（油气井工程专业论文）导管架海洋平台动力分析.pdf

d y n a m i ca n a l y s i sf o ro f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r m q i nl i c h e n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e nj i a n m i n a b s t r a c t o f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r mi sw i d e l yu s e di no c e a np e t r o l e u me x p l o i t a t i o n 、 r i t l lt h ed e p t ho ft h ew a t e rt h a to f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r mw o r k si n , t h e d y n a m i cr e s p o n s eb e c o m e sm o r eo b v i o u s s oi ti sn e c e s s a r yt od os o m e r e s e a r c ho nt h eo f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r md y n a m i cr e s p o n s eu n d e rt h a t e n v i r o n m e n tl o a d s i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp a n y u 3 0 1 w a ss o tu pa n dt a k e na st h es u b j e c tf o ra n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o n s a tf i r s t , t h e p r o b l e mo fr a n d o mw a v ef o r c es p e c t r u ma n a l y s i sw a sr e s o l v e db yt h em o d a l a n a l y s i sa n ds p d 2 t l - u ma n a l y s i s ，a n dt h er e s p o n s es p e c t r u n la n dv i b r a t i o n m o d ew e r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h ep r o b l e mo fr a t i o n a lt i m es t e po p t i o no f l a r g es t r u c t u r e sw e r es o l v e db yt h ea n a l y s i so fd y n a m i cr e s p o n s ei nt h e e n v i r o n m e n to fw a v el o a d ，a n dt h ec u r v e so fd i s p l a c e m e n tr e s p o n s e ，v e l o c i t y r e s p o n s e ，a c c e l e r a t i o nr e s p o n s eh a v eb e e nd e t e r m i n e d ，a tt h es a l n et i m e ，t h e m a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s st h a tt h eo f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r mc a nb e a ra t c e r t a i nl o a d sw e r ew o r k e do u t t h i r d l y , t h ep r o b l e mo f d y