（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）深水导管架的海上安装设计分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 钢制导管架式结构是目前海上油气田使用最广泛的一种平台结构，它的 优点是结构简单、安全可靠、造价低廉、适应性强。在国外导管架平台已有 一百多年的历史，与此相关的工艺技术十分成熟。在国内海洋石油开发起步 较晚，相应的设备和技术与国外相比还很落后，导管架的作业局限于浅海领 域，水深均不超过2 0 0 米。我国的东海、南海蕴藏有丰富的油气资源，随着 国内对海上油气进一步的开发，迫切需要掌握深水导管架的安装技术。本文 以亚洲最大的导管架p y 3 0 为计算模型，深入研究了导管架的海上安装设计 的方法：一是下水驳船的稳性分析，根据研q v 规范对完整稳性和破舱稳性 的规定，判断驳船稳性是否满足施工要求；二是导管架运输分析，根据环境 条件和驳船运动响应，校核导管架在拖航过程中结构强度；三是导管架下水 分析，分析导管架在基本工况、破损工况里的下水扶正过程，并对敏感度做 了研究。 关键词：导管架；完整稳性；破舱稳性；运输；下水；自扶正 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lj a c k e ts t r u c t u r ei st h em o s tc o m m o np l a t f o r ms t r u c t u r eu s e db yo f f s h o r e o i la n dg a sf i e l d sa tp r e s e n t i t sa d v a n t a g e sl i ei ns i m p l es 1 旨u c 咖s e c u r i t y , l o w m i c ea n db e t t e ra d j u s t a b i l i t y j a c k e tp l a t f o r mh a sb e e nu s e df o rm o l et h a n1 0 0 y e a r so v e r s e a s ，t h er e l a t e dt e c h n i q u e s i s p e r f e c t a t h o m eo f f s h o r eo i l d e v e l o p m e n ts t a r t e dl a t e l y a n dt h er e l e v a n t e q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g y a l e c o m p a r a t i v e l yl a g g a r d ，t h ei n s t a l l a t i o no p e r a t i o nf o rj a c k e ti sl o c a t e di ns h a l l o w s e a , w i t haw a t e rd e p t ho fn o te x c e e d i n g2 0 0m e t e r s t h ee a s ta n ds o u t hc h i n a s e ai sa b u n d a n ti no i la n dg a sr e s o u l g e s ，a st h eo f f s h o r eo i la n dg a sb e i n gf l l r t h e t d e v e l o p e db yo u rc o u n t r y , w en e e dt og r i pt h ei n s t a l l a t i o nt e c h n o l o g y i n d e e p - w a t e rj a c k e tu r g e n t l y t h et h e s i st a k e st h eb i g g e s tj a c k e tp y 3 0i na s i aa s c a l c u l a t i n gm o d e lt ot h o r o u g h l ys t u d yt h ed e s i g nm e t h o d sf o rj a c k e to f f s h o r e i n s t a l l a t i o n ：f i r s ti st h es t a b i l i t ya n a l y s i sf o rl a u n c hb a r g e ，d e t e r m i n ew h e t h e rt h e s t a b i l i t yo fb a r g es a t i s f yt h ec o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e ma c c o r d i n gt ot h er u l e so n i n t a c ts t a b i l i t ya n dd a m a g e ds t a b i l i t yb yd n v ；s e c o