桶形基础的结构强度分析.pdf

第 3 4卷 第 1期 2 0 0 0奸 1月 上海交通大学学报 J OURNAL F S HAN GHAl J I A T G UNI VERS I TY Vo 1 3 d No 1 l l 2 0 0 i 文章编 号 1 0 0 6 2 4 6 7 2 0 0 0 0 1 0 0 9 c 4 桶 形 基 础 的 结 构 强 度 分 析 C 一 潘建明 1 上海交通 大学 船 舶与海洋 T程学 院 上海 2 0 0 0 3 0 2 上海海洋石油局技术装备研究所 上海 2 0 0 l 2 0 摘要 对初 始安 装 阶段 的桶 型基 础进 行 了研 究 分析 了不 同长度 及 水深 时结构 所受 的 自压 将 结 构简化成一端固定 一端 自由边界条件的圆柱薄壳 针对简化模型 采用经典的薄壳理论对结构进 行了理论分析 稚导 出结构在 负压作用下的挠度 弯矩等的解析表达式 并研究 了桶长 半径等形状 参数对结构的影响 同时以 E u r o p i p e 1 6 1 E导管架平台的桶形基础为 实例进行计算 并与有限 元分析的结果作 了对比 得到 了较为满意的结果 根据文中方法编制的计算程序简单方便 适合于 实际工程 中的预 算和评 估 关键词 海洋工程 桶 形基础 自压 结 构 强度 中图分类号 文献标识码 A 乙 巷 岳 彳 芝 Li n ear St r en gt h An al y s i s of Bu c k e t Fou n d at i on s W AN G Xm y o n g XI AO X i PAN Ji a n ru i n g 1 S c h o o l o f Na v a l Ar c h i t e c t u r e Oc e a n En g S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 Ch i n a 2 I n s t o f Te c h Eq u i pme n t S ha ng ha i Oc e a n Pe t r ol e u m Bu r e a u Sh an gha i 2 00 1 2 O A b s t r a c t Th e S t r u c t u r e o f b u c k e t f o u n d a t i o n i n t h e i n i t i a l i n s t a l l a t i o n s t a g e Wa S i n v e s t i g a t e d s u c t i o n wi t h di f f e r e n t l e n g t h a n d wa t e r d e p t h we r e a n a l y z e d i n d e t a d a n d t h e f o u n d a t i o n wa s mo d e l e d a s a c y l i n d r i c a l t h i n s h e l l wi t h f i x e d f r e e b o u n d a r y c o n d i t i o n Ac c o r d i n g t O t h e a b o v e me n t i o n e d mo d e 1 t h e s t r e n g t h a n a y s i s o f bu c k e t f o un d a t i o n u n de r s u c t i o n Wa S d e v e l o p e d u s i n g t he c l a s s i c a l t hi n s he l l t he or y And t he c or r e s p o ndi n g e q ua t i o ns o f s t r u c t u r a l di s p l a c e me nt a n d mo me n t s we r e d e r i v e d t h e i nf l u e n c e t O t h e s t r uc t ur e of l e n g t h a n d r a d i u s Wa s a n a l y z e d a l s o Th e Eu r o p i p e 1 6 1 1 E j a c k e t wa s c a l c u l a t e d a s a n e x a mp l e a n d t h e r e s u i t s f r o m c a l c u l a t o n we r e c o n t r a s t e d wi t h t h o s e f r o m F EM a n a y s i s Th e p r o g r a m o n t h e h a s i s o f t h i s me t h o d i s c o n v e n i e n t a n d s u i t a b l e f o r b u d g e t a n d e v a l u a t i o n i n p r a c t i c e Key wo r d s o c e a n e ngi n e e r i n g b uc k e t f ou n da l