编号Set 1Set 2Set 3Set 4Set 5Set 6Set 7Set 8单元类型Pipe 59Pipe59Pipe 59Pipe 16Pipe 16Pipe 59Beam4Mass21外径DO(m)1.20.550.3511.20.61壁厚TWALL(m)0.04050.020.020.030.04050.03表4.4 Pipe 59的其他常数值拖曳力系数CD惯性系数CM附加质量比CI浮力比CB内部流体密度DENSO(kg/m3)1.4211表4.5 Beam 4实常数输入截面Y向宽（m）截面Z向高(m)截面面积(m)Y轴惯性矩Z轴惯性矩0.20.30.060.00020.00045 表4.6 Mass 21实常数X方向质量MASS-X (kg)Y方向质量MASS-Y (kg)Z方向质量MASS-Z (kg)666676666766667(建模过程中将上部模块重量等效为三个质点，分别作用在三根桩腿上)）材料属性 由平台选用钢材，有材料属性为： 弹性模量EX：2.07e+11（N/） 泊松比PRXY：0.3密度DENS：7800（kg/m3） 由ANSYS命令“Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX：2.06e11， PRXY：0.3 OK”定义导管架平台所用钢材的属性，包括泊松比和惯性系数。 定义材料的密度：由规范可得常用平台钢材密度，在进行计算机模拟分析的时候必须定义材料密度以进行静力和动力分析，定义密度的操作为“Preprocessor Material Props Material Models Structural Densityinput DENS：7800 OK”定义water table：由海洋水文资料，本次设计用葫芦岛水文站水文资料，由此定义浪流参数 各环境参数如下： 波浪理论Stokes五阶波理论（water table中定义为2）； 水深15m; 海水密度1028k; 海流表层流速：1.36m/s；中间层流速1.23m/s；底层流速1.09m/s； 波浪波高5.1m；周期8.2s。 其中，在导管架平台强度校核验证时，假设环境为极端环境条件，及d(j)（流向角）和w（波向角）大小方向完全一致。最后定义结果如图所示：图5.2 water table参数设置 ）定义重力加速度ANSYS提供的加速度定义的方向可以是任意的，但是实际设计过程中只有z方向加速度，定义命令为“Solution Define Loads Apply Structural Inertia Gravity Global”，然后再z向加速度栏里填入9.8。）划分网格在完成模型绘制和实常数定义之后，需要对模型划分计算单元（Mesh），在本模型中包括点和线，在划分完成后得到的是管单元和集中质量点单元。在完成定义实常数等操作之后，划分网格由ANSYS程序自动完成。将定义的单元类型赋予几何模型在定义完结构单元类型之后，将这些结构单元定义给导管架平台几何模型的各个结构，定义操作为“Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines: Set ”，选择对应的点和线。ANSYS划分计算网格在ANSYS程序中默认划分网格的精度为“6”，通常我们计算所需精度也就是“6”。选择“mash”对之前定义的点和线划分网格。最终生成模型如下图：图5.3 平台有限元模型第五章 平台整体结构静力分析5.1 平台位移使用 ANSYS 对平台结构进行整体静力分析，划分网格之后对模型求解，选择“Solution SolveCurrent LS”，对导管架模型求解完成。然后分析导管架的应力和应变。表6.1 平台在各个环境作用组合下的最大位移工况荷载组合X方向位移（cm）Y方向位移(cm)合位移(cm)波流工况(1）波流力+风力在x方向8.420.238.70波流工况(2）波流力+风力在y方向0.564.875.40海冰工况(1）冰流力+风力在x方向13.540.1913.73海冰工况(2）冰流力+风力在y方向0.209.8910.86各荷载组合位移图如下： 图5.1 波流荷载1）位移图图5.2 波流荷载(2）位移图图5.3 海冰荷载（1）位移图图5.4 海冰荷载（2）位移图由程序计算结果可得；导管架平台的x方向最大位移在平台顶部发生在海冰荷载（1），为13.54cm；导管架平台的y方向最大位移在平台顶部发生在海冰荷载（2），为9.89cm；同时，对于导管架平台，位移主要是发生在环境荷载作用力的方向上，在垂直荷载作用力的方向上位移较小。