（岩土工程专业论文）抗冰平台动力响应分析及安全可靠性研究.pdf

d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n ds a f e t yr e l i a b i l i t y r e s e a r c ho fi c e r e s i s t a n tp l a t f o r m at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：x uc h u a n j i n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a nx i a n g z h e n c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丛尘圭l 璺同期： 1 , o i l 年箩月弓1 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 切1 1 年多月1 日 r 期： 列1 年多月l 同 摘要 对于渤海海域的海洋平台来说，海冰载荷是平台设计的重要控制载荷，剧烈的冰激 振动直接威胁着平台的安全。研究发现，抗冰锥结构可有效减小水平方向冰力，而安装 了抗冰锥的海洋平台仍会发生冰激共振现象，因此有必要研究加锥平台的动力特性及安 全性能。本文通过理论指导和数值模拟手段，对抗冰海洋平台的自振特性、平台在动冰 力作用下的动力响应及安全可靠性等内容进行了系统的分析和研究。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 基于海冰环境监测信息，确定了海洋平台所处海域的冰厚、冰速、冰向和压 缩强度等海冰参数；针对海洋平台，采用c a e 技术建立了有限元分析模型，并进行平 台模态分析，得到了平台主要振型，评价平台结构系统的动态特性。 ( 2 ) 建立了有抗冰锥平台的有限元分析模型，在分析海冰与平台相互作用机理的 基础上，进行了锥体抗冰平台在海冰作用下的动力分析；得到了抗冰锥结构对海洋平台 受海冰作用力的影响规律及在减小平台冰激振动方面的影响规律；并分析了冰激振动对 上部作业人员及关键设备的影响。 ( 3 ) 针对海冰运动时的巨大推力，研究了平台在极端荷载作用下的承载能力。采 用非线性倒塌分析方法，考虑桩一土结构的非线性相互作用，建立了目标海洋平台在极 端冰荷载作用下的承载能力计算模型，进行了平台结构体系在极端冰荷载作用下的全过 程倒塌分析。 ( 4 ) 基于可靠性理论，分别建立了海洋平台在承载能力极限状态与正常使用极限 状态下动力可靠性分析模型。通过m o n t ec a r l o 分析方法并采用l a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g 技术对海冰参数、设计参数等进行随机抽样，在动力有限元分析的基础上，完成了对平 台的冰激振动可靠性分析。 关键词：抗冰平台，抗冰锥，动力响应，极限承载力，可靠性分析 d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n ds a f e t yr e l i a b i l i t yr e s e a r c ho f i c e r e s i s t a n tp l a t f o r m x uc h u a n ji n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o e y a nx i a n g z h e n a b s t r a c t i c el o a di st h ed o m i n a n tl o a do fo f f s h o r ep l a t f o r mi nt h eb o h a is e a , s e v e r ei c e - i n d u c e d v i b r a t i o nd i r e c t l yt h r e a t e n e dt h ep l a t f o r m ss a f e t y r e s e a r c hs h o w st h a ti c eb r e a k i n gc o n e c a n e f f e c t i v e l yr e d u c eh o r i z o n t a li c ef o r c e ，a n dt h ei c e i n d u c e dr e s o n a n c es t i l lh a p p e n so