n a m i ca n a l y s e sw a s r e s o l v e db ya n s y s l s - d y n an o - l i n e a ra n a l y s i sd y n a m i cr e s p o n s eu n d e r c o l l i s i o nw h e nt h e l a r g es t r u c t u r e sc o m p o s i n go fm a n ym o r ee l e m e n t s c o l l i d e dw i t he a c ho t h e r ，a n dt h ec u r v e so fc o l l i s i o nf o r c e t i m eh a v eb e e n d e t e r m i n e dw h e nt h ea c c i d e n to c c u r r e da td i f f e r e n te l e v a t i o no ft h eo f f s b o r e j a c k e tp l a t f o r m a tl a s t , t h eo p t i m i z a t i o nl o c a ls 廿u c n l r e so fo f f s h o r ej a c k e t p l a t f o r mw a sd e s i g n e d ，a n dt h es u g g e s t i o n sa b o u ti m p r o v i n gt h ep l a t f o r m w e r ep e r f o r m e d k e yw o r d s ：o f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r m ，d y n a m i cr e s p o n s e ，a n s y s ，w a v e l o a d ，c o l l i s i o n ，o p t i m u md e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它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。 签名：加7 年岁月加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 加7 年月加日 口存f 月矽日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 论文背景及意义 第1 章前言 随着大陆架浅海石油的勘探和开发技术的进步，石油开采的重点已 由陆地逐渐向大陆架转移。特别是最近几年，我国的钻采平台在逐渐向 深水方向发展。活动式平台一般用于勘探或浅海区采油，而生产平台多 用固定式平台，其中导管架海洋平台是大陆架海域使用最广泛的平台结 构形式之一。导管架海洋平台具有适应性强、安全可靠、结构简单、造 价低的优点，因此它在海洋石油开采中起着越来越重要的作用。 我国海岸线漫长，在我国的渤海、东海、南海海域，蕴藏着丰富的 石油和天然气资源，1 9 6 6 年在渤海湾水深6 5 m 处建造了第一座钢质桩 基平台，到现在已有上百座导管架海洋平台工作在近海中。海洋平台处 在恶劣的环境中，属于高风险，高投资、高技术的“三高”工程。海洋 结构安全因素主要包括：结构的极限强度( 极端环境下的屈服) 、屈曲、结 构疲劳和断裂四种失效形式。其中风、浪、流等环境因素是结构失效的 直接原因，而波浪是威胁较深海水中平台安全的更为突出的因素。随着 平台向深水中发展，其刚度变小，自振频率降低，对风，浪、流等环境 载荷更为敏感，即使在外载荷的作用下不发生共振，结构的动力响应也 很大。过大的响应不但影响了平台上一些仪表设备的正常使用和工作人 员的舒适感，并且长期的振动会导致结构的疲劳破坏，强烈的冲击会引 起结构的瞬时断裂，造成严重的事故。1 9 8 0 年挪威北海e k o f i s k 油田的 a l e x a n d e rl k i e l a n d 号平台，在波浪载荷的作用下平台立柱的一根撑杆 发生疲劳断裂，导致平台倾斜，大约在2 0 分钟内平台倾覆，死亡1 2 3 人。 