n di st r a n s p o r t a t i o na n a l y s i s f o rj a e k e t ，c h o c kt h es 廿e n g t hf o rj a c k e ti nt h ec , o l i r s co ft o w i n ga c c o r d i n gt ot h e e n v 如o n m e n tc o n d i t i o na n dm o t i o nr e s p o n s eo fb a r g e ；t h i r di sl a u n c ha n a l y s i sf o r j a c k e t , a n a l y z et h el a u n c ha n ds e r f - u p e n d i n go f j a c k e ti nb a s ec a s ec o n d i t i o na n d d a m a g e dc a s ec o n d i t i o n , o t h e r w i s ed ot h er e s e a r c ho f s e n s i t i v i t y k e y w o r d s ：j a c k e t ；i n t a c ts t a b i l i t y ；d a m a g e ds t a b i l i t y ；t r a n s p o r t a t i o n ；l a u n c h ； s e l f - u p e n d i n g i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：阳勺年多月，午日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 随着全球对石油、天然气等一次性能源消耗的加剧，原油价格节节攀升， 海洋逐渐成为全球石油勘探的重点目标。据国外有关机构预测，未来世界油 气总储量的4 4 来自海洋的深水区。我国有1 8 万公里漫长的海岸线，按照 国际法和联合国海洋法公约，管辖的海域面积达到3 0 0 万平方公里，接近 陆地领土面积的1 ，3 ，其中南海领域石油地质储量达到2 0 0 亿吨以上，素有全 球“第二个波斯湾”的称号。目前我国海洋油气资源开发仍主要集中在2 0 0 米水深以下的近海领域，尚不具备超过5 0 0 米水深的作业能力，深海领域的 规模开发几乎处于空白状态。 海洋平台结构形式众多，大致可以分为三大类：一类是浮式结构，结构 主要靠自身的浮力漂浮于海面，比如半潜式平台；第二类是固定式结构，结 构牢固地直接与海底连接，如导管架式平台，重力式平台等；第三类是顺应式 结构或称半固半浮态结构，此类结构既处于漂浮状态，底部又与海底相连( 包 括由张紧地锚索与海底相连的结构) ，如张力腿平台，各类单点系泊和立管系 统。 目前大型深水导管架常用的海上安装方法有两种：一是吊装，采用大型 的浮吊作业，比如国外s a i p e m7 0 0 0 安装有双7 0 0 0 吨浮吊，起重能力达到 1 4 0 0 0 吨，国内有蓝疆号，起重能力是3 8 0 0 吨，二是滑移下水，下水驳船压 载倾斜一定角度，导管架在自身重力作用下克服摩擦力沿滑道运动入水。下 水之后浮正方法也有两种：一是通过浮吊钩头吊起，导管架底部注水浮正， 二是由导管架顶部浮筒提供浮力自浮正的方法。由于深水导管架重量远远超 过现有浮吊起重能力，现今滑移下水自浮正的方法能克服这一难题；2 0 世纪 7 0 年代初在国外己开始有在海上实施成功的先例，8 0 年代初，相关的设计、 安装方法和数值模拟软件已趋于成熟，随着国内向海上深水油田的进一步开 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发，掌握这方面的安装方法并使之应用于深水项目尤为重要。 1 - 2 国内外发展现状 从打第一口海上油井算起，海洋固定式平台的发展，至今已有一百多年 的历史。在这样长的时间里，海洋固定式平台经历了一个从浅水向深水，从 技术单一到技术密集的发展过程。 1 8 9 6 年在美国加利福尼亚州海岸外海区用固定式的木质钻井平台，钻了 世界上第一口海上井。1 9 2 4 年在委内瑞拉的马拉开波湖中，也是用木质平台 钻了第一口水上井，随后，木制平台大量出现。这种木制平台的特点是：工 作的水深不大，一般都在3 5 4 5 米的范围内，平台结构比较庞大，用桩量 多，一座平台所用的桩都在1 0 0 根以上。 1 9 4 7 年在墨西哥湾的沃密林，第一次采用了钢质导管架平台f 水深6 m ) 。 整个平台结构先在岸上拼装，再用驳船运到沉放地点并用起重机把它沉入海 底，最后用2 6 8 根2 0 - - 2 5 c m 的桩把平台固定在海床上。这一新型平台结构 型式的出现，由于具有工作水深大，施工方便等优点，很快得到推广和发展， 并且取代了传统的木桩平台。随着技术水平的提高和大型浮吊设备的出现， 钢质桩基平台有了很大的改进，平台的工作水深逐年增加，由最初的6 米发 展到几十米，以至超过3 0 0 米的深海海域，从而大大地扩大了导管架平台的 使用范围。