（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于桩土相互作用的自升式平台桩靴强度研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 海洋平台所受风浪等环境载荷及其复杂，自升式平台的桩靴与土的相互作用提供了 平台站立羼需的支反力和抗滑力，同时也承受了环境载荷下楗腿传递过来的弯矩。以往 的研究往往过分简化了地基土壤对桩靴的约束，导致分析结果的失实。本文以某自升式 海洋平台的桩靴桩腿为研究对象，借助有限元软件a n s y s 对其在风暴自存海洋环境下 与海底土的相互作用进行分析。在此基础上对自升式海洋平台在海洋环境下的承载力学 特性进行了深入探讨。并得出一些具有一定适用价值和工程指导意义的结论。本文的主 要研究内容是： ( 1 ) 对自升式平台的环境载荷进行了分析。计算了风暴载荷下平台所受风力以及波 流力，并以一作业于渤海湾的自升式平台进行了详细的外载荷计算。 ( 2 ) 研究了自升式平台桩靴桩土相互作用的模型，并对桩靴的地基承载力的计算方 法进行了研究。 ( 3 ) 建立自升式海洋平台桩靴的三维有限元模型，模型详细、合理，使其利于后续 的有限元分析。 ( 4 ) 采用w i n l d e r 地基梁模型模拟桩一土相互作用，结合本平台所在工作海域的海 洋地质资料，利用非线性弹簧单元模拟土反力。并与固端模型相比较，研究结构一桩一 土相互作用的影响。结果表明固端模型由于加强了模型的约束条件，其刚度变强，相应 的结果也偏于安全。在实际的计算过程中，仅仅采用固端模型是不行的，有必要建立复 杂的桩一土模型。而w i n k l e l 地基梁模型虽然具有一定的局限性，但能够反映深度和土 质的非线性变化，无论从计算结果还是实验方法来看，都是具有一定的实用价值的。 关键词：自升式海洋平台；桩靴；桩土相互作用；非线性弹簧 基于桩士相互作用的自升式平台桩靴强度研究 s t r u c t u r a la n a l y s i so fj a c k u pp l a t f o r ms p u dt a n k b a s e do nt h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n a b s t r a c t o f f s h o r ep l a t f o r m sb e a re x t r e m ee n v i r o n m e n t a ll o a d si n c l u d ew i n d ，w a v ea n dc u r r e n t 弧es p u dt a n k sp r o v i d et h ec o u n t e r f o r c eo ft h ep l a t f o r m sg r a v i t ya n ds l i p p a g e ，m e a n w h i l e ， t h es p u da l s ob e a r st h em o m e n td e l i v e r e db yt h el e gw h i c hi sa p tt ob es i m p l i f i e d h 1t h i s p a p e r , t h es t r u c t u r a ls a f e t yo fs p u dt a n k sa n dl e g so ft h ej a c k u pp l a t f o r mu n d e rt h es t o r m e n v i r o n m e n ta r es t u d i e di nc o n s i d e r a t i o no ft h ep i l e s o i li n t e r a c t i o nu s i n gt h ea n s y sf e a s o f t w a r e t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ei a c k u pp l a t f o r l t li sr e s e a r c h e di nd e t a i l a n ds o m e c o n c l u s i o nm a yw o r t h yf o rt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei s g i v e n t h em a j o rc o n t e n t sa l e s u m m a r i z e da sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) t h ee n v i r o n m e n tl o a d ss u c h 鼬t h ew i n da n dw a v el o a do nt h ej a c k u pp l a t f o r l t la r e a n a l y z e d ，a n dt h el o a d so fap l a t f o r ma l ec a r r i e do u ta sa l le