nc o n i c a l s t r u c t u r e s ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds a f e t yp e r f o r m a n c ef o r o f f s h o r ep l a t f o r mw h i c hh a sb e e ni n s t a l l e dt h ei c eb r e a k i n gc o n e i nt h i sp a p e r ，t h en a t u r a l v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi c e r e s i s t a n tp l a t f o r m ，d y n a m i cr e s p o n s ea n ds a f e t yr e l i a b i l i t yo f p l a t f o r mi nd y n a m i ci c ef o r c ew e r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e db ym e a n so f t h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do ns e ai c ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n ，t h ei c et h i c k n e s s ，i c ev e l o c i t y , i c ed r i f t i n gd i r e c t i o na n di c ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fs e aa r e aw e r ed e t e r m i n e d f o rt h et a r g e t o f f s h o r ep l a t f o r m ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t hc a e t e c h n o l o g y , a n d g e tm a i nv i b r a t i o nm o d e lo ft h ep l a t f o r mt h r o u g hm o d a la n a l y s i s ，t h e ne v a l u a t et h ed y n a m i c b e h a v i o ro fp l a t f o r ms t r u c t u r es y s t e m ( 2 ) f i n i t ee l e m e n tm o d a lo fp l a t f o r mw h i c hi si n s t a l l e di c eb r e a k i n gc o n ew a s e s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fs t u d yo ft h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e ns e ai c ea n dp l a t f o r m ， t h ed y n a m i cr e s p o n e sa n a l y s i so fc o n i c a li c e - r e s i s t a n tp l a t f o r mw a sc a r d e do u t h a v es t u d i e d t h ei n f l u e n c el a wo fc o n i c a ls t r u c t u r et oo f f s h o r ep l a t f o r ms u f f e r e di c ef o r c ea n dt or e d u c i n g i c e i n d u c e dv i b r a t i o no fp l a t f o r m ，a n da l s oh a v ea n a l y z e dt h ee f f e c to fi c e - i n d u c e dv i b r a t i o n o nt h eu p p e rw o r k i n gp e r s o n n e la n dk e ye q u i