1 9 8 8 年6 月，美国壳牌石油公司，在墨西哥湾深水区建造了一座 命名为”b u u w i n k l e ”的导管架平台，该平台的导管架总高度为4 1 6 米，该导 管架采用水下群桩固定，在导管架四个角上，共设置了2 8 根桩，桩径2 1 3 米，桩长1 6 4 米，每根桩重3 7 5 吨。1 9 9 4 年7 月，世界上第一座桶形基础固 定式采油平台e l l r o p i p e l 6 l i e 平台，成功地安装在北海油田挪威海域， 该平台以四个直径1 2 米，高9 5 米的桶为基础，采用负压抽吸的施工方法 将桶贯入到目的层，改变了固定式平台以桩为基础的传统结构形式和旅工方 法。 1 9 6 6 年1 2 月底，我国第一座固定式平台被成功地安装在渤海湾水深6 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 米处的油田上，这是一座导管架型平台，它是作为海上钻井装置载入我国海 洋油气田开发史册的。从这一平台算起，我国固定式平台发展已有4 0 年的历 史。这期间，我国先后在渤海湾水深6 _ - 2 5 米范围设计和安装了1 0 0 多座固 定式平台。1 9 8 6 年3 月，渤海石油公司平台制造厂为南海涸1 0 - _ 3 油田成功 地制造了井口导管架平台，标志着我国导管架平台制造已达到了世界先进水 平。 近几年我国的海洋平台建设更是得到了迅猛发展，东海春晓油气田群的 平均作业水深达到1 2 0 米，南海领域番禺惠州油田已经达到2 0 0 米作业深度， 完全具备了2 0 0 米水深导管架设计、建造和安装能力。 目前，世界各主要海洋石油公司及海洋工程( 设计) 公司和集团都拥有自 己的计算中心和专用的计算机程序，以承担所进行的平台设计、建造和海上 安装任务。因此，计算机软件的拥有量和其功能，也是衡量有关公司和集团 的技术水平的一个重要标志。 目前国外正在使用导管架的程序有：英国劳氏船级社的l r 3 5 3 程序、美 国的s a c s 程序以及日本的q j d s 程序。我国的一些高等学校和设计研究单 位近年来已开发出适用于平台设计的专用程序，如大连理工大学的d a s o s - - j 海洋钢质导管架平台设计分析程序，上海海洋石油平台工程设计公司的 s o e c o 海洋平台工程计算机程序等。导管架型固定式平台的计算主要是导管 架结构计算和桩基计算、导管架结构计算的程序，都是以有限元中的直接刚 度法为基础，并考虑结构一桩一土三者共同工作而编制。程序主要包括外荷 载计算程序、导管架结构静力分析程序和结构桩土相互作用程序。浮体 运动相关的软件有m o s e s 、s e s a m 软件。m o s e s 静力学部分是完全免费 的，可以用来计算船舶稳性、驳船拖拉调载：水动力学方面以2 d 切片理论 为基础，可以作系泊分析、船舶运动计算。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文主要的研究工作 本文以亚洲海上油气平台最大的导管架p y 3 0 ( 钢结构1 9 0 0 0 余吨，钢桩 6 0 0 0 余吨) 为模型，深入研究一整套导管架安装设计的计算方法。 ( 1 ) 驳船( i n t e r m a c6 5 0 ) 稳性分析，包括完整稳性和破损稳性。 ( 2 ) 拖航过程中的导管架结构分析，根据环境条件和驳船运动结果，校 核导管架结构强度。 ( 3 ) 下水分析计算，包括基本工况和破损工况( a 1 腿注水) ，看导管架 运动轨迹是否安全稳定，得到摇臂支反力，用作强度校核，防止摇臂过载。 ( 4 ) 敏感度研究，本文主要是计算重量和重心的变化对下水轨迹的影响。 稳性分析和下水分析采用的是m o s e s ，结构分析采用的是s a c s 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章驳船稳性分析 驳船稳性分析是整个导管架安装设计的基础，稳性分析有三个目的：一 是校核驳船稳性是否满足规范要求；二是计算各个压载舱室的水量，通过压 载系统把驳船调平；三是求出驳船摇摆重心的位置，为后续的运输分析做准 备。根据驳船和导管架重量、重心可以采用m o s e s 计算驳船的稳性( 静稳 性) ，包括完整稳性和破损稳性，风速分别取8 1 5k n o t s 和5 7k n o t s 。 以下是d n v 规范对驳船稳性的要求： 1 、经过自由液面修正完整稳性g m t 0 。 2 、恢复力距与风倾力距曲线面积比1 4 ，即似+ 回1 4 ( b + c ) ，对应 的倾角是第二交点或者入水点( 两者取较小者) ，风速最小取7 0 k n o t ，如下图 所示： 态。 图2 1 完整稳性规范 3 、经过自由液面修正破损稳性g m t _ 0 。 4 、在任何一舱破损注水的情况下，船舶有足够的储备浮力和稳性保持浮 5 、破损情况下的恢复力距与风倾力距曲线面积比1 0 ，即 5 啥尔滨工程大学硕士学位论文 “+ b ) - 1 o ( b + o ，同样对应的倾角是第二交点或者入水点，风速最小取 5 0 k n o t ，如下图所示： 图2 2 破舱稳性规范 2 1 坐标系统 m o s e s 坐标系统是基于驳船坐标系，如图2 3 所示： p r o l i m v i e w p o r t f 南o 叼 1 8 5o o g 白- l v i r o t t m g n | h e a d i n g s 图2 3m o s e s 坐标系统 6 咖 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 6 5 0 船长1 9 8 1 2 m ，型宽5 1 8 2 m ，型深1 2 2 m 。