5.2 平台应力强度校核在完成平台静力分析之后，可以输出应力云图，比较各个组合工况下的最大应力可以确定最大应力的大小和对应的组合工况。表6.2 平台在各个环境作用组合下的最大应力组合荷载作用方向单元最大应力（MPa）波流荷载（1）风波流x方向44波流荷载（2）风波流y方向23海冰荷载（1）风冰流x方向212海冰荷载（2）风冰流y方向193 图 5.5风波流组合荷载（1）应力云图图5.6 风波流组合荷载（2）应力云图图5.7 风冰流组合荷载（1）应力云图图5.8 风冰流组合荷载（2）应力云图表6.3 海冰荷载（1）作用下的结构应力构件名称形常数单元编号屈服强度(MPa)静应力(MPa)应力比桩12002514315670.212233151120.35532315400.00510315420.12719315640.20328315470.149983152.10.0061023154.20.0131033150.470.001导管架斜撑610306831510.50.0337231529.80.0947831588.20.2808431556.30.178导管架横撑550204131522.30.0704831538.50.1225431510.00.0316631534.60.109 由最后计算结果可知，各种荷载组合情况下均能满足平台设计条件，其中，单元应力最大的荷载组合是海冰工况（1）x方向的冰流力+风力，上表列出的是各杆件应力最大结构单元的平均应力。在考虑安全系数为0.8的情况下，该设计能够满足强度和稳性要求。上表可知，该工况下平台最大应力点出现在桩腿和横撑斜撑连接处，单元号为23，应力比为0.355。第六章 平台结构动力分析6.1 模态分析在绘制出ANSYS模型之后，它提供结构模态分析功能，由此可以用计算机计算出设计平台的自振频率。按照菜单路径：“PreprocessorSolutionAnalysis typeNew analysisAnalysis Options”中选择subspace，程序就能自动计算处平台频率。由ANSYS计算出平台前六阶频率如下： SET TIME/FREQ 1 1.2218 2 1.2584 3 1.3988 4 2.3264 5 2.7605 6 3.5061 其中，平台最大自震周期为一阶模态，震动周期为0.8s，根据设计条件，渤海波浪周期一般情况下为3s8s，因此平台不会出现共振。前三阶阶模态震动方向分别沿X、Y、Z向：图6.1 一阶模态振型 图6.2 二阶模态振型 图6.3 三阶模态振型6.2 平台瞬态响应在建立导管架平台之后，按照UCI路径：“ PreprocessorSolutionAnalysis typeNew Analysis，中选择transient。在soln controls中输入以下数据，time at end of loadstep,5-6倍周期，Number of substeps,50，选择user selected 并且选择所有项目。在第二项中输入ALPHA和BETA的选项中分别输入下面求出的值和值。6.2.1 求阻尼系数、在使用ANSYS软件对结构物进行动力响应分析之前必须对结构物进行阻尼计算，现在最常用的方法是瑞利阻尼，它的中心思想就是将刚度矩阵和质量矩阵组合。（7.1）Rayleigh阻尼中，阻尼系数、分别按照如下公式计算： 上式中、为结构一阶和二阶频率。 规范中给出，导管架的阵型阻尼比取2求出：则6.2.2 波浪载荷下瞬态动力分析 对平台进行波浪荷载下瞬态动力分析，则不考虑海流的影响，将水表中海流的参数清除，留下波浪作用参数。 动力计算结果:下面用ANSYS程序分析导管架结构在波浪作用下其桩腿顶点的瞬态响应。在水表中保留波浪数值，波浪为50年一遇，波高5.1m，周期8.2s。设置时程分析结束时间为100s，时间间隔为0.2s。