我国南海w e n l 3 1 海洋平台导管架结构的x 斜撑在导管架安装阶段受 到大吨位起重铺管船撞击，其x 斜撑受到损伤，造成工期延后4 个月。 中国石油人学( 华东) 硕士论文第l 章前言 我国海洋石油开发事业起步相对较晚，经过近4 0 多年的发展，我国 在海洋导管架平台的设计、施工及理论研究方面都取得了很大成就，但 平台结构的形式复杂多样，其所处海况环境也是变化万千，再加上海洋 工程发展的历史较短，参考资料及经验也是相对欠缺的，这使得我国在 设计和施工水平与其他发达国家相比还存在一定的差距。就设计而言， 一般采用拟静力的方法进行波浪载荷的计算分析，这为浅海平台的设计 提供了依据，但对处在深度较大的平台采用拟静力的方法进行计算其结 果会存在较大的误差，因此对处于较深海水中的平台进行动力响应分析 势在必行。分析过程中需首先确定主要的控制载荷波浪力，然后根据所 处的环境选取某种海况和与此海况相适应的波浪理论。当存在的构件尺 寸不致明显地扰乱入射波场时，通常采用莫里森方程来计算与流向一致 的载荷分量；当结构尺寸相对于波浪场中某些特征波长较大时，在处理 中必须考虑入射波的绕射。但在计算分析中由于流体和结构物运动之间 的耦合，可能会引起显著的动力响应，因此必须考虑采用动态分析法。 尽管海洋平台在设计和建造中采取了所能考虑到的诸多措施，但海 洋平台损伤事故还是时常发生。从表1 1 【】j 海上平台构件受损情况统计可 以看出，导致海洋平台受损最大的两个原因是疲劳损伤和碰撞，碰撞是 在冲击载荷作用下的复杂动态响应过程，具有非线性动力特性。碰撞使 海上结构物发生屈曲变形或局部凹陷变形，降低了结构物的承载能力和 安全系数，减少了平台的正常使用年限，严重的碰撞将造成平台坍塌等 重大事故的发生。总之，随着石油开采向深水中发展，海洋平台结构系 统在随机载荷作用下的振动响应将更为突出，因此导管架平台的动力响 应分析为其设计提供参考依据，为平台损伤评估及修复提供了理论基础， 具有重要的现实意义。 中国“油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 表1 1 海上平台构件受损情况统计表 损伤原因 至1 9 8 1 年损( 起)1 9 8 2 至1 9 8 6 损( 起)两时间总( 起) 落物 9o9 碰撞 1 752 2 安装损伤 4l5 疲劳损伤 1 71 43 1 灾害损伤 791 6 焊接缺陷 l23 混凝士施工 1 0 l 其它 581 3 总计 6 】3 9】0 0 1 2 导管架海洋平台构成及发展概况 导管架海洋平台由上部结构、导管架结构及桩组成。上部结构有整 体式和组块式两种。包括平台甲板、舱壁、围壁、甲板支柱以及框架结 构，甲板结构的主要作用是在海上为钻井或采油提供足够的场地，以便 布置钻井或采油设备、辅助设备、各种生活设备等。 导管架是由导管( 桩腿) 和连接导管的纵横撑杆所组成的空间钢架。桩 腿一般采用四个腿或八个腿，早期也有十个或十二个桩腿的。各桩腿由 撑杆连接在一起，支撑形式有水平撑杆和斜撑杆。各管状构件相交处形 成了管状节点结构。一般管节点都采用弦杆管壁加厚或其他的措施进行 加强，其主要作用是支撑上部结构。根据地域和环境的不同导管架各部 分结构又有所差异，导管架的型式主要有空问构架式和群桩式两种。空 间构架式导管架本身不承受上部荷载，而是靠其内部的桩来承受上部结 构的重量，在导管架和桩之i 日j 灌注水泥砂浆，使它们成为个整体，从 而增加了导管架整体的结构强度。空间构架式导管架由于刚度大，故可 在潮差段不设水平支撑和斜支撑，减少抗冰面积，成为一种抗冰导管架 平台。在渤海地区由于冰情严重，因此那里的导管架平台均采用这种形 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 式。群桩式导管架则主要用于连接上部组块结构和底部桩腿，将上部组 块结构的重量通过导管架底部的群桩套筒传递到底部的群桩上。这种导 管架由于潮差段设有支撑( 保证足够的刚度) ，抗冰面积大是一种非抗冰 导管架，一般适用于浅水及中等水深无冰害的海域。 1 9 4 7 年美国在墨西哥湾的沃密林，第一次采用了钢质导管架平台， 而我国于1 9 6 6 年1 2 月底，将第一座导管架型平台成功的安装在渤海湾， 随后4 0 年的历程中导管架平刨2 1 大致经历了以下几个阶段： ( 1 ) 从分离式到整体式 早期建造的平台将钻井、设备和生活平台分开成为两个或三个单体 式结构，整个平台由几个独立的导管架组成。