p m e n t ( 3 ) a i m i n ga th u g et h r u s tp r o d u c e db ys e ai c em o t i o n ，t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fp l a t f o r m u n d e re x t r a m el o a di sa n a l y z e d w i t hn o n l i n e a ra n a l y s e s ，c o n s i d e r i n gp i l e - s o i l - s t r u c t u r e n o n - l i n e a r i t yi n t e r a c t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fo f f s h o r ep l a t f o r mu n d e re x t r e m ei c el o a di s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o l l a p s i n gp r o c e d u r eo fp l a t f o r mi ss t u d i e d ( 4 ) b a s e do nr e l i a b i l i t yt h e o r y , h a v er e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cr e l i a b i l i t y a n a l y s i sm o d e lf o ro f f s h o r ep l a t f o r mi nu l t i m a t el i m i ts t a t ea n ds e r v i c e a b i l i t yl i m i ts t a t e w i t h t h em o n t ec a r l om e t h o da n dl a t i nh y p e r c u b es a m p l i n gt e c h n o l o g y , ar a n d o ms a m p i n go fi c e p a r a m e t e ra n dd e s i g np a r a m e t e r si sm a d e o nt h ef o u n d a t i o no fd y n a m i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，t h ei c e - i n d u c e dv i b r a t i o nr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fo f f s h o r ep l a t f o r mi sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：i c e - r e s i s t a n tp l a t f o r m ，i c eb r e a k i n gc o n e ，d y n a m i cr e s p o n s e ，u l t i m a t e s t r e n g t h ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 目录 第一章引言1 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 平台结构与海冰相互作用的研究现状l i 2 2 平台极限承载力分析研究现状3 1 2 3 平台冰激振动可靠性分析研究现状4 1 3 本文主要研究内容5 第二章四腿加锥抗冰导管架平台模型建立6 2 1 桩土一结构非线性相互作用6 2 1 1 p - y 曲线计算方法6 2 1 2 抗冰平台桩一土的p - y 曲线计算8 2 1 3 抗冰平台桩一土的t - z 与q - z 曲线确定1 0 2 2 建立平台三维有限元模型1 1 2 2 1 抗冰平台简介1 l 2 2 2 有限元模型建立1 2 2 3 j 、结1 4 第三章抗冰平台结构静力及动力响应分析1 5 3 1 锥体冰荷载计算理论15 3 1 1 锥体结构冰力函数确定15 3 1 2 锥体冰荷载计算方法17 3 1 3 冰力计算结果1 9 3 2 抗冰平台静力分析2 2 3 2 1 平台静力分析结果2 2 3 3 抗冰平台动力响应分析3 0 3 3 1 抗冰平台动力失效模式分析3 0 3 3 2 结构动力分析基本理论。