驳船和导管架重量、重心如 下表所示： 表2 1 驳船和导管架重量、重心 重量x ( m )y z o n ) ( f r o mb o w ) ( f r o mc l ) ( f r o m k e e l ) 1 6 5 04 0 0 2 4 2 l l o 1o 16 1 导管架 1 8 7 1 31 1 3 30 24 2 1 垫敦 8 0 79 0 5o o1 3 6 总计5 8 8 1 7 9 1 1 1 1o o1 7 7 2 2 完整稳性 风速8 1 5k n o t s ，从稳性曲线能看到恢复力臂与风倾力臂曲线的第二交点 对应的横摇角是4 8 0 ，此时面积比大约是3 0 1 4 ，满足规范要求，稳心高是 t l ，7 5 m 0 ，也满足规范要求。 图2 a 完整稳性曲线图 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 破损稳性 风速取5 7 k n o t s ，破损舱室6 a 和8 a ，其他舱室计算结果相类似，下面 是稳性曲线图，同样满足规范要求。 图2 56 a 舱室破损稳性曲线图 图2 68 a 舱室破损稳性曲线图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 舱室布置和压载图 驳船艏吃水6 m ，纵倾o 5 0 ，没有横倾。为了减小自由液面对稳性的影响 根据规范要求，水舱压载水的理想状态是小于3 0 或者大于7 5 。结果显示 只有3 a 、7 a 、7 e 三个舱室压载水介于3 0 一7 0 之间，其他舱室均符合要 求。各舱室压载见下表： 表2 2 驳船舱室布置表 0 0 舱室重量 水深 xyz 2 a1 0 1 4 9 3 1 7 5- 1 9 1 56 0 51 1 0 89 0 2 b1 0 3 6 2 3 2 0 9- 9 8 41 3 92 6 32 l 2 d 1 0 3 6 2 3 2 0 99 纠1 3 92 6 82 1 2 e1 0 1 8 43 1 7 41 9 1 66 0 51 1 0 89 0 3 a5 2 9 5 5 8 7 8 1 9 1 2 3 2 55 8 64 5 3 b 9 9 7 55 8 9 01 0 0 61 2 22 4 42 0 3 d9 9 7 55 8 9 0l o 0 61 2 22 4 42 0 3 e5 8 8 35 8 7 71 9 1 33 5 46 4 45 0 4 a2 3 5 38 6 3 4- 1 9 0 21 8 02 9 82 0 4 b2 4 9 4 8 7 1 0 0 50 3 lo 6 l5 4 d 2 4 9 48 7 1 0 0 5o 3 lo 6 l5 4 e2 3 5 38 6 ，3 41 9 0 21 8 02 9 82 0 5 a 2 7 1 11 1 5 1 01 9 6 l1 6 42 6 61 5 5 b2 9 9 31 1 4 2 91 0 ，0 5o 3 70 7 36 5 d2 9 9 31 1 4 2 9l o 0 5o 3 70 7 36 5 b2 7 1 11 1 5 1 01 9 6 l1 6 42 6 61 5 6 a5 5 1 81 4 1 2 12 l ，2 51 7 52 9 42 0 6 1 37 4 8 11 4 1 2 7 1 0 0 6 o 9 2 l 8 3 1 5 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 d7 4 8 11 4 1 2 71 0 0 60 9 21 8 31 5 6 e8 2 7 71 4 1 1 32 1 3 82 3 4 4 0 93 0 7 a 1 2 5 7 91 6 8 5 12 1 4 73 2 65 9 l5 0 7 b 9 1 3 71 6 8 6 5 一1 0 0 6 1 1 2 2 2 42 0 7 d 9 1 3 71 6 8 6 5l o 0 61 1 22 2 4 2 0 7 e1 2 5 7 91 6 8 5 12 1 4 73 2 65 9 l5 0 8 a5 9 4 21 8 9 7 9- 2 1 4 32 7 65 1 48 0 8 b1 1 3 7 11 8 9 8 910 0 62 4 04 9 6 8 0 8 ( 24 2 4 ，21 8 9 8 9o 0 02 3 94 9 68 0 8 d1 1 3 7 11 8 9 8 91 0 0 62 4 04 9 68 0 8 e5 9 4 21 8 9 7 92 1 4 32 7 65 1 48 0 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7驳船舱室布置图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先详细介绍了d n v 规范对驳船完整稳性和破舱稳性的要求，通 过m o s e s 软件分析结果来判断下水驳i n t c r m a c6 5 0 的稳性是否满足规范。 