（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自升式平台上下分体新模式的设计研究.pdf

中文摘要 针对我国现有自升式平台不能满足深水海域勘探开发的要求以及造价过高 的问题，本文提出一种自升式平台深水化改造新模式分体坐底自升式平台， 在基本不改变原有平台结构的基础上，通过增加可沉浮的平台下分体，使作业水 深增加5 0 m 以上，而造价远低于建造一座同工作水深的常规自升式平台。 本文简要介绍了深水化改造新模式平台的结构方案、作业工况及操作工序， 并对平台下分体进行了结构设计，通过升沉工况的控制，保证了平台下分体在下 沉入水、起伏出水过程中的稳性；对于平台下分体的压载进行了深化研究，给出 了不同工况时平台下分体压载水的重量重心。 作为一种新型平台，目前规范无法涵盖研究过程中所用到的计算方法。本文 探索了不同计算方法的适用性，并在此基础上有效地进行了平台下分体的结构强 度计算和整个平台的坐底稳性计算。 上下两大分体对接的过程中，缆索受力大小受海上浪流、平台下分体质量、 振摇频率以及引导索弹性的影响，决定了对接受力系统的设计参数。本文从静力 的角度对缆索受力进行了计算，从而保证平台上下分体的对接可以实现。 本文设计的结构经过检验计算是安全的、可行的，对我国海洋石油的深水开 发具有一定的借鉴和指导意义。 关键词：自升式平台上下分体改造设计总体性能坐底性能强度对接 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ei n c a p a c i t yo fr e c o n n o i s s a n c ea n de x p l o i t a t i o ni nd e e pw a t e ra n d h i g hc o s to ft h ee x i s t i n gj a c k - u pp l a t f o r m ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm o d e lo fu p g r a d e a b o u ts e l f - d r i l l i n gp l a t f o r m w t h en e wm o d e la b o u tj a c k - u pp l a t f o r mw i t ht w o - p i e c e u n i t e w i t h o u tt r a n s f o r m a t i o no ft h ei n t r i n s i cp l a t f o r mw h i l ea d d i n gal o w e r c o n s t r u c t i o nw h i c hc a r lg o e su pa n dd o w n ，t h en e wm o d e lc a nn o to n l yi n c r e a s et h e o p e r a t i n gw a t e rd e p t hb ya tl e a s t5 0m e t e r s ，b u ta l s ol o w e rc o s tg r e a t l yc o m p a r i n g w i t hb u i l d i n gag e n e r a lj a c k u pp l a t f o r mw o r k i n ga tt h es a l l ew a t e rd e p t h t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ep r e c e p t ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt h e m a n i p u l a t i o np r o c e d u r ei nb r i e f , a n dd o e sas t r u c t u r ed e s i g no ft h el o w e rc o n s t r u c t i o n b yc o n t r o l l i n gt h eu pa n dd o w nl o a dc a s et oe n s u r et h es t e a d i n e s sp a r a m e t e r s t h e ni t d o e sar e s e a r c ha t 也eb a l l a s to ft h el o w e rs t r u c t u r e a n dp r e s e n t st h ed i f f e r e n tb a l l a s t q u a n t i t i e sa n db a r y c e n t e r sw h i l eo p e r a t i n gu n d e rd i f f e r e n tl o a dc a s e s a san e wm o d e l ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o