这种结构对环境载荷的恶 劣程度估计不足，整体性差。为提高其整体性能，平台采用多层整体式 结构布置，保旺了平台的使用安全。 ( 2 从固定式到搬迁式 我国渤海油田开发初期，主要使用的是固定桩基平台，由于处在勘 查阶段，不可能每口探井都找到具有开发价值的油、气田，为节省钢材， 高效利用平台，采用了可搬迁的桩基平台。由于采用的全部是直桩，因 此对平台的整体稳定性不利，摇晃较大，不能作永久性采油平台。 ( 3 ) 定型化平台 定型化平台的上部由组块组成， 的相对位置较为合理。钻井完成后， 非常方便且费时少。 ( 4 ) 深水型结构平台 各组块有自己的工艺用途，各组块 拆除钻井组块，再装上采油组块， 随开采向深水中推进，导管架将越来越高，各项参数的要求也将越 来越高。导管架上部组块结构应布置紧凑，结构更趋合理。这种平台的 设计和建造我国刚刚起步，还需要进步的加强和改进。 4 中国f i 油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 国内外研究现状 1 3 1 波浪动力响应分析 海洋平台及船舶在静水分析中己形成了比较完备的规范及理论，各 国的船级社都有自己的规范，如美国船级社( a b s ) 规范，国内在平台设计 和研究时采用了中国海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法及a p i 的规范等。而在动力分析方面还没有形成具体的规范标准，在动力研究 和平台设计方面仍存在许多问题，大都采用了许多假设，仍需要进一步 的完善。有时平台在外力作用下会产生过大的振动，进而产生疲劳破坏， 有时虽达到了要求，但过于保守，会造成材料的大量浪费。海洋平台动 力响应分析是一个复杂的过程，其中存在着诸如几何、材料、状态等非 线性因素。在波浪力及碰撞力的作用下，导管架与外界环境进行耦合， 桩与土之间存在着非线性动力耦合作用。 1 9 7 4 年b e r g e 和p e n 五e n 【3 】提出了受定向波浪作用的三维框架结构的 随机响应分析方法。在分析程序中f l q b o r g m a n 发展的一阶线性化方法是 分析程序的标准部分，而波浪环境则采用了修正的p i e r s o n m o s k o w i t z 波 浪谱。同时还研究了平台响应对定向海浪的敏感性问题，该方法最大的 贡献在于引入了有限元分析程序。 k a l e e m ，h s i e h 和t 0 印a r e l l l 【4 】在1 9 9 8 年，分析了海洋平台在非高斯海 况载荷下的频域响应，比较了深海导管架平台在高斯和非高斯分布波浪 荷载作用下振动响应的概率统计特性，还计算了荷载的二阶项作用于理 想化波浪冲击对平台结构的影响。 国内学者在海洋平台结构动力特性及动力可靠性分析方面也进行了 大量的研究工作。杨异田【5 】等针对海洋平台的自振特性进行了研究，提 出计算平台结构基本频率的简化方法。任贵永，孟昭瑛等( 1 9 9 4 ) 对海上自 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 升式平台进行了自振特性分析及与波浪发生共振的可能性分析，并重点 研究了地震载荷作用下自升式平台的动力响应。 1 3 2 碰撞动力响应分析 海洋平台在使用期间可能会受过往船舶、直升飞机起落等意外事故 的影响致使平台受损，影响了正常作业，甚至造成了严重事故。碰撞使 海上结构物发生屈曲变形或局部凹陷变形，降低了结构物的承载能力和 安全系数。它是在冲击载荷作用下的复杂动态响应过程，具有非线性动 力特性。 p e t e r s e n l 6 】分析了二维情况下的船舶碰撞运动过程，假设碰撞船体只 在碰撞点发生相互作用，所有变形均发生在碰撞点附近，并用非线性弹 簧来模拟，船体的其余部分则作为刚体来处理。所建立的船一船碰撞系统 数学模型为假定在一个时间步长内，加速度呈线性变化，最终可以求出 碰撞力。 m a r t i nj p e t e r s e n 和p r e b 即t p e d e r s e n l s l 对船舶与浮动式平台结构和 自升式平台结构进行了碰撞动力学数值模拟研究 7 1 ，在碰撞过程中考虑 了作用在船舶上水动力的变化。如果船舶与浮动式平台结构碰撞，作用 在船舶上的水动力的影响用近似的附加质量系数来考虑，附加水质量系 数主要取决于船舶的外形和碰撞的持续时间。