计算结果表明，驳船稳性是足够的，满足规范要求。m o s e s 通过压载系统 把驳船调载到一个理想状态，尽量使各个舱室的水量小于3 0 或大于7 5 ， 来减小自由液面的影响。分析结果表面大多数舱室均满足这一要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章导管架运输分析 运输分析是校核导管架在拖航状态下的结构强度，根据规格书取十年一 遇风速，并且采用驳船运动数据组合工况，来校核其结构强度。本章分析计 算p y 3 0 导管架通过i n t e r i c t a c 6 5 0 从深圳赤湾场地拖航至番禺油气田整个拖运 过程中的各种工况，共计2 4 个载荷工况。导管架的重量是1 9 1 3 6 m t ，绑扎固 定的重量大约是1 3 9 m t ，总重量是1 9 2 7 5 m t 。 运输分析主要采用以下规范和标准： a ) a p i r p 一2 a ：美国石油学会推荐的海洋平台设计、建造和安装方法 b ) d o c - d p p - o i 8 0 0 10 1 ：详细设计规格书。 3 1 分析软件 分析软件采用s t r u c t u r ea n a l y s i sc o m p u t e rs y s t e m ( s a c s ) 。s a c s 软件是e n g i n e e r i n gd y n a m i ci n c 的产品，可以用来分析导管架和组块整体 结构、板、壳、杆件和节点的强度校核。s a c s 采用的是三维整体分析方法， 载荷包括自重、附重、风载荷和船舶运动数据。后处理功能相当丰富，可以 图形显示每一工况的u c 值，在s a c s 中u c 值是指实际应力与许用应力的 比值，为了后处理方便一般取0 一o 8 、0 8 1 0 、1 0 - - 5 0 0 三个范围， u c 值小于1 0 即认为结构是安全的。 3 2 力学计算模型的建立 导管架结构是支承结构的一部分。对导管架结构进行受力分析，是将其 简化为三维空间刚架结构，分析它们在环境荷载和使用荷载的作用下，计算 各构件的内力。 3 2 1 导管架力学计算模型 导管架结构的静力分析是以线弹性理论为基础的，因此需作如下假定： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 导管架所使用的材料是线弹性的，单元结点力与结点位移之间保持 线性关系； ( 2 ) 各单元或结构变形与整个导管架结构尺寸相比很小，因此可以应用 迭加原理。 在这两个假定的条件下，整个导管架结构将为线弹性结构。导管架力学 的计算方法采用结构力学的直接刚度法，将整个导管架简化为三维空间桁架 结构，用有限元法进行计算。由于导管架的主要构件大多是杆件，计算时将 其简化为三维梁单元，用杆件的轴线表示，导管架构件之间的结点即为单元 结点，计算时假定单元结点为刚结点。两结点之间的构件，为一个单元。 为便于分析，对导管架结构进行计算时，选取了两个坐标系，一个是结 构坐标系，一个为单元坐标系，如图3 1 所示。 ( 1 ) 结构坐标系是一空间固定的直角坐标系，如图3 1 ( a ) 所示，以x 、y 、 z 表示。以空间任意一点为原点，取竖直向下为y 轴，在水平面内以右手坐 标系构成x 轴和z 轴，而构成空间结构直角坐标系。 结构坐标系 ( i ，j ，吒) ( b ) 空问单元坐标系 图3 1 结构计算模型 ( 2 ) 单元坐标系是用于表示局部构件的直角坐标系，以x f , y ，z 表示，如 图3 1 所示。设梁单元i 的两端结点为j 、k ，以始点j 为原点，沿单元轴线 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方向为x j 轴，在水平面内取轴z 。与工，轴相垂直，y 。轴与工，、z ：所构成的 平面垂直，并以右手坐标系的方向为正。 对结构任意杆件i ，其始结点为：j ( x j ，乃，乃) ，终结点为：| | ( 黾，欺，缸) ， 在结构坐标系下的结点荷载矩阵 所 和 a 以及结点位移矩阵矩阵 q 和 以 为： f 1 , = h 日 h 嘞 m 日 ，i 以 = 心 月k 慨 地 ，tq = 吩 吩 哟 1 以l = 规定结点力( ，易，日二，日吐) 的方向与结构坐标轴方向一致时为 正；结点力矩( m f ， ，坞， 红，肜砖，肘。) 按右手坐标系取螺旋前进的转动方 向为正。结点位移与坐标轴方向一致时为正，结点转角取与外力的正向一致 为正。 单元i 在单元坐标系下的结点荷载矩阵 p 。， 和 p j 以及结点位移矩阵 矩阵 u j 和 u ： 为： p i = h 日 p 牙 碍4 m 日 搬口 肘4 ， p i i = h 矗 矿一 h 矗 醛矗 肘叠 肘矗 ， = “l i a l 口 口彳 。l i = u i i w k 吐 讧 矿正 规定结点力( 日0 ，矿0 ，日，日i t ，矿k ，h 。吐) 的方向与单元坐标轴方向一 致时为正；结点力矩( m 0 ，m 0 ，m d ，肘l t ，m k ，肘么) 按右手坐标系取螺旋前 进的转动方向为正。结点位移与坐标轴方向一致时为正，结点转角取与外力 的正向一致为正。 