di sn o tc o v e r e di nt h ee x i s t i n gc r i t e r i o n ， s ot h i sp a p e rp u r s u e st h ea p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n tc o m p u t a t i o nm e t h o d s t h e ni t c o m p u t e st h es t r u c t u r a ls t r e n g t ho f t h el o w e rc o n s t r u c t i o na n dt h es u p p o r t i n gs t a b i l i t y o f t h ew h o l e p l a t f o r m w h i l ec o m b i n gt h et w o p i e c eu n i t e ，t h ef o r c eo ft h eh o m i n gr o p ei si n f l u e n c e d b yt h ew a v e ，t h ec u r r e n t ，t h ew e i g h to f t h el o w e rc o n s t r u c t i o n ，t h e 仔e q u e n c yo ff l a p a n dr o c ka n dt h ee l a s t i c i t yo ft h eh o m i n gr o p e ，w h i c hd e t e r m i n et h ed e s i g np a r a m e t e r s o f t h ea i m i n ga n dc o m b i n i n gs y s t e m t h ep a p e ra l s oc o m p u t e st h ef o r c eo f t h e h o m i n gr o p et h r o u g hs t a s t i ca n a l y s i si no r d e rt oa s s u r et h a ti ti sa c h i e v a b l et oa i ma n d c o m b i n eo ft h et w op i e c e s t h i sp a p e ra p p r o v e st h es e c u r i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n e ds t r u c t u r e ，a n d p r o v i d e sr e f e r e n c e sa n dg u i d e sf o rt h ee x p l o t a t i o no fo c e a no i li nd e e pw a t e r k e yw o r d s ：j a c k - u pp l a t f o r m ，t w o - p i e c eu n i t e ，r e f o r md e s i g n ，g e n e r a l p e r f o r m a n c e ，s u p p o r t i n gs t a b i l i t y , s t r e n g t h ，a i m i n ga n dc o m b i n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壬琳签字日期：渺c 1 年石月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗苤堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王动来导师签名： 签字目期：2 q 年6 月弓日 编葡钨 签字日期：1 年万月多日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程背景及本课题研究的意义 随着对能源需求的日益增加，油田开发正向深海发展，因此需要开发深海平 台。由于建造新平台造价昂贵、周期比较长等原因，采用对现有平台进行深水升 级改造的方法，在深海平台开发中比较普遍i lj 。 自升式平台是海洋钻井中广泛应用的装置，在浅海钻探装置中性价比最高。 现有自升式平台由浮体、桩腿、升降机械等构成，整个平台设计为一个整体。通 过升降装置的动作，平台主体或桩腿可垂直升降。钻完井后平台离开井位时，先 将主体下降到水面，利用水的浮力对主体的支持把桩腿从海底拔出，自升式平台 升起，然后移航到新井位1 2 j 。自升式平台在使用过程中有各种不同的操作状况， 又是各种移动式平台中最复杂的。自升式平台一般要经历如下的操作过程【3 】：移 航一就位一插桩一升起主体一压载一作业一降下主体一拔桩一提桩一固桩一移 航。但是受拖航稳性、结构刚度等影响，随着作业水深的增加，其造价急剧上升。 