如果船舶与固定导管架平 台结构发生碰撞，碰撞产生的能量主要被平台结构的动力响应所吸收， 平台对碰撞产生大的动力响应时，可以假定船舶碰撞后静止不动，能量 被平台吸收。 金伟良等8 1 以某导管架结构的x 斜撑在导管架安装阶段受到大吨位 起重铺管船撞击后的损伤检测结果为依据，对碰撞过程进行了数值模拟， 按照构件模型从简单到复杂的模拟思路得到了船舶对海洋平台结构的撞 击力。建立了船舶与海洋平台碰撞系统的力学模型，对导管架平台受损 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 构件进行了等效静力强度计算分析。在船舶以不同的速度与平台发生碰 撞的情况下，模拟出平台受撞击构件的永久凹陷变形与碰撞接触时间的 曲线，反演分析计算了船舶对平台结构碰撞的最大撞击力，为确定受到 撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度提出合理可行的修理加 固方案提供了分析依据。 吴卫国、姜河蓉等 9 1 采用通用非线性动态响应分析软件a n s y s l s d y n a 对广东官洲河大桥防护装置进行船一防护装置碰撞仿真模拟，得到 该防护装置在碰撞载荷作用下的损伤变形过程和吸能情况，为该类防护 装置提供了设计依据。 1 4 本文研究主要内容 本文利用a n s y s 软件对番禺3 0 1 平台进行分析计算，建立了番禺 3 0 一1 平台的有限元模型，考虑到海底地基的非线性变形，将泥面以下桩一 土相互作用用弹簧单元来模拟。拟对番禺3 0 1 平台在波浪作用下的动力 响应和碰撞时的动力响应进行分析，得出了相关结论，最后以波浪载荷 作为海洋平台结构的主要环境载荷对导管架海洋平台进行了结构优化。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 第2 章导管架平台动力响应理论分析 2 1 概述 处在海洋环境中的海上结构物，通常会受到随时间变化的动载荷作 用的影响，只有当动载荷随时间变化缓慢而引起的惯性力可以忽略不计 时，才可按静力问题分析。如在渤海海域服役的导管架海洋平台，由于 水深较浅，结构高度较低，刚性大，自振频率较高，在计算波浪载荷作 用下的反应时，往往可按静力问题分析，因为此时的动静分析结果相差 不大，况且近几年的统计结果也表明渤海地区的海洋平台由于波浪引起 的疲劳损伤可忽略不计。然而动载荷作用并不是我们人为可以控制的 1 0 1 ， 当平台位于深水、结构物较高、柔度较大时，其自振频率可能同波浪载 荷频率相接近，即使动载荷不大，也可能产生相当大的位移和应力，致 使结构破坏或产生不容许的变形，影响了正常工作。此时我们需进行结 构动力分析，校核结构的强度和刚度。当平台的自振频率接近于服役海 域内波浪中具有主要能量的波分量的频率时，就要进行动力分析。此外， 若平台处于地震活动区，当地面运动加速度大于0 1 9 时，需要进行地震 响应分析，若有接近于平台自振周期的机械载荷作用而又可能对结构产 生重大的动力响应时，也要进行平台动力分析。桩基导管架海洋平台的 基础是空问杆系结构，它承受结构自重载荷、设备载荷等垂直载荷，以 及由风、波浪、地震、海流等环境载荷引起的水平载荷作用。在桩基平 台的动力分析中，对结果有重大影响的因素主要来自外来载荷和桩基基 础，而计算方法的选取一般影响较小。基于以上影响因素，我们选用整 体分析计算模型，平台上部结构中对整体自振周期影响较大的部分都建 立出来。泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点上设置了垂直于桩 的弹簧单元，束替代在水平或力矩载荷作用下桩土的相互作用。由于我 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章导管架平台动力响戍理论分析 们主要考虑水平载荷的影响，在桩末端竖直方向上加固定约束。 海洋结构有三个主要物理参数：质量、刚度、阻尼，这些是涉及结构 的固有频率及动力反应的主要参数。它们除了和陆上结构有相类似的地 方外还有许多本身特性。海洋结构的质量计算除结构本身质量外，还有 三部分附加质量。一是附加流体质量，其中包括空心构件内水的全部质 量和构件外部附着水质量。附着水质量的大小可由势流理论确定。其与 构件截面形状、尺寸、相对运动方向及海水密度有关。二是附加海洋生 物质量，海生物附着在构件表面产生的附加质量与深度、离岸距离、流 速、水温、已服役年限等因素有关，一般在2 0 5 0 k g m 左右。