i o n s u c t i o n s t r u c t u r a s t r e n gt h l 9 9 4年夏 北海第一个采用桶形基础的导管架 平 台 E u r o p i p e l 6 1 1 E平台的安装成功 标志 着桶 形基 础这 一新型基 础型式 已 日趋 完善井进 入实 用 阶段 与传统 的桩式基 础相 比 桶形 基础利用 负 压 原理 改变了基础结构 具有重量轻 海上安装方便 施工时间短等特点 极大地降低了成本 因此 它对 收稿 日期 l 9 9 g 0 3 1 0 基金项 目 国家 8 6 3 海洋领域高拄术基金资助项 12l s 2 1 0 作者简介 王秀勇 1 9 6 7 男 博士生 中小型边 际油 田的开 发有重要 意 义 桶形 基础技 术包 含了板壳 力学 土力 学 土 与结 拘之 间 的相 互 作 用 及 其 非线 性 耦 合 等 许 多 重 要 课 题 对这 些 内容 进行 分 析和 研 究将 会对 实 际 工程 起 积极的指 导作用 本 文在对实 际结 拘简化 的基础上 主要 针对结 构强度 进行 了线 弹性分 析 1 模型简化 桶形基 础在 下沉过 程 中 将 承受 负压 上部结构 维普资讯 上海 交通大学学报 第 卷 的重力 土对结 构的摩擦力及 土反力等载荷 同时 风浪流对吊装驳船的作用可能会使基础发生倾斜或 摆动 使情况变得更为复杂 但根据实际情况作一定 假设 可以使结构简化 基本假设如下 1 本模型只考虑初始安装 阶段的情况 并假 设在下沉的某一瞬间基础没有倾斜和摆动 见罔 l 图 1 计算模型 Fi g 1 M o de l of t he c a l c ul a t i on 2 在初始安装 阶段 基础插入土 中的距离较 短 而且表 层土 的强度较 弱 因此裙 端阻力 和水平 上 反力都很小 可以忽略 3 桶形摹础一般 为典型的短粗薄壳结构 不 能忽略 边 界条件 的影 响 故 应采 用 薄壳 的有矩 理 论 进 行分 析 4 假设顶板有足够的强度 且与桶壳刚性 连 接 上部结构重量和吊装载荷都作用在顶板上 故 七 部可视 为 固定边界 5 壳 体 只受 由桶 内负压形 成 的径 向外压 因此 整个 桶 形 基础 结 构简 化 为等 厚度 的 圆柱 薄壳 具有轴对称结构及载荷 上端为固定边界 下 端 为 自由边 界 2 理论分析 根据经典薄壳理论 等厚度的圆柱壳体 的轴 对称 变形 问题的微 分方程 为 警 4 一 言 J q d 1 式 中 为壳体 表面轴 向载荷 为端部力 一 3 卜一 R t D E t 1 2 1 为抗弯刚度 R为 I 卢 I l I I 壳体半径 为薄壳壁厚 对 于 桶 形 基 础 根 据 上 面 的 假 设 N 一0 则 方程可 简化 为 u 一 斋 d 求解 该方程 即得 基础壳 体 的挠度 为 2 w 一e 一 C L C O S卢 2 s i n卢 e c 0 s 1 s i n r 3 式 中 z 一q 4 D 为方程 的特解州 为壳体 法 向上 所受 的压 力 是 由基础 内外 压差 引起 的 随着 桶 内 负压 的 变 化 有 着 不 同的表 达式 一 并 与 水 深 H 桶长 L等 有关 1 当 0 P g H L 时 根据静水压 力传递的原理 沿桶外壁将受到均匀的压力 见 图 2 a 即 一声 2 当 P p g H L 户 处 桶内上部已没有静水压力作用 只有外 部水 压 故 桶壁所 受 的法 向压力 为 一 P p g H一 其 中 一日 P o p g P P g 为大气压强 在 O x p g H 时 整个桶内只有外部水 压 见图 2 c 桶壁所受的法向压力为 g 一 户 P g I t一 7 2 式 3 用 双 曲函数表 示为 叫 一C c h卢 c 0 s C c h卢 船 i n卢 0 C s h卢 c 0 s卢 s h x s i n卢 W 4 引人 克雷洛 夫函数 n X c h X C O SX n2 X 一 1 c hX s i nX s hX C O SX n3 x s h X s i n X 图 2压 力 分 布 Fi g 2 Di s t r i but i on of 1 he p r e s s ur e 维普资讯 第1 期 王 秀勇 等 桶 彤基 础的 结构强度 分析 4 j 一 c hX s i n五 s h五 C O S j 则挠 度 函数 可改 写成 wOO一 n 1 卢 十 2 n 卢 n 卢 z n4 z 一 S t 5 从 而 得 d w 一 卢 n 7 k nz 7 z 一 7 k 卜4 警 6 d j 7Z w一卢 矗 n 卢 卢 矗 n z 枷 z 4 枷 4 肌 卜 枷 z 卜4 8 根据桶型基础下端的边界条件 当 X 0时 l 一 D 嚣二 仉 D 格一 即 鲁一 一 0 代 人 式 7 8 则 得 系 数 一 k 一 0 由上端 边 界 条 件 在 z 外 固定 有 w一0 d w d x 0 代 人方程 5 6 解 得 系数 一五 I 玉 4 1 c 一 n 卢 2 卢 L n 卢 k z n2 卢 L 5 n 9 L 4 0 2 E L n L 4 2 9 L n i 卢 L 4 2 2 E L O 卢 n 卢 L E o 4 nI E L O 最终 可得桶形 基础 在负压 作用 F的弯 曲变形和 内力 如下 挠度 矗 n 卢 丘 z n 卢 叫 转角d