目前世界上共有自升式平台约4 0 0 座，占全部海洋钻井装置的4 0 以上，这 种平台作业水深最大为1 5 0m ，作业水深大于1 2 0 m 的自升式钻井平台只有2 0 座； 我国自升式平台最大作业水深多数在5 01 1 1 以内，最大作业水深大于9 0 m 的仅有4 座；中石油和中石化的自升式平台多数仅能在水深2 5m 以内使用，无法满足南海 海域勘探开发需要【4 j 。 为了逐步向深浅海迈进，以较低的成本对现有平台进行深水化改造，不失为 一条可以选择的途径。胜利石油管理局钻井工艺研究院结合自升式平台、坐底式 平台、半潜式平台技术，发明了一种分体自升式平台【5 】，可以用于现有自升式平 台深水化改造，也可以用于新型自升式平台设计，对解决现有自升式平台随水深 加大造价急剧上升的问题，是一种有益尝试。 自升式平台受拖航稳性限制，平台重心不能过高，受吃水深度影响，拖航时 平台桩腿必须完全升起，这就决定了平台升降桩腿不能太长。为了适应深浅海作 业，要使用较长桩腿，只有加大平台浮体主尺度，才能保证拖航稳性，而且由于 各桩腿分别独立，各桩腿刚度和强度要求都很高，桩腿重量及占用的甲板作业面 积很大【6 】l _ 7 1 ，相应地需要加大升降能力。升降系统造价十分昂贵，平台造价随之 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 急剧上升。 同时，自升式平台在深浅海作业时，由于长桩腿之间不能进行刚性连接，平 台受外力作用时上部位移较大，引起的偏心附加应力也影响平台的安全性。 现有浅海自升式平台配备了齐全的钻井、作业设备，只要能够在其底部增加 一套稳定的支撑结构，并安全可靠地完成海上对接，就可以到水深5 0 m 乃至1 0 0 m 以上的海区作业。这个底座的刚性容易保证，材料性能要求不高，而造价不会急 剧上升。 这就提出了一种自升式平台的新模式分体坐底自升式平台。 1 2 深水化改造的分体模式 分体坐底自升式平台的结构如图1 1 所示，主要由平台上体( 亦称自升式主平 台或原自升式平台) 、平台下体( 亦称坐底支撑结构) 、对接引导装置、压载系统构 成。平台上体，与常规自升式平台基本相同，各桩腿顶部安装导向轮，底部截面 中心设有导向套，这样除安装对接用机械设备外，原有自升式平台基本不进行改 造。平台下体由平台下箱体、固定桩腿及多个杆件组焊为一个刚性的平台下体， 通过合理设计可以使之具备漂浮稳性和沉浮稳性。平台下箱体被隔成数个压载舱 室，各压载舱室均设有通海口；对接引导装置包括绞车和配属引导索、导向轮、 导向套，绞车安装在平台上体上，引导索沿导向轮、导向套，穿过升降桩腿后固 定在固定桩腿的项部截面中心，通过收紧引导索，升降桩腿底端可以与固定桩腿 顶端基本对准，此时对接处的锥度结构可使两者精确对位。压载系统包括空压机 组和配属压载控制气路，空压机组安装在平台上体，压载控制气路与平台下体所 设各压载舱分别相连，利用气压控制海水进出压载舱，进行平台下体的沉浮操作。 拖航时平台上体、下体均漂浮在水面上；作业时在海上自行上下对接成一座平台 【5 】 o 平台下体，由于结构重心低，加上固定桩腿的浮力作用，采用柱稳式平台成 熟设计技术可以使其不仅具有漂浮稳性，还具有沉浮稳性，确保海上对位、拆分 过程的平稳、安全。平台下体为大型空间刚架整体结构，受外力变形很小。 平台上体通过升降桩腿支坐在平台下体的固定桩腿上，完全依靠自身重量和 压载重量来保持其竖向稳定，不会出现受拉状况，而横向则由对接处的锥度结构 限位。计算时结构简化为铰支。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 平台上体平台下体 1 平台上箱体；z ：歼降桩量；3 平台下箱体；4 圃定桩奠；5 绞车； t 引导索；7 导向轮：8 空压机鳃；9 压载控翻气路；1 0 遁海口 图1 1 分体坐底自升式平台结构示意( 水面拖航状态) 平台拖航时，平台上体、平台下体分开浮在水面上( 见图1 1 ) ，用拖轮拖航。 平台海上就位对接时，压载系统控制各压载舱进水，使平台下体沉至升降桩 腿的下端，同时对接引导装置卷收引导索，使升降桩腿与固定桩腿对中相接( 见 图1 2 ) ，然后降放升降桩腿，直至平台下体坐落于海底，此后按普通自升式平台 升船程序执行，调整至作业状态：在海底存在轻度倾斜时，靠升降桩腿调节以保 持平台上体的正常状态。正常作业状态的分体自升式平台如图1 3 所示，该平台 钻修作业与其他平台没有区别【5 1 。 图1 2 海上对接 天津大学硕士学位论文第一章绪论 教车弓i 导棠空压机组压戡控触气路 平台上篇体 升群桩腿 固定桩暖 平台下篇体 通澎口 图1 3 正常作业状态 平台起浮拆分时，先将平台上箱体降至水面，提升升降桩腿，同时放松引导 索，用拖轮将平台上体移出平台下体的上方区域，利用压载系统排出压载舱内的 水，使平台下体浮起。 平台近距离转移井位时，可以不进行拆分，将平台下体提离海底并使其具备 一定浮力后即可拖航。 平台在浅水区应用时，可以直接用自升式主平台进行作业。 1 3 本课题的研究内容 本课题主要选取一种现有的自升式平台为原始模型，设计一种适用于这个自 升式平台深水石油开发的水下基础结构。设计的结构采用柱稳式沉垫基础，主要 的工作从以下几个方面展开： 首先，结合南海的海况环境条件和具体作业要求，对平台下分体进行结构设 计。