三是附加 地基土质量，由于结构运动使一部分土体质量随之运动而产生附加地基 土质量，即土壤的等效惯量。对于重力式平台，是按刚性物体在半无限 空间上振动的理论解求得。对于桩基式平台，一般可忽略土体附加质量。 借助于莫里森方程，可将波浪一结构相互作用引入海洋平台的分析中，其 控制方程中有两项：第一项是附加质量项；第二是水动阻尼或发散阻尼 项。一般说来，动力响应预测可在时域或频域中获得。时域模拟有易于 解决任何非线性问题的优势，但是，当处理与波浪环境相关的长时间历 程时，计算效率有些低。频域模拟计算上速度是相当快的，但是，广义 上只限于线性结构的动力响应计算。 2 2 外载荷计算分析 海洋平台工作在复杂的载荷条件下，但其载荷总结起来可分为环境 载荷、使用载荷和施工载荷三类。这些载荷都应作为海洋平台设计的原 始依据，只是在平台建造、安装及平台在服役的不同过程中考虑的侧重 点不同。在进行导管架设计时常利用它们的极值数据或它们之间的组合 数据，所谓载荷组合就是将各种可能最不利条件下出现的载荷作为平台 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 的载荷进行结构内力分析，从而找到各构件在不同载荷情况下最不利的 受力情况。在此要注意组合的合理性和可能性，如在渤海区域冰载荷作 为一种主要载荷，而在南海就不需要考虑冰载荷了。波浪载荷是环境载 荷的主要形式之一，由于波浪的复杂性，还没有一种统一的理论能完全 描述波浪，每一种波浪理论都有其特定的使用范围。对波浪的描述主要 有确定性的波浪理论、随机波浪的概率特性和能量谱密度方法。 2 2 1 波浪载荷计算分析 确定性的波浪理论又称规则波理论，是将波浪简化为在重力作用下 具有单一周期和振幅的简单规则波动，可以解释自然界中出现的简单波 浪运动。波浪理论有线性波理论和非线性波理论，其中线性波理论中有 a i r y 波理论、小振幅波理论。非线性波理论有s t o k e s 波理论、椭圆余弦波 理论和流函数理论。他们都是在一定的条件下通过某些假设和简化得到 的，各种波浪理论都有一定的使用范围。根据竺艳蓉的理论计算和水槽 实验数据的对比分析，认为按照s t o k e s - - 阶波浪理论计算的波力一般偏 大，故采用s t o k e s 五阶波浪理论更为合适。建议的各种波理论的使用范围： 丁g 埘 o 2 ) ，h d 0 2 ，采用线性波理论 ( 2 一1 ) r g 埘- 1 0 o ( d l o 1 ) ，采用s t o k e 五阶波理论 ( 2 2 ) 丁g 埘1 0 o ( d l o 1 ) ，采用椭圆余弦波理论 ( 2 3 ) 式中t - - 波浪周期； g 一重力加速度； d 一水深： h - - 波高； l - - 波长。 i o 中国石油人学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 在海洋工程中，海洋平台承受着巨大的波浪力，海浪作用在海工结 构物上的效应【1 有：( 1 ) 由于流体的粘滞性而引起的粘滞效应；( 2 ) 由于流 体的惯性以及结构物的存在，使结构物周围的波动场的速度分布发生改 变而引起的附加质量效应；( 3 ) 由于结构物本身对入射波浪的散射作用而 产生的散射效应；( 4 ) 由于结构物本身的相对高度较大，结构物与自由表 面接近扰动了原波动场的自由表面而产生的自由表面效应。 目前对于作用在小尺度海工结构物( d l o 2 ) 上的波浪力计算主要是 借助于莫里森方程，该理论认为波浪对柱体的作用主要是粘滞效应和附 加质量效应。 厶啊= 丢c d l hi + c 。p 巧等( 2 - 4 ) 厶= ；c d p d u 。1 l + g p 等警 ( 2 5 ) 式中 ，一柱体轴中心位置任意高度z 处波浪水质点的水平速度； 皇錾一水质点水平加速度； 讲 , 4 - - - - - 单位柱高垂直波向投影面积； c 。垂直于柱体轴线方向的拖曳力系数 c 册一质量系数； 口一海水密度； 琢一单位柱高的排水体积。 对于圆柱体：厶= 圭g p 砒。l l + q p 下n - d 2 百0 x ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 为固定柱体的莫里森方程，若柱体在波浪中运动，设运动柱 体的运动方向与波浪运动方向一致，在z 处的水平位移为x 则方程为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 厶= 三c d p 。