x a m p l e ( 2 ) t h em o d e lo ft h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o no ft h es p u dt a n ki sr e s e a r c h e d ，a n dt h em e t h o d o ft h eb a s ec a n 3 n n gc a p a c i t y1 5g i v e n ( 3 ) t h es p u dt a n k sf e am o d e li se s t a b l i s h e di nd e t a i l ，s ot h a tt h ef o l l o w i n ga n a l y s i s w i l lb ec a r r i e do u te x p e d i e n t l y ( 4 ) t h ew i n l d e rb e a mm o d e li su s e dt os i m u l a t et h ep i l e - s o i li n t e r a c t i o n n o n 1 i n e a r s p r i n gm o d e li su s e dt os i m u l a t et h es o i lf o r c ea c c o r d i n gt ot h ef o u n d a t i o ni n f o r m a t i o no ft h e g i v e ns e aa r e aw i t ht h ec o m p a r i s o no ft h ee n df i x e dr e s t r a i n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n d f i x e dr e s t r a i n ti s c o n s e r v a t i v e i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ham o r es o p h i s t i c a t e dm o d e l a l t h o u g ht h ew i n k l e rb e a mm o d e lh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，i tc a ng i v ee x p r e s s i o nt ot h e n o i l l i n e a rd i v e r s i f i c a t i o no ft h es o i l k e yw o r d s ：j a c k u pp l a t f o r m ； s p u dt a n k ；p i l e s o i li n t e r a c t i o n ；n o n l i n e a rs p r i n gm o d e l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连埋 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 垄强 日期： 沙9 萝t 沙，v 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工天学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 奎纭 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 _ l立题的背景和意义 世界经济的高速发展必然带来能源的天量消耗，石油天然气仍是当前的主要能源。 我圆已成为世界第二大石油进口国，油气供求矛盾非常突出。能源安全已成为政治、经 济、外交的重要议题之一。我国陆地油气资源勘探开发程度已经很高，油气资源正迅速 减少。向海洋迸军，开发薪的油气资源已是岿然趋势。我国拥有漫长的海岸线和广阔的 海域，油气资源十分丰富。在渤海、南黄海、东海、南海已有重要发现并进入早期开采。 自升式钴井平台属予海上移动式平台，由于箕定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海 域的油气勘探开发中居主力军地位。 作为海上石油天然气资源开发及其他工程作业的基地，海洋平台是在无遮掩的海域 设置的，其结构复杂、体积庞大、造价昂贵，承受着如风、浪、流、冰、潮及地震等随 时间和空间变化的随机载荷的考验。由于对海洋环境的复杂性和随机性以及平台结构的 损伤积累和赧役安全度认识不充分，历史上曾有多次海洋平台的事故，造成了重大的经 济损失和不良的社会影响。例如1 9 6 5 年英国北海“d i a m o n d ”号钻井平台支柱拉杆脆性 断裂导致平台沉没；1 9 6 8 年“r o w l a n d h o m ”号钻井平台事故；1 9 6 9 年中国渤海2 号平 台被海冰推倒；1 9 8 0 年北海挪威e k o j f i s k 油田“a l e x a n d e rl k i e l l a n d ”号五腿钻并平台 发生倾覆，导致1 2 2 人死亡【1 1 。