主要包括以下几个部分：一是平台下箱体，采用板梁组合结构，初步估计主 要承受静水压力和桩腿传递的水平载荷、竖向载荷以及弯矩；二是桩腿结构和空 间管架，起传递载荷以及支撑功能；三是承台结构，作为平台上下分体的一个过 渡区域，主要承受垂向载荷以及静水压力，通过与平台上分体的桩靴相咬合，实 现对接；四是平衡柱结构，也采用板梁结构形式，主要是为了满足平台下分体的 沉浮稳性进行设计。 其次，对平台下分体的拖航稳性和下沉稳性进行计算，使平台下分体能够实 天津大学硕士学位论文第一章绪论 现自沉浮。并对这个过程中压载水的配置进行计算。还需考虑整个平台的坐底稳 性，保证整个平台能够进行正常作业和自存。还要计算结构的强度，保证平台下 分体的安全性和可行性。 最后，考虑平台上分体和平台下分体的对接过程，本文从静力的角度对引导 索的受力进行了分析，从而进一步确定设计结构的可行性。 具体工作如下： 总体构思 3 结构设计 夕工心 i 拖航完整稳性 沉浮稳性结构强度坐底稳性对接受力 j j t 重量霞心计算环境载荷计算 最终结构 图1 4 工作流程图 本文的工作流程见图l - 4 ，在接下来的工作中，将对以上各种计算进行研究。 本文应用到的设计和计算工具有e x c e l 、c a d 、s o l i d w o r k s 、a n s y s 。 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 第二章平台下分体总体结构设计 平台下分体由一个平台下箱体( 沉垫) 、固定桩腿以及空间管架、承台结构 三部分所组成。这种水下基础结构既要满足拖航移位时的浮性，稳性方面的要求， 又要满足作业及自存时着底稳性的要求，还要具有自沉浮的特性。 平台下箱体( 沉垫)在恶劣的海况条件下，沉垫除需要承受静水压力和整 个上部平台的静载荷以外，还需要承受风力、波浪力、海流力等所产生的总体弯 矩、垂直剪力以及扭矩引起的总应力，并且需要有效防止平台滑移现象的出现， 因而它对整个上部平台来说非常重要。 固定桩腿空间管架结构固定桩腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将 平台上分体所受的载荷传递给沉垫，进而传递给海底地基。 承台结构承台是平台上下分体连接的一个过渡结构，平台上分体的桩靴与 平台下分体的承台精确对准并进行咬合，形成一个整体，防止平台上分体进行滑 移，对平台上分体进行限位。 2 1 设计要求及环境条件 2 1 1 作业海域环境条件 本文选用的设计作业海域是中国南海北部湾涠洲1 1 i n 油田的环境条件。 水深：l o o m ； 潮位：见表2 1 表2 1 潮位数据表 天津大学硕士学位论文 第二章平台下分体总体结构设计 波浪：有效波高1 1 4 m ，有效波周期为1 2 4 s ； 最大波高1 9 6 m ，最大波周期为1 3 9 s ； 风速：三秒钟平均风速6 1 1 m s ，一分钟平均风速4 8 9 m s ； 海流t 见表2 2 表2 2 海流流速表 水深 流速( c m s ) 0 1 h o 3 h o 5 h o 7 l l 0 9 h 2 1 7 1 9 5 1 7 4 1 5 4 9 7 2 1 2 作业海域地质条件 中国南海北部湾涠洲1 1 1 n 油田的土壤条件请见表2 - 3 。 表2 3 地基土壤的物理力学性质 2 2 母型船的基本资料 船长 型宽 型深 桩腿 5 4 t i i 5 2 m 5 5 m 3 3 6 m 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 桩腿中心横向间距4 1 m 桩腿中心纵向间距 3 9 m 采用直角坐标系，平台母型船原点位于平台纵中剖面，平台尾部平面和底面 的交点处，x 轴指向艏部为正，y 轴指向左舷为正，z 轴向上为正。 2 3 平台下分体结构形式和主要尺度的确定 2 3 1 沉垫结构形式和主尺度的确定 平台下箱体( 沉垫) 结构是一个复杂的空间系统，由板和骨架( 交叉杆系) 组成。外板保证船体的形状、水密性及强度。为了满足强度和稳定性的要求，外 板上必须设置骨架。船体中沿船长方向布置的构件称为纵向构件，如纵骨、纵桁 等；沿船宽方向布置的构件称为横向构件，如横梁、肋板等。 2 311 主尺度的确定 平台下箱体( 沉垫) 以平台母型船为原型，艏部向外扩张8 7 5 m ，艉部向外 扩张8 2 5 m ，左右舷侧分别向外扩张8 5 m ，左斜边舱舷侧由左后桩腿与艏桩腿中 心点连线向外扩张1 5 m 形成，右斜边舱舷侧由右后桩腿与艏桩腿中心点连线向 外扩张1 5 m 形成，其中因尾部应避开悬臂粱及井架作用区域，延伸时以中纵剖 面为对称轴空出8 2 5 m 1 6 5 m 的空间，这样就形成一个闭合区域，这个区域即为 平台下箱体( 沉垫) 的平面尺度。如图2 1 。 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 图2 - 1 平台下箱体( 沉垫) 的基本尺度 这样所形成的闭合区域面积为3 4 4 6 2 5 m 2 ，当平台下箱体( 沉垫) 高度不同 时所提供的不同浮力如表2 4 ： 表2 - 4 不同高度时平台下箱体( 沉垫) 所提供的浮力 据此，我们初步设定平台下箱体( 沉垫) 高度为4 m 。 