饥 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ，3 2 管节点的力学模型 管结点的典型构造如图3 2 所示。较大直径的杆称为弦杆，与弦杆焊在 一起较小直径的杆叫做撑杆，撑杆与弦杆交接线内弦杆壁部分称为塞板。 根据撑杆与弦杆的配置关系，常见的管结点有t 、y 、k 、t k 及交叉型等， 图3 3 即为这类非加强的简单管结点示意图。 图3 2 管节点构造图 5 掰y 图3 3 简单管节点类型 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对简单管结点的构造必须满足： ( 1 ) 撑杆不应穿过弦杆管壁，撑杆和弦杆轴线间的夹角不宜小于3 0 。 ( 2 ) 如果在接点处弦杆管壁需要加厚，则接点管壁段加厚部分的长度应 超出撵杆外缘( 包括焊脚) 至少d 4 或3 0 0 r a m ，取其较大值，如图3 4 所示。 ( 3 ) 如果在结点处撑杆需要增加壁厚或改用特种钢材，则其加厚部分的 长度应从接连端部延伸出最少等于撑杆直径d 或6 0 0 m m ，取其较大值。如图 3 4 所示。 ( 4 ) 工程上不搭结撑杆之间至少有5 0 m m 的间隙；为了使弦杆结点管段 不至过长，撑杆轴线和弦杆轴线的交点与过撑杆间隙中点对弦杆垂线的距离 不要超过d 4 ，如图3 4 所示。 图3 4 简单管节点构造 运输分析中，导管架模型是根据详细设计数据建立的，弦杆和撑杆的加 厚段不用再作考虑，只是在s a c s 中，管节点应力分析采用的是a p i 规范， 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 撑杆之间的间隙最小是5 0 r a m ，如图3 5 所示。 图3 5 撑杆整体偏移图 为了近似地分析由一撑杆引起的弦杆内的冲剪应力，可忽略弦杆的盐率， 按插入平板的倾斜圆杆来处理。在此情况下，相交周线一般为椭圆，其长、 短轴分别等于2 r s i n o 、2 r ，这里r 代表撑杆的半径，0 是它的倾角。总冲剪 应力可由下式计算： 印叫t o os i n o + 寻 式中口= t t 口一撑杆与弦杆轴线的交角； 吒，吒一撑杆的轴向应力与弯曲应力； 艺= 嘉，= 乞券里一非圆形相交曲线的相对长度因子和相对截面因 子5 c - 一弦杆与撑杆交线的周长。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由上式计算的冲剪应力邱，不应超过弦杆材料的许用剪应力 f 】= o 4 ， 也不应超过下列许用冲剪应力【印】。但在极端条件下【砟】可提高l 3 。许用冲 剪应力h j 计算公式为： 【印】2 g g 纺面 管节点特征尺寸参见图3 2 。 式中q 一节点处弦杆材料的屈服强度或2 3 抗拉强度，取两者较小值； ，一弦杆半径与厚度比r r $ q q - 一根据载荷类型并考虑节点几何形状的影响系数； q ，一塑性储备系数； q 广弦杆中轴向载荷的设计系数。 3 。3 环境条件 根据设计规格书，风速取4 1 ，5 m $ ( 十年一遇风速) 。 3 4 计算模型 模型已包括下水支架( c r a d l e ) 和绑扎固定重量。杆件属性来源于最新 的重控报告( w c r ) ，运输计算模型如图3 6 所示。摇摆中心是由稳性分析结 果换算得来，x = ”7 7 5 6 m ，y = 0 m ，z = 1 9 9 8 8 m 。 图3 6 导管架计算模型 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 导管架的位置如下图所示： 图3 7 导管架位置图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 载荷 3 5 1 驳船运动数据 以下数据是根据现有的驳船运动分析报告得来，详见报告 c a i ，t o i 8 0 2 1 0 】： 表3 1 驳船运动数据表 艏浪 斜浪横浪 横摇0 。3 5 8 05 2 2 0 纵摇2 8 7 02 7 1 o 0 4 1 0 摇艏 0 0 1 0 3 0o 1 7 0 横摇加速度 0 0 4 3 0 s 2 0 6 5 0 s 2 纵摇加速度0 6 9 0 s 2o 8 2 0 s 2o 2 7 0 s 2 摇艏加速度 o 0 3 0 0 s 20 2 6 。s 2 纵荡 4 - 0 0 3 0 90 0 2 9 94 0 0 0 2 9 横荡 0 4 0 0 3 1 9o 0 9 9 9 升沉 o 0 3 9 94 - _ 0 0 5 6 94 - 0 1 4 1 9 3 5 。2 风载荷 风载荷也是通过s a c s 来模拟，方向如图3 8 所示： 剑 90 l 一一u 翮 27 0 。 图3 8 风载荷方向图 2 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 3 基本工况和组合工况 这里采用的是极值分析法，首浪与1 8 0 0 的风向组合，尾浪与o o 的风向组 合，横浪与9 0 0 、1 8 0 0 的风向组合，斜浪与对角线风向组合。这样一共是2 4 组合工况，第2 5 工况只包括自重，作为参考，这也是目前作运输分析常采用 的方法，结果如表3 2 。 