( 一圳( 一圳+ c 卅p _ r t d 广2 警一q p l r 4 d 2 聋 ( 2 7 ) 则单柱体上的波浪力方程为：取柱体( o ，d + 叩) 上的积分 厶= 以巳p d u 巾，舷+ f 9 扣等等出 ( 2 s ) 式( 2 8 ) 是计算作用在柱体上的水平波力的莫里森方程，为正确计算 出此力，首先要根据所在的海域的水深和设计波的波高h 、周期t 等条 件选用一种适宜的波浪理论来计算波浪的叩、警和；然后选取合理 的拖曳力系数c 。和质量系数c ：。 2 2 2 静水压力计算分析 圆柱形构件可以分为封底和开口两种结构。封底的结构在水下受到 静水压力的作用，对于满足椭圆度公差的封底平台管状构件，作用于环 向的膜应力五不应超过环向l 临界屈曲应力e 。取一定的安全系数，其屈曲 应力的计算公式如下： 五r s f ( 2 9 ) 五= p d 2 t( 2 - 1 0 ) 式中 五一静水引起的环向应力； p 一静水压力； 趼。一安全系数。 ( 1 ) 设计静水压头 在计算过程中静水压力为( p = y h z ) ，其中以为设计静水压头。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 皿= z + h w 【c o s h k ( d - z ) 2c o s h k d ) ( 2 - 1 1 ) 2 lj 、 式中 皿咆括潮位在内的静水面以下的水深： w 一波高； k 一七一2 石，为波长。 ( 2 ) 环向屈曲应力 在计算中应力包括弹性环向屈曲应力民和临界环向屈曲应力吒， 其确定方法如下： 弹性环向屈曲应力r = 2 c e d ( 2 1 2 ) 几何参数m = l ( 2 d t ) “5 d( 2 - 1 3 ) 式中临界环向屈曲系数g 包括公差范围内的初始几何缺陷影响。 g = 0 4 4 t d m 1 6 d t ( 2 - 1 4 ) c j = 。4 ，。+ 旦墨j 弘。8 2 5 。，村 6 。，( 2 - 1 5 ) g ：o 7 3 6 ( m - 0 6 3 6 ) 3 5 m o 8 2 5 d t g ：o 7 5 5 ( m - 0 5 5 9 ) 1 5 m 3 5 c = 0 8 m 1 5 ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 临界环向屈曲应力： 临界环向屈曲应力可以确定出发生弹性环向屈曲还是非弹性环向屈 曲，其表达式如下： 弹性屈曲：k = 2 z r l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 非弹性屈曲 = 吒最- 0 5 5 e ( 2 1 9 ) r = 0 4 5 f y + o 1 8 吒0 5 5 f y r 优( 2 - 3 6 ) 式中 a 一无因次风区，口= 0 0 7 6 i ”2 ： x 一风区长度： u 一海平面以上l o m 高度处的风速，谱峰频率为钆：2 2 罢i m 。 我们需要计算出作用在桩腿上的波浪力，在频域范围内，设在z 五 段的桩截面相同，则作用在该段的总波力谱和总力矩谱为【1 7 】： ( 珊) = 4 。( 纠f 2 + ( 功 2 埚，( ( 2 3 7 ) s o ( 甜) = 1 。( 。) 1 2 + i ( 国) 1 2 】最。( 田)( 2 3 8 ) 式中w 班( 专；妒掣：堕丝絮篇拦( 2 - 3 9 ) 乃( ) = f 伊m - - - - - - ( s i n h 一s i n h k z i )( 2 - 4 0 ) 。 c o s h c a r 。 = 哦【丛孕+ 孕蛐弛 ( 。础啦一砌强) 】( 2 4 ，) ( ) 。劬肘磊砉西【k z 2s i n h k z 2 一k z ，s i n h k z , 一( c o s h k z 2 - - c o s h 乜) 】( 2 4 2 ) 式中 晶，( ) 一波浪功率谱密度函数； d 一水深： 女一波数。将= 代入上式中即可求出该段的总波力谱和总力矩谱。 