这样，平台下箱体( 沉垫) 的主尺度如下： 型长7 1 m 型宽6 9 m 天津大学硕士学位论文第= 章平台下分体总体结构设计 型深 桩腿 桩腿中心横向间距 桩腿中心纵向间距 2 3 1 2 坐标系的确定 3 似m 5 0 m 4 l m 采用直角坐标系，坐标原点与平台母型坐标原点一致，x 轴指向艏部为正 y 轴指向左舷为正，z 轴向上为正。如图2 - 2 ： 2 3 1 3 板粱结构形式的确定 图2 2 坐标系 本设计平台下箱体( 沉垫) 采用纵骨架式形式，主甲板及底板加强材布置一 般设定为纵向骨材间距5 0 0 r a m ，纵向桁材间距为2 m ，横向桁材间距为2 m ，并 根据实际舱室的布置需求作适当调整。横纵舱壁，艏艉封板，左右舷侧均设水平 加强材及垂向加强材，其中水平加强骨材间距为5 0 0 r a m ，水平加强桁材间距为 2 m ，垂向加强材间距为2 m ，井根据舱室布局及上下甲板桁材布局作适当调整。 图2 - 3 显示了沉垫结构的舱室布置，其中粗实线表示水密舱壁虚线表示非 水密舱壁。每个水密胎顶板上开两个水密孔，一个用于通风，一个用于人员出入： 每个水密舱内部非水密舱壁间开有非水密上下孔保持各非永密舱间的连通。 图2 4 显示了平台下箱体骨材的设置位置，其中红色线表示舱壁，蓝色线表 示主要构件，包括横粱和纵桁黑色线表示次要构件，一般为纵骨。 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 二； l辽漆 1 沁 。 一 l + 十 l ii ： _ _ j i _ _ ：川ji i 】、 u 州 _ 一 少 z r 十 一j 一一 - - i - i s - 多 ， i j 盎岁 多矿 圈2 - 3 平台下分体( 沉垫) 舱室布局图 图2 4 平台下分体( 沉垫) 上下板骨材布置图 2 3 1 a 板粱尺寸的确定 表2 - 5 列出了平台下箱体( 沉垫) 结构基本构件的选取 天津大学硕士学位论文 第二章平台下分体总体结构设计 表2 5 平台下箱体( 沉垫) 板粱尺寸 主 田 板 甲板板 甲板纵骨 甲板纵桁 甲板横粱 t = 4 s i + 3 5m ms 骨材间距，m 矽= 9 s a ，2 3 卜纵骨或横粱间距。m o = 1 2 s h ，2 锄3 s - - - - 纵桁或强横粱间距，m5 矿= 1 2 s 矗，2c m s 纵桁或强横粱间距，m ： ，= 2 3 w 4 卜一纵骨或横粱跨距m i = 2 5 肌4 卜- 桁材或强横粱跨距m ，= 2 5 聊咖4 卜一桁材或强横粱跨距。m 仁4 0 5 s q r t ( 1 0 0 + 2 + 0 7 5 - 4 ) + 3 5 2 4 = 2 4 r a m w - 9 * 0 5 * 9 8 7 5 * 2 2 = 1 7 7 7 5c m i = 2 3 0w 2 = 8 1 7 6 5 啪4 w = 1 2 2 9 8 7 5 2 2 - - 9 4 8 0 c m l f f i 2 5 0 w 2 。4 7 4 0 0 c m 4 w f f i l 2 2 9 87 5 2 2 - 9 4 8 0 c m l - - 25 w 2 - = 4 7 4 0 0 c m 4 2 = 1 6 2 5 0 1 0 4 0 0 t = 2 6 5 0 0 2 0 6 5 0 底板板f ：如i + 3 5 衄s _ ，哥材间距，m t = 4 。o 5 s q n ：? + 2 + o 7 5 + 3 5 2 4 m m = 2 4 m m 底扳纵骨 底 板 底板纵桁 底扳横粱 矿= 9 s a ，2 3 s _ 一纵骨或横粱间距，m o = 1 2 5 a ，2 伽3 s 飙桁或强横梁问距，m ； w = 1 2 s h ，2 伽 s 纵桁或强横粱间距m ： ，= 2 3 w c n l 卜一纵骨或横粱跨距，m i = 2 5 聊c m 卜一桁材或强横粱跨距m 1 = 2 5 w c n l 4 l 桁材或强横粱跨距m w - 9 * 0 5 1 0 27 5 2 2 = 1 8 4 9 5 锄 i 。2 3 w * 2 = 8 5 0 77 c m 4 w = 1 2 2 1 0 27 5 2 2 - 9 8 6 4 m i = 25 w 2 4 9 3 2 0 c m 4 w - 1 2 2 1 0 2 7 5 2 2 f f i 9 8 6 4 c ：m i = 2 5 w 2 - - 4 9 3 2 0 c m 4 t = 1 6 2 5 0 1 0 4 0 0 t - 2 6 5 0 0 2 0 6 5 0 喜囊篡 板材 r 柏压n s 一- 扶强材间距m阳叼5 巴= 。7 5 h 2 一 ：s 一 水平骨材 。，1 2 9 册，2 锄：w - 9 0 5 1 0 2 _ 7 5 2 ，2 。l “9 5 t = 1 6 2 5 0 1 0 4 0 0 s 纵骨或横粱间距，m ；l 纵骨或横粱跨距，m 一。