表3 2基本工况表 工况号载荷载荷描述 备注 1g r a y + i n e r t i a ig r a y 一h e a ds e ap i t c h - s u r g e + h e a v e 1 8 0 o 2g r a y + i n e r t i a lg r a v + h e a ds e ap i t c h + s u r g e + h e a v e 0 o 3g r a v + l n e r t i a ig r a v - h e a ds e ap i t c h + s u r g e + h e a v e 1 8 0 o 4g r a y + i n e r t i a i g r a v + h e a ds e ap i t c h - s u r g e + h e a v e0 。 5g r a y + i n e r t i a ig r a v 一h e a ds e ap i t c h s u r g e - h e a v e1 8 0 o 6g r a y 4 - i n e r t i a l g r a v + h e a ds e ap i t c h + s u r g e h e a v e0 o g r a v q u a r t e r i n gs e ar o l l - q u a r t e r i n gs e a 7g r a v 4 - i n e r t i a l p i t c h q u a r t e r i n gs e a 1 3 5 o y a w - s u r g e + s w a y + h e a v e g r a v - q u a r t e r i n gs e ar o l l4 - q u a r t e r i n gs e a 8g r a y 4 - l n e r t i a l p i t c h4 - q u a r t e r i n gs e ay a w 4 5 o + s u r g e + s w a y + h e a v e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g r a y 一q u a r t e r i n gs e ar o l l q u a r t e r i n gs e a 9 g r a v + 1 1 3 e r t i a i p i t c h - q u a r t e r i n gs e ay a w 1 3 5 。 + s u r g e s w a y + h e a v e g r a v 一q u a r t e r i n gs e ar o l l + q u a r t e r i n gs e a 1 0g r a y + i n a r t i a i p i t c h + q u a r t e r i n gs e ay a w 4 5 o s u r g e s w a y + h e a v e g r a y + q u a r t e r i n gs e ar o l l - q u a r t e r i n gs e a 1 1g r a y + i n e r t i a l p i t c h + q u a r t e r i n gs e ay a w 2 2 5 o s u r g e s w a y + h e a v e g r a y + q u a r t e r i n gs e ar o l l + q u a r t e r i n gs e a 1 2 g r a y 。+ i n e r t i a i p i t c h q u a r t e r i n gs e ey a w 3 1 5 o + s u r g e - s w a y + h e a v e g r a v + q u a r t e r i n gs e ar o l l q u a r t e r i n gs e a 1 3 g r a y + i n e r t i a i p i t c h + q u a r t e r i n gs e ay a w 2 2 5 o + s u r g e + s w a y + h e a v e g r a y + q u a r t e r i n gs e ar o l l + q u a r t e r i n gs e a 1 4 g r a y + i n e r t i a i p i t c h q u a r t e r i n gs e a 3 1 5 o y a w - s u r g e + s w a y + h e a v e g r a v - q u a r t e r i n gs e ar o l l - q u a r t e r i n gs e e 1 5 g r a v + i n e r t i a l1 3 5 o p i t c h - q u a r t e r i n gs e a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y a w s u r g e + s w a y - h e a v e g r a v - q u a r t e r i n gs e ar o l l + q u a r