3 2 3 3 3 四腿导管架抗冰平台动力响应分析3 4 3 4 卅、结一4 l 第四章抗冰平台极限承载力分析4 3 4 1 平台的极限承载力分析4 3 4 1 1 极限承载力准则4 3 4 1 2 初始完好平台的极限承载力分析4 3 4 1 3 各因素影晌下平台的极限承载力计算4 5 4 2 平台的确定性安全评估5 l 4 2 1 平台的储备强度与剩余强度5 l 4 2 2 平台确定性安全评估5 2 4 3 、结一5 4 第五章抗冰平台冰激振动可靠性分析5 6 5 1 海洋平台结构可靠性基本理论一5 6 5 1 1 结构的极限状态5 6 5 1 2 结构可靠度的计算方法5 7 5 2 冰激振动可靠性模型的建立5 8 5 2 1 平台避开共振的可靠性模型5 8 5 2 2 限制振动响应的可靠性模型5 8 5 3 抗冰海洋平台结构可靠性分析5 9 5 3 1 避开共振的可靠性分析6 0 5 3 2 限制振动响应的可靠性分析6 3 5 4 卅、结。6 9 结论一7 0 参考文献一7 3 致谢。7 7 中罔以油人学( 华东) 硕上学位论文 第一章引言 1 1 课题的研究背景及意义 众所周知，我国渤海海域海洋环境复杂多变，海洋平台受到多种荷载的作用，现场 监测发现，冰荷载是海洋平台结构设计的重要控制荷载，在采油平台设计中，要重点考 虑巨大冰荷载的作用。而目前对冰荷载的研究尚不成熟，在各国的海洋平台结构设计规 范中【1 2 1 ，抗冰结构的设计还没有考虑到动态冰荷载的作用，即只处于静力设计阶段， 因此使得我国抗冰结构的冰激振动问题比较突出。 由于海冰在生成过程中还会受到海风和海流的作用，对海冰的模拟存在一定的困 难，使得平台设计不够完善，同时平台在建造施工与安装过程中也存在诸多不确定的因 素，导致平台有很大的安全隐患。历史上国内外曾发生多起海冰推倒海洋平台的事件 【3 一。1 9 6 9 年，我国渤海发生特大冰封，“海一井”平台支座的拉筋全部被海冰割断， “海二井”的生活设备和钻井平台均被海冰推倒，损失很大：1 9 7 7 年，“海四井”生活 平台的烽火台被冰推倒；1 9 6 4 年，美国阿拉斯加库克湾的两座钻井平台被海冰摧毁；1 9 7 3 年，波兰波兹尼亚湾建造的k e mi 1 钢质灯塔，在海冰的作用下倒塌。可见，海冰对海 洋平台是一个极大的威胁。 渤海海域是我国最早发现石油并进行开发的海域，冰荷载是在开发渤海石油中面 临的最大难题，而冰激振动尤为严重。自上世纪8 0 年代，我国辽东湾就开始独立开 发、设计并建造海洋平台。近几年，辽东湾冰情相对比较严重，几乎每年冬季都会发 生海冰引发的事故，其中最突出的是冰激平台结构振动现象，已经导致了平台上部天 然气管线断裂引发天然气喷发的事故且使得作业人员工作效率大大降低。由于海洋设 施的造价比较昂贵，一旦出现事故不仅造成巨大的经济损失，还会对环境造成破坏，甚 至可能危害到工作人员的生命安全，并引起不良的社会影响。 因此该课题针对渤海辽东湾海域发生的海冰灾害，开展海冰作用下平台的瞬态动力 响应分析、极端海冰荷载作用下平台承载能力分析、平台冰激振动可靠性分析等内容的 研究。课题的研究将在保障平台人员设施的安全、减少油田开发的投资、降低生产作业 的费用，提高抗冰平台设计水平等方面提供参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 平台结构与海冰相互作用的研究现状 ( 1 ) 冰荷载的研究现状 第一章引言 冰荷载的研究是抗冰平台动力响应分析的前提。根据衙载型式，冰荷载主要分为最 大静力冰荷载和交变的动力冰荷载两种；而根据不同的抗冰结构型式，冰荷载主要分为 作用在直立结构上的冰荷载和作用在锥体结构上的冰荷载两种。 海冰与直立结构相互作用主要发生挤压破坏。直立结构的冰倚载计算方法多是基于 早期现场试验数据回归得到的经验公式。w r i 曲t 【5 和l o s e t l 6 1 等对现有的静力冰荷载计算 方法进行过归纳总结并得到了影响静冰力大小的各个参数，但各种公式计算结果相差较 大。目前在我国渤海主要采用美国石油工业协会于1 9 9 5 年发布的设计规范【_ 7 i a p ir p 一2 n 9 5 中规定的直立结构静冰力计算公式。对于动力冰荷载研究，d a l e y ，t u h k u r i 和r i s k a l 8 1 建立了简单的挤压破碎冰力模型；k a r n a s f l l q u l 9 】根据近年渤海测量得到的挤压破碎冰力 时程进行了谱分析，并得到了形式简单的挤压破碎冰力谱。 