一一 1 2 - 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 1 3 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 表中计算出的加强材的剖面模数和惯性距包含了带板，这里给出了包含带板 的型材的剖面模数和惯性距的计算公式： 1 不等边角钢和不等边不等厚角钢的计算公式【9 】 轧制型材( 包括球扁钢、不等边角钢和不等边不等厚角钢) 连同带板的剖面 棚：、惯性勉和剖面模数形可按下列各式计算，角钢各参数意义见图2 5 ： a z = 4 + 彳c m 2 公式( 2 - 1 ) ，= x l - t - 也一y ) 2 即等x l o - 2 + ( 0 0 5 + y ) 2 4 锄4 公式( 2 - 2 ) 矿= lg m 3公式( 2 3 ) 0 1 h y 。 式中：h 型材的高度，r a m ； 彳厂一型材的剖面积，c m 2 ； 厶厂一型材的自身惯性矩，c m 4 ； y ，型材的中和轴位置，c m ； 彳带板剖面积，c m 2 ； t 带板厚度，m m ； y 连带板的中和轴位置，按下式计算： y ：鱼丛二当堕坐锄 公式( 2 _ 4 ) 4 图2 5 角钢各参数意义 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 2t 型材的计算公式【9 】 t 型材的面板和带板的厚度不大于1 1 0 的腹板高度，t 型材连同带板的剖 面模数卿惯性锄可按下列各式计算，t 型钢各参数意义见图2 6 ： 形= 钟小捌) m 3 = 邬z + 瓮筹 皿 公北剐 式中：a 面板剖面积，c m 2 ； 么带板剖面积，c m 2 ；如带栅小于面板a 时，取a 等于a ； 卜腹板剖面积，c m 2 ； d 、广腹板高度，m m 。 图2 6t 型钢各参数意义 本次设计根据连同带板的型材计算公式计算出含呆板的常用型材的惯性距 和剖面模数，以供选取，见表2 6 和表2 7 。 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 1 6 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 表2 7 常用l 型材含带板时惯性矩和剖面模数 1 7 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 2 3 2 固定桩腿结构形式和主尺度的确定 固定桩腿能够提供浮力，保证平台的浮性和稳性，并对平台上分体起支撑作 用。一般由外壳板、垂向扶强材、水平桁材、水密平台、非水密平台、水密通道 围壁和水密舱组成。从受力角度看，主要承受的外力有静水压力、波浪力、流力 和甲板以上所有结构与设备的重力，因而对这一部分进行强度及稳性的校核非常 重要。 2 3 2 1 布局的确定 因上部自升式平台母型桩腿为圆管形，直径为3 6 m ，因此设置固定桩腿也 为圆柱型，直径4 m ，厚度为5 0 m m ，且一一对应。 2 3 2 2 结构形式和构件尺度的确定 垂向桁材设置四道，环向桁材1 5 m 设置一道，具体尺度见表2 - 8 ： 表2 8 固定桩腿构件尺度 2 3 2 3 固定桩腿与平台下箱体的连接 固定桩腿与平台下箱体( 沉垫) 的连接区域为应力集中区，因此这里要进行 特别加强设置，其范围为桩腿周围7 5 r e x 7 5 m 的区域。主要采用骨架式辐射板 来满足要求。板材及垂向桁材设置如图2 - 7 ，辐射板厚为1 6 m m ，垂向桁材尺寸 为 1 - - 1 6 2 5 0 1 0 4 0 0 ，另外，在每块辐射板上设置水平扶强材，水平骨材5 0 0 m m 设置，尺寸为t = 1 0 * 1 5 0 6 2 5 0 ，水平桁材2 m 设置，尺寸为1 6 2 5 0 1 0 4 0 0 。 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 图2 7 固定桩腿与平台下箱体( 沉垫) 连接处俯视图 2 3 3 空间管架的布局和尺度 为了保证固定桩腿在空间内有更好的强度和稳定性，设置连接固定桩腿顶部 和平台下箱体( 沉垫) 上甲板的空间管架。 任意两条固定桩腿之间设置对称的两道管架，管架中心线上部距桩腿顶端 3 m ，下部在沉垫上表面两条桩腿连线中点处左右，并间隔一小段距离，以便焊 接等其它方面的需求。其中，右( 左) 后桩腿与前桩腿间的空间管架，其沉垫上 表面中心点在中纵剖面上的投影间距为3 5 m ，使得管架正好落在# 5 1 和# 5 8 位置处 的舱壁上；右后和左后桩腿间的空间管架，在其所属平面内底部中心点间距 3 7 4 m ，使得管架正好落在中纵舱壁左右第一道强纵桁上。侧视图见图2 8 ： 图2 8固定桩腿布局侧视图 - 1 9 - 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 空间管架设计为单壳体结构。具体构造如下：直径1 6 m ，厚度2 0 r a m 。 2 3 4 承台结构的布局和尺度 在每个桩腿顶部7 5 m 7 5 m 的区域设置2 m 深度的承台，并且桩腿延伸至 承台内部，以达到水下基础结构与上部自升式平台的连接的有效性。承台布局以 及构件尺寸见图2 - 9 和表2 - 9 。 