t e r i n gs e a 1 6g r a v + 1 1 3 e r t i a l p i t c h 十q u a r t e r i n gs e a 4 5 o y a w + s u r g e + s w a y - h e a v e g r a v + q u a r t e r i n gs e ar o l l q u a r t e r i n gs e a 1 7g r a v + i n e r t i a i p i t c h + q u a r t e r i n gs e a 2 2 5 o y a w s u r g e s w a y - h e a v e g r a v + q u a r t e r i n gs e ar o l l + q u a r t e r i n gs e a 1 8g r a y + l n e r t i a i p i t c h q u a r t e r i n gs e a 3 1 5 o y a w + s u r g e s w a y - h e a v e g r a v - b e a ms e ar o l l b e a ms e ap i t c h b e a m 1 9 g r a v + i r e r t i a i9 0 0 s e ay a w - s u r g e + s w a y + h e a v e g r a y 一b e a ms e ar o l l - b e a ms e ap i t c h b e a m 2 0g r a v + i r e r t i a l9 0 0 s e ay a w + s u r g e s w a y + h e a v e g r a v + b e a ms e ar o l l b e a ms e ap i t c h + b e a m 2 1g r a v + l r e r t i a i2 7 0 0 s e ay a w s u r g e - s w a y + h e a v e g r a v + b e a ms e ar o l l - b e a ms e ap i t c h + b e a m 2 2g r a y 。+ i r t e r t i a l2 7 0 0 s e ay a w + s u r g e + s w a y + h e a v e 2 3g r a y + l r e r t a i g r a v - b e a ms e ar o l l - b e a ms e ap i t c h - b e a m 9 0 o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s e ay a w s u r g e - i - s w a y h e a v e g r a v + b e a ms e ar o l l b e a ms e ap i t c h + b e a m 2 4 g r a y + i n e r t i a l 2 7 0 o s e ay a w s u r g e s w a y - h e a v e 2 5g r a y 1 o g w 0w i n d0 0 0 0 w 4 5w i n d 4 5 0 4 5 0 w 9 0w i n d9 0 0 9 0 0 w 1 3 5w i n d1 3 5 01 3 5 0 w 1 8 0w i n d1 8 0 01 8 0 0 w 2 2 5w i n d2 2 5 02 2 5 0 w 2 7 0w i n d2 7 0 0 2 7 0 0 w 3 1 5w i n d3 1 5 0 3 1 5 0 表3 3 组合工况 工况号载荷载荷描述备注 c 1l o a dc o m b i n e t i o n ( ”x 1 1 8 0 o 0 5 - i - ( w 1 8 0 ) x 1 0 c 2 l o a dc o m b i n a t i o n1 2 ) x 1 0 5 4 - ( w 0 ) x 1 00 o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c 3l o a dc o m b i n a t i o n 1 3 ) x i 1 8 0 o 0 5 + ( w 1 8 0 ) x 1 0 c 4l o a dc o m b i n a t i o n1 4 ) x 1 0 5 + l w o ) x 1 00 。 c 5l o a dc o m b i n a t i o n1 5 ) x 1 1 8 0 0 0 5 + c w l 8 0 ) x 1 0 c 6l o a dc o m b i n a t i o n( 6 ) x 1 0 5 - t - i w o ) x 1 00 o c 7l o a dc o m b i n a t i o n1 7 ) x 1 1 3 5 o 0 5 - i - l w l 3 5 ) x 1 0 c 8l o a dc o m b i n a t i o n 1 8 ) x 1 4 5o ， 0 5 + l w 4 5 ) x 1 0 c 9 l o a dc o m b i