w E k n 卢 一 4 5 k n 卢 等 弯 矩 札一 一 D d a e w 一 4 D fl n 卢 4 Dfl k 2 n E r 横 向剪 力 一 一D d a w 4 D E n z p 4 DE k E r 本 文根据上述计算公式 编制 了相应 的计算程 序 并 对 工程 实例进 行 了分析计 算 3 实例计算及参数分析 3 1 E u r o p i p e 1 6 i 1 1 E导 管架 平 台的桶形基础 E u r o p i p e l 6 1 1 E导管架 平 台在桶 形基础 的 发 展历程 中 占有重要 地位 曾被誉 为 导管架基础 工程 技术 的新 时代 曙光 口 用它 作 为算 例 对 了解 国外 的基础结构设计很有帮助 其基本结构参数数为 尺 一 1 2 m 一7 m 壁 厚 4 0 mi t t I I一7 0 m P一 2 0 0 k P a 实 际工程 的负 压大 约在 8 O l 5 O k l a 为评 价 理论计算的结果 又对结构进行了有限元分析 并将 两者 的结 果进 行 了对 比 有 限元 分 析使 用 AL GOR通 用有 限元 程序 对 整个结构进 行 网格划 分 采用 四结 点等参 薄板单 元 计算中考虑 了不同的网格划分对计算结果的影响 材 料 特 性 为 弹 性 模 量 E一2 1 0 GP a 泊 松 比 一 0 3 从结 果 看 理 论 计算 和 有 限元分 析 的挠度 值极 其吻合 见图 3 只是在 自由端处有一些差别 在理 论计 算 中 自由端 挠度 0 8 5 7 mm 而 有限元 计 算 一0 8 9 9 6 f i l m 随着有 限元划 分 的 网格数 目的 增加 其计算精度得到提高 但上述差别仍然存在 苫 图 3 挠度 曲线图 Fi g 3 Dr a wi n g o f t h e d e f l e c t i n g 图 4弯曲应力图 F i g 4 Dr a wi n g o f t h e b e n d i n g s r e s s 由于结构只受外压 没有轴向压力 故主要考虑 其由弯曲引起 的轴向应力 有限元分析在 网格划分 较少 时误差 较 大 随着 有 限元 划 分 的网格 数 目的增 加 计算精度明显提高 只是在固定端稍有误差 轴 向应 力 在顶 端约 束 处 达 到最 大 值 理 论值 约 为 5 3 3 8 0 6 MP a 有 限元 计算 约 为 4 4 4 6 2 6 MP a 见 维普资讯 上海交通大学 学报 第 4 卷 罔 4 综上所述 前面推导的理论计算公式可认为是 基本正 确的 3 2 参数分析 1 半径 R一定时 改变桶长 L 根据薄壳力学 分析 当壳体尺寸参数 2 时可近似地作 为 长壳 处理 即认 为内力 和变形将 迅速 衰减 不 会影 响 到另一 端 当 il 1 趋 近 1时 则应 按 短壳 处 理 壳 体 一 端 的边界 效应 将 影 响到 另一 端 因 而必 须考 虑 两 端边界效应的相互影 响 当 L增加 时 下部的压力 和边界条件 不变 但根据 前 面的压 力分析 第 一种 情 况 除 外 L增 加使 作 用 在上 端 的压 力减 小 由于 长 壳两端的影响逐渐减小 因而其顶端应力减小 但下 端 的挠 度 不变 计 算结 果表 明 在 负压 较低 时 增 大 L对 结构 基本 没有 影 响 只是 在 高 负压 时 才表 现 出 上 述规律 见 图 5 当 L减 小时 上 下两 端 的边 界效 应 会逐渐 相互 影 响 在 L减 小 到某一 长度 时 出现 顶 端 应力突 然 下降 的现 象 见 图 6 这 可能 是 由于 衰 减函数的存在 上下两端的作用相互抵消引起 的 即 存 在一个 L R值 使 结构 强度 处于较 有利 的状 态 图 5 桶 长与挠度的关系 F i g 5 Re a t i o n s h i p o f e n g t h a n d d e fl e c t i o n 图 6 桶长与顶端应力的关 系 Fi g 6 Re L a t i on s hi p o f L e n gt h a nd t op 2 桶 长 L一 定 时 改变半 径 R 当 L一 定 改 变 R时 桶体所受的压力没有改变 只是使 卢 L的值 改 变 而 已 由 于 5 一 3 1 一 v L 即 卢 L 与 的平方根成反 比 故增大 相当于使桶趋近于 短 壳 两 端 的边 界 效 应影 响逐 渐 加 强 减 小 时 桶 变成长壳 边界效应减弱 计算结果表明 随着 的 增大 自由端 的挠 度 见 图 7 及顶 端 应 力 绝 对值 见图 8 都随之增加 图 7半径与挠度 的关系 Fi g 7 Re L a t i on sh i p of r a di us a n d d efle c t i o n 图 8半径 与顶端应 力的关 系 F i g 8 Re a t i o n s h i p o f r a d i u s a n d t o p s t r e s s 4结论 1 由于 薄 壳 结 构 本 身具 有 较 好 的受 力状 态 主要承受较为均匀的拉压 内力 薄膜内力 材料的 强度 能得 到较 为 充分 的 发挥 故 桶 形基 础 在工 作 时 能承 受较 大 的负 压作 用 一 般 的负 压引 起 的应 力基 本上都能满足钢材的屈服强度 2 随着 的增 大 自由端 的挠