这些事故发生的原因是多方面的，其中有操作上的原因， 以及超过预先估计的恶劣环境条件，但与原设计的缺陷或考虑不周也是有一定关系的。 海洋工程结构物的型式多种多样的，而且又是在复杂的海洋环境条件下工作。因此， 它的设计计算牵涉到耀当复杂的问题，加上海洋工程是最近发震起来的，历史短，进展 快，不像在船舶设计上那样有长期的实践经验资料，可以作为经验依据。因此，对于结 构在各种海洋环境条件，主要是波浪，以及海流等作用下的载荷( 这些环境载荷对海洋 工程结构物的作用和相互作用，具有明显的动力性质、随机性质和非线性性质) 以及动 力响应等，必须从理论上进行细致深入的分析，从而为结构的设计求得可靠的依据。 叁升式平台可适用于不同海底主壤条件和较大的水深范围，移位灵活方便，便子建 造，因而得到广泛的应用。在世界上，四种常用活动式平台中它占三分之二以上；在我 国它也占大多数。 海洋平台由于其作业要求，不可避免地受到各种海洋环境的考验。因此在设计平台 和校核平套强度时，必须考虑平台可能受到的各种外载荷，以保证平台海上作业的安全 性。通常所考虑的作用在平台上的外载荷为风载荷、波浪载荷、海流载荷和冰载荷等。 基于桩楣至作用的自井式平台桩靴强度研究 各种海洋平台，无论是钢质桩基固定平台，还是各种型式的移动式平台，萁基础( 沉垫) 和支撑结构( 立柱) 都浸入海浪中，承受着相当大的波浪作用力。 作用在自升式平台桩腿上的波浪力以及平台重力及风力等载荷传递到埋于海底土 中的桩靴上，在桩腿与桩靴的连接位置亭生了很大的应力。 在以往海洋平台的桩靴强度分析中，桩基础经常被处理成固端支承( 腿柱在泥面线 以下3 m 处雷定) 或者是铰支承翻。然焉海底对桩鞔存在转动约束的作用，并且桩土 之间的作用存在明显的非线性，这样处理无法正确反映海洋平台结构体系的整体工作效 应，会过高估计海洋平台结构体系的安全性。所以有必要寻求一种合理的方法，近可能 真实地模拟桩靴与土之间的相互作用，从而对桩靴进行准确的强度分析校核，同时也为 自升式海洋平台这个整体的结构动力响应提供一种切实可行的约束边界条件。 1 2 自升式平台 ，2 。自秀式孚台概述 海洋平台的建造历史可以追溯到1 8 8 7 年在美囡加州所建造的第一座用于钻探海底 石油的术质平台。两钢制导管架平台则是在1 9 4 7 年首次出现于墨嚣哥湾6 米水深的海 域，此后，海洋平台得到了迅速发展。目前在世界不同海域已建成不同形式的海洋平台 1 0 0 0 0 余座【3 1 。 自升式平台可适用于不同海底土壤条律和较大的水深范围，移位灵活方便，便于建 造，因而得到广泛的应用。在世界上，四种常用活动式平台中它占三分之二以上，在我 国它也是占大多数鞫。鲁升式平台产生于1 9 5 1 年，到了6 0 年代自升式平台不仅在数量 上大为增加，而且在结构上也得到了不断改进。7 0 年代末自升式钻井平台占移动式钻井 装置的总数的一半。墨前这一比例己达三分之二。其最大工作水深也不断增加。据w o r l d o i l sm a r i n ed r i l l i n g 砒g s2 0 0 3 2 0 0 4 的调查报告表明，截至2 0 0 4 年底，世界移动式平台 总数为6 2 5 座，其中自升式平台有3 8 1 座，占总数的6 1 ，半潜式平台有1 7 2 座，占总 数的2 7 5 。 1 2 。2 自升式平台结构组成 自升式平台是由一个驳船型船体( 上层平台) 和数个能够升降的桩腿所组成的海上平 台【5 1 。这些可升降的桩腿能将船体上升到海面以上一定高度，支撑整个平台的海上作业。 这种平螽既要满足拖航移位时翳浮性、稳性方蘧豹要求，又簧满足律业时座底稳性帮强 度的要求，以及升降船和升降桩的要求。为适应不同工作水深的需要，须由升降装置完 成升降船和升降桩的工作，并在座底作业时保持平螽固定位置，在拖靛时保持桩腿固定 大连毽二 大学硕士学位论文 位置。自升式平台的优点主要是所需钢材少，造价低，在各种海况下都能平稳等进行钻 井作业；缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制，最大豹工作水深约在1 2 0 m 左右。超过此水深，桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿升高缀快，对平台稳性和桩腿 强度都不利。 ( 1 ) 平蠹主体结构 自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。平台主体的平面形状一般 有三焦形( 三腿) 、矩形( 四腿) 和五角形( 五腿) 等，如图1 1 所示： 图1 , 1 平台主体结构形式 f i g 1 1 t h es t r u c t u r ef o r mo ft h ej a c k - u p sh u l l 平台主体通常是一个具有单底和双层底的单甲板箱型结构。其内部根据作业、布置 和强度的要求设有纵舱壁和横舱壁，但在桩腿之间的连线上必须设置强力舱壁俸为平台 主体的主桁材。在大的液体舱内有时还设有止荡舱壁以缓冲舱内液体在平台运动时的摇 荡。主体结构的甲板、底板、舱壁等也和一般船舶一样需要有扶强材或强桁材加强。 ( 2 ) 桩腿结构 桩腿的作用主要在平台主体升起后支承平台的全部重量，并把载荷传至海底。