该部分利用命令流输入，如下： *DO,I,10E-12，100，0.2 !设定结束时间及子布时间开始循环计算 TIME,I !循环计算结束时间 OUTPES,ALL,ALL !输出结果设置 SOLVE,SAVE !执行求解并保存 *ENDDO !结束循环求解计算波浪为x方向射入的平台动力响应如下图所示：以桩腿顶点3号关键点为观察对象，绘制出桩腿顶点的时间位移曲线，观察平台x方向位移响应。(时间：S)图6.4 桩腿顶点的时间位移曲线 绘制平台结构上以结构弱点处的应力时程曲线，观察结构弱点处应力变化情况，(时间：S)(应力：Pa)图6.5 结构弱点处的应力时程曲线结论：由图可知，在x方向波浪作用下，平台的最大位移为0.25cm。由图可见，在导管架平台瞬态动力响应分析中，海洋平台结构弱点处结构为60MPa315MPa,满足结构设计要求。第七章 桩基承载力校核7.1 轴向承载力校核 海洋石油导管架平台的桩基基本上都是采用打入的方式插入海底土某一深度处。海洋泥面处承载能力有限，对导管架平台平台与泥面接触面积有限。因此平台需设置桩基础来承担上部重量，导管架主要依靠桩腿与土层间摩擦力来承载重力。因而，桩腿的承载能力与地质条件、桩腿尺寸密切相关。导管架桩腿在轴向承压过程中发生破坏有两种情况，第一种是桩腿受到的摩擦力不够，第二种是桩腿受压破坏。7.1.1 轴向承载力计算公式受压桩的极限承载力Qd可用下式计算: 式中:桩侧摩阻力,kN;总的桩尖阻力(应不大于土塞承载力),kN;第i层土的单位面积侧摩阻力,KPa;第i层土中的桩侧面积,m2;单位面积桩尖阻力,KPa;桩尖毛面积,m2。1.土壤粘性较大时桩的单位面积侧摩阻力和桩尖阻力可由下式选择计算：(1)粘性土中桩的单位面积侧摩阻力可按下式计算: Kpa 式中:系数,；不排水抗剪强度,KPa。系数依据公式计算得出:当时,当时, 其中:有效上覆压力,KPa。(2)对于桩腿桩尖处的阻力计算由规范可得：桩尖阻力为该土层不排水抗剪强度的9倍。2.对于砂质土侧摩阻力和桩尖阻力由土力学给出的公式计算:(1)岩土力学砂性土侧摩阻力计算公式: 式中:土层的侧压力系数,一般为0.51.0;有效上覆压力,Kpa;桩土间摩擦角(度),可参考表9、1选用。(2)岩土力学砂性土积桩尖阻力计算公式: 式中:阻力系数。表7.1 阻力系数砂土类型内摩擦角桩土摩擦角砂353040粉质砂土302520砂质粉土252012粉土20158注:该数值运用于沙性土质。(3) 计算砂性土中的单位面积侧摩阻力和桩尖阻力时,需要考虑到桩腿埋深和土质:及 使用用上述公式到时候应该考虑到地下水对桩腿浮力作用，通常采取等效重度来进行计算。 7.1.2 轴向承载力计算结果 由导管架平台设计任务书可知导管架桩设计条件：所用桩腿直径为1m,根据海域地质条件，桩腿贯入到海底泥面以下36m由埕岛海域地质土壤条件分层计算桩腿最大摩擦承载力，结果列于表7.2中。表7.2桩的轴向承载力计算结果土层深度（m）水下比重（KN/m）不排水剪切强度（kpa）摩擦角（）（kpa）（kpa）（KN）811.358.52528.4813.3496.0911.3515.2510.08067.480.3528891.0715.2518.310.52099.5136.2900.9518.323.410.025150.570.22921.423.427.810.050194.50.4723.5843.7427.8369.025268.3125.18370.7 7.1.3 轴向承载力校核中国船级社CCS规定，为了保证海洋平台结构物基础稳定性，平台桩基承载力应满足：式中：平台对地基产生的最大竖向力； 安全系数，其取值如7.3。表7.3 安全系数K取值设计环境条件载荷情况安全系数K工作环境条件平台上固定载荷加相应的最大活载荷2.0平台上固定载荷加相应的最小活载荷极端环境条件平台上固定载荷加相应的最大活载荷1.5平台上固定载荷加相应的最小活载荷 通过之前的计算得知导管架在风冰流荷载作用下（0方向）有最大的应力，所以在此荷载组合下分析平台的桩承载力，分析结果如下。表7.4导管架底部作用力节点FX(KN)FY(KN)FZ(KN)MX(KNm)MY(KNm)MZ(KNm)