海冰与锥体结构相互作用主要发生弯曲破坏。大量室内实验证明，直立结构安装锥 体后，可明显降低静力冰荷载，我国最先在海洋平台上安装了破冰锥体。r a l s t o n 和 c r o a s d a l e 【1 0 】等利用塑性极限分析和半无限长弹性梁分析方法给出了锥体静冰力的理论 计算公式；e d w a r d s 禾- t l h i r a y a m o b a r a t j 等对海冰与锥体作用进行室内试验并提出了锥体 冰力模型；岳前进【1 2 。1 3 1 在这方面做了大量的研究工作并获得了世界领先的研究成果，他 认为窄锥结构上的冰力具有一定的周期性，若冰力周期与平台固有周期相差不大时，平 台动力响应变大且容易引发冰激共振。屈衍1 1 4 j 等在岳前进得到的研究成果基础上，对锥 体冰力的幅值和冰力周期进行了统计，建立了随机冰力函数。 ( 2 ) 抗冰平台动力响应分析研究现状 目前，海上采油平台向深海发展，结构柔性特征显著，并且在我国渤海冰区，采油 平台固有频率与海冰破碎频率相当，有明显的动力放大作用，这种情况下必须对结构进 行动力响应分析。 对抗冰平台动力响应分析研究主要包括在动力冰荷载下结构振动响应分析和冰激 振动对平台结构上部管线和工作人员的危害和影响的分析。在结构振动响应分析方面， 欧进萍1 1 5 】等基于渤海j z 2 0 2 m u q 平台，分别考虑不同冰厚、不同冰向及平台桩腿上是否 安装了破冰锥体的情况，分析了破冰锥体在减小冰力大小和平台结构响应方面的规律。 在冰激振动对平台结构的危害和影响分析方面，李辉辉i l6 j 等基于渤海j z 2 0 2 m u q 平台和 j z 2 0 2 m s w 平台，分析了冰激振动对平台上部工作人员的影响。对于冰激振动对平台上 部管线的影响分析较复杂，还需要进一步研究。图l 一1 为安装了正倒锥组合体的渤海埕 北抗冰导管架平台。 2 中国t i 油人学( 华东) 硕f j 学位论文 图1 - 1 安装了正倒锥组合体的渤海埕北抗冰导管架平台 f i g l - 1 b o h a ic bi c e - r e s i s t e n tj a c k e tp l a t f o r mw i t hi c eb r e a k i n gc o n e 对抗冰平台进行动力响应分析时，根据桩腿与土相互作用的处理方式不同，平台结 构模型可以分为两种。目前应用较多的桩一土动力相互作用模型主要有两种，等效桩和 集中参数模型。其中，等效桩法是将桩腿在泥面以下6 8 倍的桩径处固定，该法操作简 单；集中参数模型即将桩腿周围的土等效为弹簧一阻尼系统。金伟良i ”】等分别采用这两 种模型对平台进行了地震荷载下的动力响应分析，得到采用集中参数模型比采用等效桩 法的动力响应要小。 1 2 2 平台极限承载力分析研究现状 随着我国海上采油事业的飞速发展，海洋平台结构在恶劣的海洋环境条件下不断受 到腐蚀和破坏，因此平台的极限承载力分析越来越受到海洋工程设计和维修部门的重 视。结构的极限强度，是计算结构在受到不断增加的环境荷载时的受力和变形，直到结 构不能承受更大的荷载而破坏倒塌为止。 在对平台结构进行分析时，一方面要考虑大位移及强度的塑性等因素，另一方面也 要考虑单个平台构件刚度变化产生的影响( 如塑性或屈曲) ，平台结构中内力的重分布 有时也是被这样的局部破坏所引起，继而使得结构中出现较高的非线性特征直到平台因 其材料达到极限值而倾覆破坏。国内外很多学者对平台的极限承载力进行了大量研究工 作。d j p e t r u s k a 1 8 1 等对墨西哥湾的一座平台进行了极限承载能力分析，进而得到了平台 的失效概率；k a f a m e s 和t m o a n 1 9 1 对海洋平台的极限状态进行了非线性动力响应分 3 第一章引苦 析，提出了两种不同的有限元分析方法的理论；v a n l 2 0 1 利用非线性倒塌技术求得了墨西 哥湾平台部分损伤结构的极限倒塌荷载值；m t v a n n a n l 2 1 】等分析了位于墨西哥湾的五座 平台的极限承载力；u e d a i 2 2 j 提出了用理想结构单元法( i s u m ) 来对极限强度进行评估； t i t u s 2 3 】对不同波浪荷载下的处于6 4 米水深的4 腿3 2 井的导管架平台进行了储备强度率的 分析，得到了该平台基础破坏和结构破坏的极限荷载值。 