桩腿 的塑式可分为壳体式和桁架式两类，壳体式桩腿由钢板焊接成封闭形结构，其横断面有 圆形和方形两种，如图1 2 所示。 基于桩相互作用的自升式平台桩靴强度研究 图1 2 桩腿结构形式 f i g 。1 ，2 t h es t r u c t u r ef o r mo ft h ej a c k - u p sl e g 荫著 ( 3 ) 桩靴的结构 为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端结构可设计成单独带桩腿箱( s p u dc a n ) 亦称桩靴( f o o t i n g ) ，或设计整体沉垫的型式。 带桩靴的棱腿一般说可兼顾软硬地基的要求。桩靴的主要型式如图l 。3 所示。对较 硬的海底，桩靴设计成具有较小的支承面，甚至略带锥形；对较软的海底，桩靴的平面 形状有圆形、方形和多边形等。 图1 3 桩靴外形图 f i g + 1 3 o u t l o o ko ft h es p u dt a n k 1 。2 。3 自手 式平台的设计步骤 自升式平台工程复杂，投资大，周期长，设计时应严格按照设计程序进行，一般分 成方案设计，技术设计和施工设计等三个阶段。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 方案设计阶段：主要任务是根据设计任务书的要求，对平台主要的技术和经济 问题进行论证，提出几个方案进行综合分析比较，初步确定平台结构型式、主尺度、总 体性能、总布置和总造价，提出审查，以便选择最佳设计方案。 ( 2 ) 技术设计阶段：在确定平台方案、结构型式和主尺度前提下，解决冬部分主要 的技术问题，需进行大量的计算、绘图、编写计算书、说明书、材料单、建造工艺等技 术文件，以满足平台检验部门审查的要求和平台建造厂施工准备的要求。 ( 3 ) 施工设计阶段：主要围绕解决施工建造中的技术问题，绘施工详图、制定施工 建造工艺，这阶段需绘制大量的施工图。施工设计应根据承造厂的设备能力和技术水平 的实际情况进行设计。 自升式平台结构设计通常采用如图1 4 所示的步骤。图中指出了结构设计、总体设 计的一般步骤，各设计阶段的主要工作以及它们之间的相互关系。首先根据设计任务书 的要求制定具体的设计条件有海洋环境条件、平台使用技术条件和施工建造条件。然后 选定结构型式并确定主尺度，进行平台总体布置和总体性能计算，接下来根据已确定的 结构型式计算各种载荷，选定结构构件尺寸，进行强度校核，直至满足相应规范要求， 后再进行重量校核和局部节点结构设计，确定节点结构结构型式，节点焊接工艺设计和 节点疲劳分析。最后绘制施工详图，进行施工建造工艺设计。 基于桩土相互作用的自升式平台桩靴强度研究 图1 4 自升式平台设计流程 f i g 1 4 t h ep r o c e d u r eo ft h ej a c k - u pd e s i g n 1 3 国内外研究历史和现状 1 3 1 自升式平台波浪载荷及结构强度研究现状 海洋平台的外载荷计算以波流载荷最为困难，确定作用于海洋工程结构物上的波浪 载荷，可以采用两种不同的方法 6 ，7 1 ，一种是设计波法，它是确定性方法，即用一给定周 期和波高的波浪代表一定环境条件下出现的最大波。再根据一种恰当的波浪理论来描述 大连理工大学硕士学位论文 波浪的响应特征，如波浪的剖面、水质点的速度和加速度等，利用一般流体力学的方法 计算波浪力。设计波法是根据理想化的规则波来计算波浪力，它虽不能完全反映不规则 波对平台的作用，但计算方法简便，使用方便，使用面广，常为海洋工程设计采用，也 是海上平台规范堕中规定的波浪力的计算方法之一。实际应用中一般丝5 0 年或1 0 0 年一 遇的规则波作为设计波，然后计算作用在平台上的使用载荷和环境载荷以及在这些载荷 作用下的构件应力，并根据规范的强度衡准校核平台的结构安全性。另一种方法是随机 分析方法或概率方法，它是建立在海况的统计特征上的，它将实际海面上不规则的波浪 认为是由许多具有随机相位的简单波叠加而成，各个简单波动的能量在相应的波频上的 分布就构成一个海浪谱。用此方法可以在某一置信度内得到结构的最大应力、位移等特 征响应结果。 海洋结构物在波浪中的运动及其遭遇的环境载荷是设计与使用中的关键问题之一， 是从事水动力和结构性能计算的重要先决条件。早期在海洋工程领域广泛应用的有 m o r i s o n 方程法，是建立在半经验半理论上的对于固定细长构件遭遇波浪载荷的一种行 之有效的二维计算方法。近代由于海洋结构物尺寸的大型化和形状的复杂化以及环境因 素的极端化，建立在势流理论上的三维源汇分布法或g r e e n 函数法得以开发与应用。鉴 于对极端海况的关注，上述各种在频域中的计算分析方法的应用受到了限制，因而基于 这些理论的时候直接计算方法也获得了发展机遇。在现行的船级社船舶设计规范中对一 般的船舶与小尺寸结构物的运动与载荷的计算，m o r i s o n 方程法与切片法仍然是被推荐 的计算方法。然而对于大型船舶与海洋平台的计算，有的设计规范已经规定必须应用三 维算法进行验证计算。实际上，二维方法通常可以用于方案设计或初步设计，三维方法 则用于详细设计；对于组合结构海洋结构物的各组成部分，又可以根据其形状与流畅的 不同分别应用相应的计算方法，最大限度地简化计算。 