根据功率谱密度函数有： 1 9 中国石油大学( 华东) 硕上论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 i t 而= l 地争j ，办( ，) 加d 州缈( 2 - 4 3 )r _ r u 一丁 式中工2 ，( ，) 为随机过- n x ( t ) 的均方值，( 国) 为单侧功率谱密度。 在前面分析的基础上依照式( 2 - 4 3 ) 进行处理可以得到能够代表平台在整 个使用寿命期间大量出现的中等海况的波浪力，将此最危险的波浪载荷 施加在有限元模型e l ( + ) 0 0 m 处相应的节点上，得出响应值。 2 4 动力响应结构有限元模型 基于上面的分析我们采用a n s y s 软件对导管架平台进行研究，为 提高分析结果的实用性，在建模时不但考虑了导管架平台的主要结构， 还把附属设备以结构质量单元的形式施加在实际坐标位置上。桩和导管 架部分采用p i p e 单元，上部组块采用b e a m 单元和s h e l l 单元，导管 架平台上的设备采用m a s s 单元加到相应的空间位置上。 在建立桩模型时对桩土间的作用采用非线性耦合技术处理。根据土 的p y “”曲线可计算出弹簧单元的输入参数，这样就可以通过弹簧单元 模拟桩土间的非线性问题。p y 曲线是在水平荷载作用下，泥面以下深 度为x 处的土反力p 与该点桩的挠度y 之间的关系曲线。它综合反映了 桩周土的非线性、及桩的刚度等特点。 p y 曲线法需要先从现场取得土样，在试验室中进行试验，得到土 层的基本参数，然后利用公式计算出土的p y 曲线。相对于其它方法， p y 曲线法考虑了各种地基，对静荷载、动荷载以及循环荷载都适用， 很快就被美国a p i r p 2 a 采纳，成为海工桩基设计的标准方法，也是目 前对于波浪循环荷载作用下桩基的一种合理的计算方法。 海洋桩基平台的弹性长桩，由于其上部的水平位移较大，桩周土从 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 表层开始屈服，塑性区逐渐向下发展。对塑性区的土体采用了极限地基 反力法，弹性区的土体采用了弹性地基反力法，利用两者边界的连续条 件求解，被称作复合地基反力法。 2 4 1 各种类型单桩( p y ) 曲线 ( 1 ) 软粘土侧向承载力和变位( p y ) 曲线 在外力作用时，循环载荷会引起侧向承载力退化而低于静载荷作用 下的数值，因此在短期载荷作用时可以用下式取较小的值计算： 当x 从0 增加到x r 时： _ 唧+ - ，告x 1 5 的所有位移值p 凡均取0 7 2 x x r ，土壤已达到平 衡的情况，可从表2 2 表形成p y 曲线。 表2 1 短期静载荷作用下p - y 数值表 y y j o o 0 00 0 0 5 0 1 0 0 7 23 0 1 08 0 1 0 表2 - 2 循环载荷作用下p y 数值表 x tx ( x r p p uy y s o p p u y y s o o 0 0 0 0 o 0 00 0 0 5 01 o0 5 0 1 0 o7 23 00 7 23 0 1 o8 oo7 2 x r 1 5 1 oo7 2 x r 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 l0 0 5 图2 - 1 软粘土中的p y 曲线图 ( 2 ) 硬粘土侧向承载力和变位( p y ) 曲线 土阻力达到极限土阻力的一半时相应的应变为： y s o = d( 2 - 4 9 ) p y 曲线按下式计算： p p = o 5 ( y y m 3 “ ( 2 5 0 ) 对于超过1 6 的所有位移值p p 。均取1 。 对于循环反复载荷作用时，可由试验室获得数据确定循环反复载荷 对位移的影响系数，这样比较准确，也可以由下式确定： c = 9 6 ( p p ) 4 ( 2 5 1 ) 相对应于上述的若干个p p 值，再由下式计算循环载荷产生的位移 咒= 儿+ y s o c l g n ( 2 5 2 ) 式中 儿一次循环加卸载后的位移； 咒- j 短期静载荷下的位移； 一相应于极限土阻力一半时的短期静载荷位移。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章导管架平台动力响应理论分析 ( 3 ) 砂土侧向承载力和变位( p y ) 曲线 在任一给定的深度h 处可求出其的最小值来确定极限承载力 = ( g 。h + c 2 d ) y h( 2 - 5 3 )