欧进萍1 2 4j 等根据非线性有限元逐步分析的思想，提出了可以近似分析结构极限承载 力的整体推进法，并编制了导管架平台极限承载力近似分析软件u a p ，最后对渤海八号 平台在1 9 9 3 年的状态和完好状态的j z 2 0 2 m u q 平台进行了极限承载力分析；张兆德【2 5 】 等基于渤海埕岛海洋一座4 腿后服役期的导管架海洋平台，对其在无缺陷、腐蚀损伤和 构件断裂等情况下进行了极限承载力分析，并得到了相关结论；王文明和张世联【2 6 】以某 一简化的四腿对角型导管架平台为例，利用a b a q u s 软件的a q u a 模块对其进行了非线 性倒塌分析；许滨、申仲翰1 2 7 1 等采用a d i n a 程序的线性分析部分并结合非线性模拟技 术，对渤海8 号导管架生产平台的极限承载力进行了分析，为该平台结构的整体安全性 评估提供了科学依据。 1 2 3 平台冰激振动可靠性分析研究现状 结构动力可靠性是指结构在动力载荷作用下，在规定的时间内完成规定功能的能力 或是不发生破坏的概率。海洋平台的冰激振动可靠性，是指海洋平台在交变的动力冰荷 载作用下，在平台结构的设计寿命期限内不发生破坏的概率。目前，国内外有许多关于 海洋平台结构可靠性评估研究的文献及研究成果。m a r s h a l l 2 8 】和b e a l 2 9 1 首先把结构的可 靠性理论引入到海洋平台结构的环境荷载和风险分析标准的选取中来，奠定了海洋平台 结构可靠性研究的基础；o n o u 衔o u p o j 对应用可靠度理论如何解决海洋平台结构研究中的 问题进行了详细的阐述，如海洋平台结构的设计、检测及维护等。 方华灿教授、陈国明教授【3 l j 在8 0 年代中期进行了海洋石油钢结构的模糊疲劳可靠性 研究，在2 0 0 0 年完成了冰区海上结构物的可靠性分析研究，并出版了相关的学术专著； 张大勇1 3 2 1 等分别采用p o i s s o n 和m a r k o v 过程法，对j z 2 0 2 m s w 平台进行了冰激振动引起 的人员感受的动力可靠度分析；邓洪洲教授【3 3 】等就海上固定平台结构系统的强度可靠性 及其疲劳可靠性进行了一系列的研究；李听【3 4 l 等计算了胜利油田c b 3 2 a 储油平台和 c b 2 7 1 单立柱平台两种钢质平台各杆件的可靠度，并分析了这两类平台的失效特征及系 统可靠度指标；会伟良教授1 35 j 在结构可靠性方面进行了大量研究工作，包括结构体系可 靠度、结构可靠度数值模拟、海洋平台结构的超载可靠性、动力可靠性、时变可靠性等。 4 中固石油人学( 华东) 硕f ：学位论文 1 3 本文主要研究内容 根据研究现状，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 基于海冰环境监测信息，确定海洋平台所处海域的海冰冰厚、冰速、冰向、 冰力周期等海冰参数；针对海洋平台，采用c a e 技术建立有限元分析模型，并进行平台 模态分析，得到平台主要振型，评价平台结构系统的动态特性。 ( 2 ) 建立有抗冰锥平台的有限元分析模型，在分析海冰与平台相互作用机理的基 础上，进行锥体抗冰平台在海冰作用下的动力分析；研究抗冰锥结构对海洋平台受海冰 作用力的影响规律及在减小平台冰激振动方面的影响规律；分析冰激振动对上部作业人 员及关键设备的影响。 ( 3 ) 针对海冰运动时的巨大推力，必须研究平台在极端荷载作用下的承载能力。 采用非线性倒塌分析方法，考虑桩土结构的非线性相互作用，建立目标海洋平台在极 端海冰荷载作用下的承载能力计算模型，进行平台结构体系在极端衙载作用下的全过程 倒塌分析。 ( 4 ) 基于可靠性理论，分别建立海洋平台在承载能力极限状态与正常使用极限状 态下动力可靠性分析模型。通过m o n t ec a r l o 分析方法并采用l a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g 技术对海冰参数、设计参数等进行随机抽样，在动力有限元分析的基础上，完成对平台 的冰激振动可靠性分析。 5 第一：章i q 腿加锥抗冰导管架、p 台模型建立 第二章四腿加锥抗冰导管架平台模型建立 2 1 桩土结构非线性相互作用 目前在对海洋平台的分析中，通常对桩腿进行简化处理，大致有3 种简化方法【3 6 1 。 一是桩基支座法，即对泥面以上结构与桩腿分别进行分析。对上部结构分析时，在桩项 部位置沿6 个自由度方向设置相应的弹性支座，这种方法不能保证泥面处的位移相容条 件和力平衡条件。二是等效桩法，这种方法适合在浅水平台中应用，做法是在泥面以下 6 8 倍桩腿直径处刚性固定，使这部分等效桩的刚度与桩腿顶部的刚度等效从而代替桩 对上部结构的实际影响。三是弹簧支撑法，这种方法是将桩与土之间的相互作用简化为 一系列非线性弹簧，该方法比较实用，计算结果较为准确。 采用上述第三种方法来模拟桩土相互作用的理论模型有动力w i n k l e r 地基梁模型、 连续弹性动力模型和有限元模型等【3 7 1 。