图2 9 承台布局俯视图 表2 9 承台构件尺度 构件计算公式【8 】【9 1计算结果选取板材 辐射板厚为1 6 m m ，垂向桁材尺寸为t = i o * 1 5 0 6 * 2 5 0 ，另外，在每块辐射板 上设置水平扶强材，水平骨材5 0 0 m m 设置一道，尺寸为l = 1 0 0 8 0 8 。 天津大学硕士学位论文第二章平台下分体总体结构设计 2 4 平台下分体总布置 平台下箱体( 沉垫) 结构一般设置为压载舱，机舱，空舱和备用压载舱。 舱室平面布置图见图2 1 0 ，填充为斜线的舱为空舱，填充为点的舱为机舱， 填充为砖格线的舱为备用压载舱，空白舱为压载舱。 隧讼瀛、 、 遮处 飞 过转 形钐 义 逡汰、 勿形 n q 陔、 飞 蕊衮k 法除 瑟 & 勿形 蕊 赎渗 钐影 ，“衫多 穆纱 p y ， 勿“ 、 弋、 。 ；、 ：5 1 ( ) 1 0 0- l八 ，ik - 1 y 少 0 2 ，相对波高h d 2 情况。 斯托克斯高阶波理论采用坦谷波形，不能用线性理论，而用限幅波的非 线性理论。它适用范围较广，原则上讲从微幅波直到由于波陡过大而破碎的波 浪，但它不能确切地描绘浅水波浪的一些特殊现象。 椭圆余弦波理论它适用于o 0 4 0 0 5 d l o 1 的情况。 孤立波理论适用于扰o 0 4 0 0 5 直到波浪破碎的情况。 破碎波理论上算出的极限波陡脱= l 7 ，实际上当波陡增至1 1 0 时波峰 己开始破碎。破碎波有三种形式：波陡大的崩破波，波陡小的卷破波和波陡极 小的激破波。 波浪理论一般根据平台作业海域和设计要求参照“各种波浪理论适用范围 图”进行选择。 由波浪载荷的计算参数和工况可知，d = 1 0 0 m ，h l1 4 m ，t 1 2 4 s ，删 0 6 5 ，月炉0 0 7 4 ，根据图4 1 可知自升式平台波浪载荷的计算应采用斯托 克斯五阶波理论。 天津大学硕士学位论文第四章环境载荷 4 2 2 波浪力计算方法的选取 4 3 2 1 小尺度结构物上波浪力计算理论及方法 作用在物体上波浪诱导的载荷是由于波浪产生的压力场引起，一般波浪诱 导载荷分为三种：拖曳力、惯性力和绕射力。拖曳力是物体造成水流的扰动引 起的；惯性力包括两部分，一是入射波压力场引起的作用力，二是流体的惯性 引起的附加质量力；绕射力是波浪受物体影响发生绕射引起的作用力【1 8 】。 波浪诱导载荷各分量对于具体的结构物而言并非同等重要，其影响程度取 决于结构物的型式和尺度以及所选取的波浪状况等。海洋工程结构中，通常对 大尺度结构和小尺度结构采取不同的方法计算波浪载荷。所谓大小结构之分是 相对波浪的尺度而言，并无绝对界限，一般以d l o 2 作为小结构物【l9 】( d 为 构件界面的特征长度，l 为波长) 。 对于小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向的单位长度的波浪力f ，当 d l o 2 时，可按m o r i s o n 公式1 2 u j 计算： 厂= 吉c d 胪m ic p 署d 2 三 公式( 4 - 3 ) 其中：p 诲水密度k g m 3 ； c d 垂直于构件轴线的拖曳力系数，由试验确定，当试验资料不 足时，对圆形构件，可以取c d = 0 6 1 o ； c m 惯性力系数，由试验确定，当试验资料不足时，对圆形构件， 可以取c | i ，= 2 o ； p 一圆形构件直径，m ； u 垂直于构件轴线的水质点相对于构件的速度分量，为其绝对 值，当海流和波浪联合作用于平台时，u 为波浪水质点的速度矢量与海流速度 矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量； “垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量。 对于圆柱体构件，阻力系数和惯性力系数按“规范”取值如下： 。lo 2 在计算中，不考虑立柱间的群桩效应。 天津大学硕士学位论文 第四章环境载荷 4 3 2 2 大尺度结构物上波浪力计算理论及方法 对于相对尺度大于0 2 的海洋结构物，由于结构物的存在对波动场影响显 著，必须考虑入射波浪的散射效应以及自由表面效应。波浪对大尺度结构物的 作用主要是附加质量效应和绕射效应，而粘滞效应是微不足道的，可以略去不 计i t 5 。大尺度结构波浪力的计算必须应用绕射理论【2 1 1 ，基于绕射理论计算波浪 力的方法有三种，数学解析法、数值计算法和f k 法。 这里采用f k 法进行计算， f r o u d e k r y l o v 法，简称f k 法。它是一种半理论半经验的方法，是一种实 用的工程计算方、法【2 1 】【2 2 】【2 3 1 。f k 法的基本思想是先不考虑绕射效应和物体存在 的影响，用波浪理论中的水动压力来确定物体表面的相应值，积分求出物体表 面所受的波浪力，然后选定一个适当的绕射系数来反映绕射效应以及附加质量 的影响。它根据绕射理论，先算出未扰动时入射波在结构物上的作用力r ，称 为f k 力。然后再乘以绕射系数c ，即为大尺度结构物上的总波浪力。 f = c f r = c p 肘 公式( 4 - 4 ) ， 式中：p 海水密度； 矿结构的排水体积； 矽结构不存在时，体积v 内未扰动水体的平均全加速度； c 绕射系数，它反映波浪力的绕射效应和附加质量效应。