。 1 3 2 桩土相互作用研究现状 结构一桩一土相互作用问题的研究，最早源于r e i s s n e r ( 1 9 3 6 年) 关于弹性半空间 表面刚性圆形基础的研究；到了5 0 年代，许多研究者获得了圆形和矩形基础在应力边 界条件下的平移、旋转和扭转振动的瞬态和稳态解析解；到了7 0 年代以前关于土一结 构相互作用的研究工作主要以机械基础作为研究对象，将基础简化为刚性无质量体系研 究地基的动力抗阻特性，研究方法多以获得一定边值条件下的解析法为主。 数值离散方法、有限差分法、有限元法、边界元法的应用，为各种复杂工程结构物 考虑土一结构相互作用分析提供了手段。有限元法便于处理不规则的场问题，而边界元 对于无限问题的处理十分方便。z i 托w e i c z 【9 】等人发展了将两种方法综合应用的混合元 基于桩土相互作用的自升式平台桩靴强度研究 法，使得土一结构相互作用的求解范围进一步扩大。利用数值离散方法可以处理包括基 础形状、柔性、埋深、基础和地基间的翘离、地基分层、基础附近局部地形、地层分布 的不规则性、土层的非线性特性、构筑物的塑性变形以及相邻构筑物的影响等问题。 考虑土允质非线性的土一结构相互作用，其主要方法有完全有限元、近场采用非线 性有限元而远场采用线性有限元的混合单元法以及时域中的子结构法( w o l f , 1 9 8 6 ) 。 在描述土的非线性时，较多的采用非线性模型，如双线性模型、双曲线模型、多( 双) 屈服面模型、有效应力模型；等价非线性粘弹性模型；给定恢复力特性表达式的模型， 如h a r d i n d m e v i c h ( 1 9 7 2 ) 模型、r a m b e r g - o s g o o d ( 1 9 7 3 ) 模型等【l 0 1 。 在文克尔地基梁模型中，桩周土体被模拟成为相互独立的弹簧和阻尼器，而桩体可 用不同的方法来处理。由于此法简单，在六七十年代曾被广泛地用于桩基的设计与分析 中。 n o v a k 得出了粘弹性介质中的弹簧和阻尼常数【1 1 1 ，这种近似的土的模型在动力分析 中得到了较理想的结果。n g o m a i & k o n a g a i ( 1 9 8 8 ) 把n o v k a 的解答延伸到了时域，并 且分析了动力荷载下桩基的弯曲响应。他们采用无质量柱体在无限介质系统中的平面应 变响应的表达式，建立了土的简单力学模型，该模型可以合理的体现系统的内部相互作 用力。但是该解答在低频时无法给出满意的结果。 n o g m a i 等人( 1 9 9 2 ) 提出了一种非线性桩土相互作用模型，由于模型中的参数与 频率无关，因此既可在时域内，又可在频域内进行动力响应分析。他们把桩周土划分为 近区和远区两部分，近区可以体现桩水平振动时的强烈非线性；而远区则表示在强非线 性区外的弹性特性，因此该模型可以合理的再现桩土系统的非线性以及在动力条件下地 基的非线性所引起的能量损失。但是，和前面的线性模型一样，在低频时无法给出符合 实际的解答。 y a o & n o g a m i ( 1 9 9 4 ) 采用粘弹性w i n l d e r 模型，求得了单桩在低频条件下的循环响 应解析解。他们采用l a p l a c e 变换法，求解了桩头循环荷载下单桩的控制方程； 对于逆 变换，采用了复平面上的回路积分，极点处的留数值即为桩的稳态响应解。但为了逆变 换的方便，没有考虑惯性力的影响，这不可避免的会带来一定的误差。 m y l n o a k i s 等人( 1 9 9 9 ) 从能量的角度考虑，提出了一种简化分析模型，可用来分 析成层土中单桩横向简谐响应。所得的结果虽然是近似的，但与更为精确的解答相比已 非常接近，这对于工程应用来说己经足够精确，而且他们所给出的解答能够同时包含静 力和动力情况下的弹簧和阻尼系数，因此可以说这是一种简单有效的工程实用方法。 大连理工大学硕士学位论文 李耀庄等( 2 0 0 0 ) 分析了在桩头作用有水平简谐荷载时有限长桩与无限长桩的动力 反应。分析表明，在一般情况下，当桩长径比，d 1 0 时将有限长桩作为无限长桩来分 析，所得内力与位移最大值误差在工程允许范围内。 赵振东等( 1 9 9 7 ) 分析了桩头作用有侧向脉冲动荷载时桩土系统的非线性动力性能， 他采用了一个向量化三维显式有限元程序d y n a d 来计算单桩的动力响应。在分析中， 桩周土体被模拟为一种可进入破坏状态的弹塑性材料，同时采用滑移界面单元来模拟 桩、土之间的滑移和分离。计算结果表明，桩土系统的侧向动力性能由桩头的约束条件 和地表以下一定深度内的系统上部的性能参数所控制，而桩长对此影响不大。 与有限元法相比，边界元法是通过仅离散桩一土界面来描述土性的，同时桩被离散 成梁柱单元，因此相对来说运算比较经济。但一般说来，这一方法仅被应用于线性分析， 迄今为止，还未见到被用到非线性反应分析。 1 。3 3 单桩力学性状的研究现状 水平荷载有多种型式，例如由上部结构向桩基础传递的或由土压力施加于桩基础的 水平荷载以及波浪力、风力、震动力和船舶撞击力等；这些荷载各有其特殊性质，它们 对桩的作用有专门的分析计算方法。水平承载桩的工作性能是桩土相互作用的问题。不 论是完全埋置桩或部分埋置桩( 桩的上段出露地面以上) 都是利用桩周土的抗力来承担 水平荷载，桩在水平荷载的作用下发生变位，促使桩周土发生相应的变形而产生抗力， 这一抗力阻止了桩变形的进一步发展。 