本文采用动力w i n k l e r 地基梁模型模拟桩土动力 相互作用。泥面以下桩腿所受土的非线性作用力通过非线性弹簧单元c o m b l n 3 9 模拟， 并简化为三种弹簧，分别是侧向弹簧( 土的侧向承载力) 、竖向弹簧( 桩的表面摩擦力) 和端承弹簧( 桩端部承载力) ，其中弹簧的非线性材料特性按现场实测的各土层的p y 曲线、t - z l 盐线和q z 曲线3 8 1 确定。 2 1 1 p y 曲线计算方法 推荐采用我国海上固定平台的入级与建造规范1 3 9 1 ( 1 9 9 2 ) 规定的土p y 曲线计 算方法。 ( 1 ) 软粘土的p y 曲线 软粘土的p y 曲线关系见图2 1 所示。 图2 - 1 软粘十的p - y 曲线 f i 9 2 一lp - yc o w eo fs o f tc l a y 6 中困i i 油人学( 华东) 硕 ：学位论文 图2 - 1 中，j p 为实际的桩侧土壤横向抗力k n m 2 ；y 为实际的桩侧横向位移m ；p 却 为桩侧极限抗力k n m 2 ；儿为相对于应变值s 5 。的位移值；s ，。为原状土不排水试验在二 分之一最大应力处出现的应变；x 为自泥面起的深度；x r 为土层临界深度。 当x z 时，= 【3 0 + 6 o x x r c , d 当x t 时，= 9 c d 极限土抗力的土层临界深度x r 由上面两式联立得到： t 2 丽6 c , d ( 2 - 1 ) 式中，e 为原状土不排水剪强度试验值或无侧限抗压强度的一半；d 为桩径或桩宽； 7 为土的有效重度。 ( 2 ) 砂性土的p y 曲线 砂性土的桩侧极限土抗力随深度不同而变化，浅层土和深层土的极限土抗力分别由 下式确定： 浅层土：= ( c i x + c 2 d ) z x ( x t )( 2 2 ) 深层土：= q d r x( x x r )( 2 3 ) 式中：厂为土体的有效容重，n m3 ；x 为土表面以下计算点深度m ；d 为桩径m ；c l 、 c 2 、c 3 为无量纲系数，由砂性土的内摩擦角缈确定，计算公式如下。 c = 0 0 0 0 2 a p 3 - 0 0 1 缈2 + 0 2 3 5 p - 1 5 5 c 2 ( 矿) 一3 3 3 3 3 3 1 0 。5 伊3 + o 0 0 5 5 7 h p 2 0 1 0 3 4 5 2 6 p + 1 6 6 0 7 1 c 3 ( 妒) = o 0 0 0 4 t p 4 0 0 3 3 3 3 3 3 6 p 3 + 1 11 缈2 1 6 1 6 6 7 c p + 9 0 某一给定深度x 的砂性土p y 曲线可以用下式表示： p = 彳t a n h 彳k x - y c 2 4 ， 式中：深度x 处的极限土抗力，n m ； 彳考虑循环荷载或短期静载状态的系数，按下式选取： 循环荷载：a = 0 9 短期静载：a = ( 3 0 0 8 x d ) 0 9 k 初始模量，m n m 3 ，以内摩擦角妒为参数，用下面公式计算： 7 第_ 二章i 几l 腿加锥抗冰导管架、f 台模型建口 水位以下：k ( 缈) = 0 0 0 0 4 6 7 ( , 0 3 + o 11 4 6 5 5 缈2 - 6 6 0 6 6 5 缈+ 9 2 3 8 水位以上：k ( 缈) = - 0 0 0 4 6 3 2 q 3 + o 7 4 31 0 2 - 2 8 7 13 q ，+ 3 3 0 2 6 】，桩侧位移m ； x 计算点的深度m ； d 桩径m ； 2 1 2 抗冰平台桩一土的p y 曲线计算 粘性土的设计强度根据直剪试验和不固结不排水三轴压缩试验得到，粒状土的强度 参数依据粒度分析和标准贯入试验击数，参考典型的粒状土参数表( g b l 7 5 0 3 1 9 9 8 ) 确 定。表2 1 为土层强度设计参数。 表2 1 抗冰平台- 十层强度设计参数 ! 璺垒! 竺三二! 墅! 1 2 i ! ! ! ! ! 翌墨! 垒塑竺! ! g 翌巳璺! 苎坐竺! 竺! ! 旦! ! ! ! ：! 竺! ! ! ! 璺望! 巳! 璺! ! 垒! 磐 零一性等等勰黼鬻激燃型斧 导管架平台桩入土深度为5 6 m ，因此计算到第6 层即可。在桩腿上每隔0 5 m 设置弹 簧单元，分别计算每个深度处的p y 曲线。根据上节所述p y 曲线绘制方法和土层强度设 计参数表，绘制海洋平台相应深度处的p y 曲线。计算得到，荷载作用方向的平台桩距 大于8 d ( d = 1 3 4 6 m ) ，可不考虑群桩效应的影响。荷载为单向循环荷载，以第一、二、 三土层为例，土层的p y 曲线如图2 2 至2 4 所示。