通常 又分为水平绕射系数c h 和垂直绕射系数c y ，由试验或经验 确定。 采用f k 法计算波浪力的通用公式如( 4 4 ) 所示。任何波浪理论都适用。但 是只有在以下几种情况下才能获得力的计算表达式。线性波浪理论是描述海洋 波浪的最简单数学理论。基于这一理论，动态的波浪压强表达式【2 4 1 如下： 尸= 昭譬器c o s ( 缸刊 公拍_ 5 ) 对于不同物体的坐标系将被加以定义。方程式中的p 代表潜体表面法线方 向上任一点处未扰动的压力。作用在潜体上详细方向上的总压力可通过对结构 物潜体在那个方向上的压力构成求积分来实现。潜体总波浪力【1 刀的水平分力( ) ( 方向) 和垂直分力( y 方向) 分别为： 天津大学硕士学位论文 第四章环境载荷 匕= c h 驱 $ f y = c y 骢p n v d s 公式( 4 - 6 ) 公式( 4 - 7 ) 通过f k 理论得出的力没有做进一步的校正并不能直接加以应用，由于结 构物周围流体由于结构物的出现，流体流动发生变化。如果海流被假定是无旋 的，绕射效应很小，那么可通过增加力系数的形式来加以校正。实际上，可通 过几个基本结构物，尺寸变化范围较小( 相对波长而言) ，作用在这些结构物上 的波浪力可以根据一个单独的力系数来表示。然而，应该强调在相对尺寸参数 变化较大的范围内，不能获得一个单独的力系数，由于在绕射效应重要时，波 浪力并不总是和f k 力成比例。在这里考虑的来自于f k 力的物体是矩形块。 经整理得： 只= 。瓦p g s h i - i ( i ”2 广。一+ 6 t , ，2 2 i ：o s h ( k s ) d s c o s ( 2 - w t ) - c o s ( 2 + 价) 】公抓8 ) 2 c v 意【c o s h 郴以2 ) 州瞄2 ) 职c o s ( 纽一w t ) a x 公式( 4 9 ) 式中c 水平绕射系数； c ，垂直绕射系数； p 海水密度( 1 0 2 5 1 0 3 k g m 3 ) ； h 一波高； k 波数( k = 2 r t l ，l 为波长) ； 卜水深； s 。海底到长方潜体中心轴的距离； 、乞、毛为长方体的三个尺寸，为高度，厶与波浪方向相垂直方向上的 尺度，厶与波浪方向相同方向上的尺度。 长方潜体的水平绕射系数c 和垂直绕射系数e ，值需通过模型试验确定， 对于一定相对尺度的长方潜体来说，相对水深彳和波陡对。和c v 均有一 定的影响，但c h 和c ，值主要决定于潜体本身的相对尺度。从国内外的模型试 验来看，由于试验条件不完全相同，所以得到的c h 和c ，的数值也有较大的差 别【2 3 】【2 5 1 ，本文中c h 和c ，均取为1 5 。 天津大学硕士学位论文第四章环境载荷 4 3 海流载荷 圆形构件单位长度上的海流载荷按下式计算： 厶= 三州啦 其中：阻力系数； p - 海水密度k g l m 3 ； u c 设计海流速度m s ； a 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积m 2 m 。 4 4 环境载荷作用方向 公式( 4 1 0 ) 海洋环境载荷的作用方向可能来自各个方向，而不同方向的载荷组合对于 平台的性能影响是不同的。从理论上讲，依据各个方向的载荷组合来计算平台 的总体性能是全面的。但这样不仅工作量非常大，而且也是没有必要的。在实 际计算时，一般取几个具有代表性的、典型方向的载荷组合来对平台的总体性 能进行计算，见图4 2 。 天津大学硕士学位论文第四章环境载荷 弋 圆 心， o 心 ， 纵向倾斜轴 n m 斜轴 2、 芦 厂_ 、_ 、 髫。 夕 横自 广 纵俞、 乞 o 夕 o多 乡 4 5 载荷计算结果 图4 - 2 环境载荷作用方向示意图 本文只选取风暴自存条件下的载荷进行计算，并用于随后自存工况强度校 核以及坐底稳性的计算。 4 5 1 风力计算结果 对于平台上下分体连接后坐底时的自存状态，风载荷来自于上分体，该风 力载荷由母型平台给出，且根据环境载荷进行调整，即： 最后得出自存工况下平台的风载荷，见表4 - 1 ： 公式( 4 - 11 ) 鲁鱼 天津大学硕士学位论文第四章环境载荷 表4 1 风力计算结果 4 5 2 波流力计算结果 波流力的入射方向假定与风的入射方向相同，分为纵向、横向和斜向。因 在水中的结构形状比较多样化，应用的波浪计算方法各不相同，这里分别进行 计算。表4 - 2 列出了承受波流载荷的各部分的计算方式： 表4 2 各部分结构波流载荷计算方式 波浪载荷计算方式海流载荷计算方式 平台上分体桩腿 承台结构 平台下分体管状结构 ( 平衡柱，固定桩腿，空间管家) 平台下箱体( 沉垫) 使用a n s y s 波浪搜索功能进行计算 使用公式5 4 手动计算 使用a n s y s 波浪搜索功能进行计算 f k 法手动计算使用公式5 4 手动计算 附注：a ) 平衡柱d l = 9 2 3 7 = o 0 3 8 - 0 2 ，属于小尺度构件，可以应用m o r i s o n 方程。 b ) 承台结构d l = 7 5 2 3 7 = 0 0 3 2 0 2 ，属于小尺度构件，可以应用m o r i s o n 方程； 但是因为承台结构体积比较小