当水平荷载较低时，这一抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变形主要为弹性 的，即桩周土处于弹性压缩阶段，随着水平荷载的增大，桩的变形加大；表层土将逐渐 产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递。当变形增大到桩所不能容许的程 度或桩周土失去稳定时，桩一土体系更趋于破坏。桩一土体系的这一相互作用因桩、土 的相对刚度的不同而有不同的表现。桩头自由的刚性短桩由于桩下段得不到充分的嵌制 且桩身不发生挠曲变形，故在水平荷载的作用下产生了全桩长的刚体转动，绕转动中心 转动时，在转动中心上方的土层和转动中心到桩底之间的土层分别产生了抗力。这两部 分作用方向相反的土抗力构成了力矩以共同抵抗由水平荷载产生的力矩，并和水平荷载 构成力的平衡。桩头自由的刚性短桩的破坏只发生于桩周土中，桩体本身一般不发生破 坏( 应满足抗剪强度要求) 。桩体嵌固于承台座板中的刚性短桩因不能实现转动而发生 平移，由平移而获得土抗力。当土抗力不足以平衡水平荷载或嵌固处的弯矩超过截面极 限抵抗弯矩时，此类刚性短桩就发生破坏。 基于桩土相互作用的自升式平台桩靴强度研究 桩、土相对刚度较低的弹性长桩则有不同的工作状态。此类桩由于相对地较具柔性， 故在水平荷载的作用下发生桩身的挠曲变形( 水平位移和转角) ，且由于桩是无限长的 ( 在分析计算中，超过一定入土长度的弹性长桩可视为无限长) ，故桩下段的土抗力可 视主既限长的，亦即桩下段可视为嵌固于土中而不能转动，由逐渐发展的桩截面抗矩和 土抗力来承担逐渐增大的水平荷载。当桩中弯矩超过其截面抗矩或土失去稳定时，弹性 长桩便趋于破坏。桩头嵌固于承台座板中的弹性长桩的破坏也是这样的弯曲破坏形态， 但是其极限抗矩可能在嵌固处和土中两处出现。 简言之，按照桩、土相对刚度的不同，水平荷载作用下的桩一土体系可有两类工作 性状和破坏机理。一类是刚性短桩，因转动或平移而破坏，另一类是弹性长桩，因挠曲 而破坏( 桩因抗剪而破坏的情况较少) 。 水平承载桩基本上有四种分析计算方法：地基反力系数法、弹性理论法、有限元法 和极限平衡法。地基反力系数法是我国目前常用的一个方法。 由于地基的柔性和无限性，使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反 应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同，因此有必要考虑土一桩一结 构相互作用的影响。结构一桩一土动力相互作用问题的研究，最早源于r e i s s n e r ( 1 9 3 6 年) 关于弹性半空间表面刚性圆形基础振动的研究；到了5 0 年代，许多研究者获得了 圆形和矩形基础在应力边界条件下的平移、旋转和扭转振动的瞬态和稳态解析解；到了 7 0 年代以前关于土一结构相互作用的研究工作主要以机械基础作为研究对象，将基础简 化为刚性无质量体系研究地基的动力抗阻特性，研究方法多以获得一定边值条件下的解 析法为主。7 0 年代以后，土一结构相互作用的研究迅速发展，其主要特点表现在以下几 个方面： 数值离散方法、有限差分法、有限元法、边界元法的应用，为各种复杂工程结构物 考虑土一结构相互作用分析提供了手段。有限元法便于处理不规则的场问题，而边界元 对于无限问题的处理十分方便。z i e k i w e i c z 等人发展了将两种方法综合应用的混合元法， 使得土一结构相互作用的求解范围进一步扩大。利用数值离散方法可以处理包括基础形 状、柔性、埋深、基础和地基间的翘离、地基分层、基础附近局部地形、地层分布的不 规则性、土层的非线性特性、构筑物的塑性变形以及相邻构筑物的影响等问题。 分析方法包括频域和时域分析。在频域中可以较方便地考虑与频率有关的地基阻抗 函数，将结构和地基分为两个子结构。但是由于在频域中难于处理非线性问题，对于时 域分析方法的研究更为活跃。 考虑土介质非线性的土一结构相互作用，其主要方法有完全有限元、近场采用非线 性有限元而远场采用线性有限元的混合单元法以及时域中的子结构法。在描述土的非线 大连理工大学硕士学位论文 性时，较多的采用非线性模型，如双线性模型、双曲线模型、多( 双) 屈服面模型、有 效应力模型；等价非线性粘弹性模型；给定恢复力特性表达式的模型，如h a r d i n d m e v i e h ( 1 9 7 2 ) 模型、r a m b e r g o s g o o d ( 1 9 7 3 ) 模型等【l 引。 1 4 本文的主要研究内容 本文以某自升式海洋平台的桩靴桩腿为研究对象，借助大型商用有限元软件 a n s y s 对其在作业及风暴自存等海洋环境下进行静强度分析。在此基础上对自升式海 洋平台这种海洋结构物在海洋环境下的力学特性进行了深入探讨。并得出一些具有一定 适用价值和工程指导意义的结论。本文的主要研究成果是： ( 1 ) 对自升式平台的环境载荷进行了分析。并以一作业于渤海湾的自升式平台进行 了详细的外载荷计算。 ( 2 ) 建立自升式海洋平台桩靴的三维有限元模型，并对其在几种工况下的工作性能 进行了分析。 ( 3 ) 采用w i n k l e r 地基梁模型模拟桩一土相互作用，结合本平台所在工作海域的海 洋地质资料，利用非线性弹簧单元模拟土反力。并与固端模型相比较，研究结构一桩一 土相互作用的影响。结果表明固端模型由于加强了模型的约束条件，其刚度变强，相应 的结果也偏于安全。在实际的计算过程中，仅仅采用固端模型是不行的，有必要建立复 杂的桩一土模型。而w i n k l e r 地基梁模型虽然具有一定的局限性，但能够反映深度和土 质的非线性变化，无论从计算结果还是实验方法来看，都是具有一定实用价值的。 基于桩土相互作用的自升式平台桩靴强度研究 2自升式平台桩土相互作用模型研究 桩基础是海洋工程结构物的一种重要结构形式。上部结构传给桩的载荷一般有轴向 力、侧向力和力矩。对于轴向力的作用，通常采用忽略桩身轴向变形的静力平衡法求解。 而对于侧向载荷和力矩的作用，除应用平衡方程外，还应考虑桩和土的相互作用。土与 桩作用系统可适当地用等效集中的弹簧、阻尼器来模拟，这可通过等效悬臂梁来代替桩 在有限元分析中给予实现，并选取悬臂梁的力学特性模拟所需要的刚度，合并附加的侧 面弹簧和作用力。对于某些海洋结构物，可用等效埋置的概念来表示桩和土相互作用的 影响。此时，很少需要考虑附加土质量的影响，因为随桩运动的土质量很小，几乎对反 应没什么影响。 土一结构动力相互作用是一门由土动力学与结构动力学发展起来的交叉学科。在动 载荷作用下，土的存在导致场地表面运动有别于地下基岩的运动，同时由于结构的存在 又会影响基础底部的运动。这种复杂的相互作用过程不能简单地对地基土层作刚性假设 来解决，而必须要寻找一种合理、精确的方法来进行分析。对解土一结构动力相互作用 的最有效方法是直接法，这种认为土一结构是有限元的几何体，其优点在于可以研究相 互作用对土体与结构的动力反应的影响，分析中可以考虑到土的非匀质性和非线性的影 响；其缺点是计算量大，尤其是按三维问题分析时，更是如此。此外还有子结构法，即 分别求出其上部结构、基础及地基各子系统的单体反应，再联合单体反应使其满足相互 作用条件，得到整体的动力反应。但子结构法比直接法可大大提高计算效率。现有的海 洋平台多数采用的是钢制自升式平台，这种平台分为上部结构、桩腿及桩靴几个主要部 分。本文针对自升式平台结构具有桩一土一结构相互作用的特点，对某海上打桩平台进 行了平台在波浪及海流等载荷作用下的动力响应分析。在以往海洋平台的动力响应分析 中，桩基础经常被处理成固端支承【1 3 】( 腿柱在泥面线以下3 m 处固定) 。然而土介质存 在明显的非线性，这样处理无法正确反映海洋平台结构体系的整体工作效应，会过高估 计海洋平台结构体系的安全性。 本文研究中，将海洋平台的桩靴和桩腿作为一个整体，并且充分考虑了桩一土的相 互作用，土按w i n l d e r 地基来处理，桩为埋置于土中的长梁，同时土对桩的影响采用了 非线性弹簧c o m b i n 3 9 单元来模拟，弹簧相应的非线性参数按平台所在区域土壤参数的 桩端载荷一位移曲线( q z ) 益线以及侧向载荷位移曲线( p y 曲线) 确定。 2 1 桩一土相互作用 桩一土相互作用通常采用下述假定： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 把桩分为数目适当的小段，每段质量集中在各小段的中心上； ( 2 ) 假定土起着线性w i n k l e r 弹簧的作用，反作用于桩的各质量中心上； 土在过去的桩基设计中广为采用的一种主要分析方法是：视基础的刚度为无限大， 求出上部结构在基础顶面处的固端反力，茬把该反力作用于基础，在考虑基础与地基共 同作用的条件下分析基础内力。这是一种不完全的共同作用分析方法，一般称之为“常 规方法 。 对于摩擦桩或者摩擦端承桩来说，载荷的传递与分配存在着多种复杂的情况，它涉 及到上部结构和桩一土支撑体系这两者的刚度。由于桩土支撑体系的刚度决定于桩和桩 土之间亚层次的相互作用，并受上部结构和桩土体系共同作用结果的影响，呈现出耦合 性和非线性，故严格说来只能用增量法来模拟共同作用的全过程。 桩一土相互作用模型的二维摩擦一接触单元模型【1 4 】如下： 设物体a 与物体b 相接触，则整体系统的方程可写成： 髟0 麓 兰：) 一t 笔) = 。 e 2 ，) a 和b 两部分是由两节点约束单元连接的，因此，沿连接处定义了成对的具有独立 局部位移的结点。 砰) = 嘶，m ，吃，吩，坞，屹) r 似) = u ，鸭，v s , u 6 , v 。 r 喁) = 吲 砰) ) = 丁 ) 吲= j0 c 0 0 0 i f c 】 【00 c 】j 吲= 三矧 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 基于桩士耀互作用的鸯手 式平台桩靴强度研究 = 不同结点位移的巍康功为： 4 户艿( k ) 一 帆五) 或者，将变形转换为整体坐标系下： 4 ，露= 艿( 闻r ( 一 群 势7 2 黑万( c a ) r ，) f ) 是外部载荷作用下的结点力，因此附加内力也产生虚功： 4 ，盖- - 8 x r 嗣 相应的外力功为； 4 ，五= 万 五) f 搿，) q ；是结点初始位移。 使内外功相等，则结果如下： 4 = 名 4 ，。+ 4 ， = 4 ，。