图中x 表示桩入土的深度位置。 8 中困石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 第一层土x = l 5 3 8 、2 誓叁2 5 4 9 、3 0 3 1 m 的p y 第一层土x _ 3 1 5 4 5 1 ( _ 6 8 9 4 m 的p _ y 曲线 曲线 印瓜1 “一“ p _ 了四铋 z _ 皿 图2 - 2 第一层十的p y 曲线 f i 9 2 - 2p - yc u r v eo ff i r s ts o i l 图2 3 第- n 土x = 7 3 7 7 至9 3 0 9 m 的p y 曲线 f i 9 2 - 3p - yc u r v eo fs e c o n ds o i l y m 第三层土x - - 9 7 9 1 至1 2 2 0 6 m 的p - y l 抽线 图2 - 4 f i 9 2 - 4 日 z l y m 第三层土x = 1 2 6 8 9 至1 5 1 0 3 m 的p - y 曲线 第三层土的p - y 曲线 p - yc u r v eo ft h i r ds o i l 9 第_ 二章叫腿加锥抗冰导管架平台模型建 2 1 3 抗冰平台桩土的t z 与q z 曲线确定 土的轴向抗力是由轴向荷载沿桩侧向的传递和桩端的承载力组合而成的。在任一深 度处的桩一土剪力传递和桩的局部位移关系可用t - z 曲线来表示1 4 们，同样，桩端承载力和 端部的轴向位移关系可以用q - z 曲线来表示。 根据a p ir p2 a w s d l 4 1 1 规范，采用如图2 5 、2 - 6 所示的t - z 曲线及q - z 曲线。 表2 2 t - z 和q z 曲线数据 ! 鱼垒! 竺兰二兰! ! 兰璺望坚g ：兰! 坚! ! 堕垒! 璺 a 粘十b 砂土 q - z 曲线数据 z d t ，t i l i 。m n z d 价。m n z d q q dm n 0 0 0 1 60 3 0 0 00 0 0 20 2 5 0 0 0 3 10 5 00 110 0 1 30 5 0 0 0 0 5 70 7 5 0 0 10 0 4 20 7 5 0 0 0 8 00 9 0 0 0 7 3 0 9 0 0 0 1 0 01 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 2 0 00 7 0 旬9 0 0 0 1 0 0 0 0 0 7 0 - - , 0 9 0 一一一 z d z d 粘土砂土 图2 5 桩的轴向荷载位移( t z ) 曲线 f i 9 2 - 5 t h ea x i a ll o a d d i s p l a c e m e n t ( t - z ) c u r v eo fp i l e 图2 5 中，z 为桩的轴向局部位移变形，m ；d 为桩径，m ；t 为桩土粘聚力，k p a ： t m 麒为桩一土的最大粘聚力，k p a 。 中国石油人学( 华东) 颂f j 学位论文 0 0 0 0 0 0 50 1 00 1 5 0 2 0 0 2 5 图2 6 桩端荷载位移( q z ) 曲线 f i 9 2 6q - zc u r v eo fp i l et i p 图2 6 中，z 为桩的轴向端部位移变形，m ；d 为桩径，m ；q 为桩端承载力，m n ； q 。为所有桩端承载力。 将不同深度处p y ，t - z 及q - z 曲线离散即可得到模型中非线性弹簧单元c o m b i n 3 9 的实 常数。在泥面以下桩腿上每隔0 5 m 分别设置x 、y 年l j z l f i - j 的非线性弹簧单元，在桩端设置z 向弹簧单元，最大限度的模拟土的非线性性质以及结构桩土间的相互作用。 2 2 建立平台三维有限元模型 2 2 1 抗冰平台简介 抗冰平台包括导管架、桩、上部组块、层问设备房、顶层设备房及生活模块。平台 导管架型式为4 腿斜导管架，4 个面的斜度均为1 0 ：l 。导管架顶标高为5 1 0 m ，底标高为 6 3 0 m ，工作点标高为6 0 m 。上部组块共分为两层，顶层甲板梁项标高为2 2 0 m ，主尺 寸为2 9 0 mx2 4 4 m ：底层甲板梁顶标高为1 2 0 m ，主尺寸为2 9 0 m 2 4 4 m 。导管架上部 尺寸1 4 m 1 8 m ，泥面的标高为1 5 2 m 。采用开口变壁厚钢管桩，共4 根，桩入泥5 6 0 m 。 导管架上设置靠船构件、抗冰锥体等附属构件。 表2 - 3导管架平台各构件的截面尺寸 ! 璺坠! ! 兰曼! 垒竺墨竺! ! ! 殳望墨些堡壁! j