+ 以，丑 得捌约束结点单元的露l 度矩阵： 艿 兰) r 【昌鼍 得到约束结点单元的刚度矩阵： 。兰，言7 三) = 1 0 q 嚣n c 而对于砂性土，则有 厂= 曼t a n ( g , - 5 ) ( 2 1 9 ) g = 虬昂 。 式中c 为粘性土的剪切强度，几为计算点处的有效覆盖压力，k 为侧向土压力系数， 够为砂性土的内摩擦角，q 为单位桩端承载力；k ，n q 分别为粘性土和砂性土的无量纲 承载能力系数。 粘土桩尖荷载一位移( q z ) 曲线换算： a p i 要 2 a ( 2 0 0 0 ) 规范中规定凋，只有较大的桩尖位移才能动员全部的端部承载 力。图2 1 为粘土桩尖荷载q 位移z 传递曲线，曲线上各点数值见表2 1 。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 粘土桩尖荷载一位移( q z ) 曲线 f i g 1 1 t h eq - zc u r v eo f t h ec l a y 表2 1 粘土桩尖q z 关系表 t a b 2 1 r e l a t i o n s h i pb e t 、) 陀e nq - z i nc l a y z 他f d fq q 糟i j n a x 0 0 0 2 0 0 0 1 3 0 0 0 4 2 0 0 0 7 3 0 0 1 0 0 0 o 2 5 0 5 0 o 7 5 o 9 0 1 0 0 表中： z r d 一土层中桩尖的局部位移( m i n ) d r e f 一参考桩的直径( m m ) q 一可动员的桩端承载力( q 赋m 。一用静力桩承载力法计算出的参考桩桩端承载力 按照a p ir p2 a ( 2 0 0 0 ) 规范规定：粘性土中参考桩桩端承载力力( q r e f _ m a x ) 按照 形成土塞考虑，对于形成土塞的桩，端部承载力作用在桩端整个横截面上。其值不仅与 土壤的性能有关，而且与灌入桩直径也有关，计算公式如下： q r c 踯= 9 品孚 ( 2 2 0 ) 基于桩主榴互器震的前哮式平台桩靴强度研究 式中：s ，为不排水拭剪强度。 通过上述表格和公式可以看出对于任何直径的桩，其在粘土层中可动员的桩端承载 力不仅与桩的位移有关，丽且与灌入桩的蛊径有关。通过规范知道不论桩径多少，如果 产生相同倍数化桩径酶轴向位移，其动员的端部承载力与最大端部承载二0 - 2 间的比值是 相同的。这就是说，对予给定的d f e f 的粘桩尖荷载q 位移( q z ) 曲线换算成任意 d n e w ，需将横坐标郎桩尖位移乘以系数d 。懈7d r e f ，同时要将对应的纵坐标即动员的桩 端承载力也要乘以系数( d 一d 耐) n 从而完成曲线换算。 2 3自升式平台桩靴地基承载力的计算 钻井平台桩靴插入深度兹计算是分析插桩压力是否满足基底土极限承载力要求的 问题。对移动式钻井平台地基土极限承载力的计算，目前在我国还没有统一规范，在实 际工作巾，一般采用国外提出的针对不燕类型土的极限承载力简化计算式计算。在近二 十年的使用过程中，利用这些公式计算的平台插桩深度与实际插桩深度基本相符；但由 于作业区不同，土质不同，地区经验不同，某些土试验参数的确定，计算参数的选取， 应用计算公式时限制条件的选择等，对计算结果影响较大。不同土质的几种计算方法如 下： ( 王) 粘性桩靴的极限承载力计算方法嘲【1 鼙 对于粘性土，一般按桩靴插入土中所产生的孔及孔壁是否崩塌分为土的回填和非回 填两种情况。 对于回填情况，土的极限承载力用( 2 2 1 ) 式计算： f = 戤气+ f v ( 2 2 1 ) 其中，c 粼6 ( 1 + 0 2 h b ) 式串：卜土的极限承载力，k n a _ 一桩靴面积，l n 2 ； 卜桩靴埋深，m ； b _ 一桩靴宽度，m ； 以一承载力因子； f 。一桩靴埋深以下土的平均不排水抗剪强度，斟m ； y 一桩靴所排开的土的有效容重，斟m ； v 一桩靴排开的土体积，礅3 。 大连理工大学硕士学位论文 对于非回填情况，土的极限承载力则用式( 2 2 2 ) 计算： f = 么( c + y 功 ( 2 2 2 ) 式中：，一桩靴埋深以上土的平均有效容重，n k m 一。 ( 2 ) 砂土桩靴土的极限承载力计算方法 砂土桩靴土的极限承载力用式( 2 2 3 ) 计算： f = a o 3 y t 6 ，+ 彪j l ( 心一1 ) + y v ( 2 2 3 ) 式中： 力伽h + b 2 ) 土的平均浮容重，斟m 一； 心一桩靴埋深以上土的浮容重，n k m ； ，、m 基于土有效内摩擦角缈的承载力系数； y 一桩靴所排开土的平均有效浮容重，n k m 。 ( 3 ) 粉土桩靴土的极限承载力计算方法 粉土上的桩靴土的极限承载力计算没有固定的公式，其插桩深度分析根据桩靴插入 期间土的排水属性估计，分别按砂土上的桩靴计算方法或粘性土上的桩靴计算方法进行 计算。 ( 4 ) 刺穿分析 软弱下卧层强度验算【1 9 】： 当一硬粘土层或粒状土层之下潜伏着一层软弱土层时，由于硬层和软弱下卧层之间 承载力不同，可能会存在桩脚潜在的刺穿危险。对于这种类型的土层结构须进行刺穿分 析。在实际分析中通常采用y o u n g 和f o c h t 的3 ：1 荷载扩展分析法，这种方法假 定施加在硬土层上的基础荷载被扩展通过硬层，在软弱层的顶面产生一