第六章自升式平台强度12-3案例.ppt

海洋平台强度分析 第六章自升式平台强度分析 6 1自升式平台的主要工作状态 自升式平台是由一个船体 平台 和若干起支撑作用的桩腿所组成的 由于这种平台在工作的全部过程中有多种不同的工作状态 各种状态下结构的受力情况都不完全相同 在计算平台结构强度时必须考虑各种不同的工作状态 自升式平台载荷如图6 1 平台的工作状态有下列五种 1 拖航状态2 放桩和提桩状态3 插桩和拔桩状态4 桩腿预压状态5 着底状态 6 1自升式平台的主要工作状态 1 拖航状态拖航是指整个平台从一个地点 或井位 转移到另一个地点 或井位 的航行状态 这时平台主体漂浮在海面上 桩腿升到平台主体之上 由于受到风浪的作用 平台主体也将如船舶一样产生摇摆运动 这时平台主体受到重力 浮力 波浪力和惯性力的作用 同时在桩腿根部的固桩处有很大的动弯矩作用着 对于深水自升式平台 由于桩腿很长 桩腿根部的固桩处就将受到很大的作用力 当平台主体的纵摇或横摇的角度较大时桩腿因倾斜又对根部产生很大的桩腿重力力矩 2 放桩和提桩状态放桩是指桩腿向海底下放 提桩是指桩腿拔出海底之后向上提升 这时船体仍浮在海面上 在放桩和提桩的过程中 当桩腿未与海底接触但船体在风浪作用下发生摇摆时 桩腿也随着摇摆使桩腿上部 接近船体底部 受到较大的动弯矩 当船体在风浪作用下产生升沉运动而使桩腿和海底发生碰撞时 桩腿根部也将产生很大的动应力 6 1自升式平台的主要工作状态 3 插桩和拔桩状态插桩式平台在插桩时桩腿将承受升降机构的下降力 桩腿土壤支反力和桩周摩擦力的作用 拔桩时桩腿承受升降机构提升力 桩端粘结力以及桩周摩擦力的作用 若在淤泥中还有桩端淤泥吸附力的作用 在拔桩过程中 当桩腿拔出海底的速度过快或海面风浪较大时也可能出现桩腿端部与海底碰撞的现象 4 桩腿预压状态桩腿预压是将桩腿下面地基的承载力预先压到暴风状态时所要求的地基承载力 以防止桩腿出现不均匀下沉 造成平台倾斜和倾覆事故发生 对于矩形的自升式平台采用对角线预压方式 即先由某个对角线方向上的桩腿升降机构作升船运动 而另两个对角线方向的桩腿升降机构松开 此时平台主体的全部重量由预压的两桩腿承担 使土壤承受压缩 然后再将另两个桩腿作升船运动 原先两个桩腿放松 这样轮换对角线预压 直至达到规定的预压载荷后桩腿不再下沉为止 这种预压方式 对桩腿而言将承受最大的轴向预压载荷 大约为正常工作载荷的1 6 2 0倍 对船体而言 就相当于支撑在对角线桩腿上 平台上的重力载荷使船体产生弯曲和扭曲变形 对于三角形的自升式平台一般是用压载舱加载方法预压 使三个桩腿同时承受船体的全部重量和压载重量 这时船体相当于三点支撑 没有扭曲变形的问题 6 1自升式平台的主要工作状态05 4 12 5 着底状态着底状态包括满载风暴不作业和满载作业两种状态 一般情况下 满载风暴不作业时桩腿所受的外力要比满载作业状态时大 所以通常平台就以满载风暴不作业状态进行设计 平台主体被桩腿支撑在海面之上时 平台主体上的甲板载荷和风力将通过桩腿传递到海底 这时的桩腿将受到风力 波浪力 潮流力 平台重力和地基反力的作用 由于桩腿比较长 平台结构在载荷的作用下产生的侧向位移还将使桩腿受到不可忽视的重量偏心力矩 根据上述各种工作状态的受力分析 平台结构通常需要进行下列的强度计算 1 平台总体强度的计算 着底状态 2 单桩腿局部强度计算 着底状态 拖航状态 放桩与提桩状态 3 船体强度计算 拖航状态 桩腿预压状态 4 固桩区结构强度计算 着底状态 拖航状态 6 1自升式平台的主要工作状态 在自升式平台的强度计算中除了考虑上述不同的工作状态外 同时还要考虑环境条件和甲板载荷的不同情况 例如在着底状态中有满载风暴工况和满载作业工况 前者为平台遭到百年一遇的风暴 甲板载荷为满载情况 这时已不进行钻井作业 后者的环境条件通常为36m s风速下的海浪 甲板载荷为满载情况 平台正常钻井 由于前者条件更为严重 一般就以这个工况作为设计工况 拖航状态也有满载拖航和轻载拖航 前一种是在油田范围内拖航 环境条件不严重 6 7级风 后一种是远距离大洋拖航 要估计可能遇到大风暴情况 例如100kn风速 对于需要远距离大洋拖航的自升式平台 就要按照这种工况进行计算 因此在设计工况的选取中对甲板变动载荷 包括大钩载荷 和环境条件要考虑可能出现的最不利的情况组合 以保证结构的安全性 11 14 6 2平台着底状态的总体强度计算 一 平台的结构理想化问题将整个平台理想化为空间刚架 其中船体作为板架处理 桁架式桩腿则简化为相当杆件 桩体上端与船体刚性连接 下端为铰支或弹性支承 如图6 2所示 6 2平台着底状态的总体强度计算 根据移动平台规范的规定 桩腿的下端可按海底泥面以下3米处铰支处理 这种处理方法计算比较简单 但略去了海底基础对桩腿下端的转动约束 此时桩腿的弯矩全部集中于桩腿与船体的连接处 而且此弯矩值相当大 因此这种处理方法对结构设计来说是偏于保守的 事实上海底基础对桩腿是有转动约束作用的 这种约束将使桩腿下端承受弯矩 从而使桩腿与船体连接处的弯矩减少 6 2平台着底状态的总体强度计算 图6 3所示为海底基础约束程度时桩腿弯矩分布的影响 6 2平台着底状态的总体强度计算 海底基础对桩腿的转动约束可用一个转动弹簧来表示 此转动弹簧的刚度系数的确定取决于海底土坡的特性 插桩深度和桩脚箱的形状等 是一个颇为复杂的间题 作为近似计算 转动弹簧的刚度系数可用下式表示 式中 G为土壤的剪切模数 为土壤的泊桑比 r0为桩脚箱的半径或接触面积的半径 假如桩脚箱是边长分别为B和L的矩形 且L垂直于转动轴 则等效的半径向可用下式表示 6 2平台着底状态的总体强度计算 二 环境载荷计算在平台着底状态的总体强度计算中 一般是以满载风暴工况 不钻井 作为设计工况 但由于不同的风向 波浪入射角 波峰位置和不同的海流方向对平台产生的环境载荷有较大的差异 所以需要进行环境载荷的搜索 以确定最大的环境载荷 并以此环境载荷与甲板载荷叠加 进行总强度计算 对风载荷 可以先将受风构件在不同风向的投影面积 形状系数 高度系致 风压值 风力作用高度等计算出来 然后求得不同风向的风力和它对桩腿下端的力矩 对于有对称性的平台 一般在0 到180 之间取6至7个风向角进行计算 如图6 4所示 6 2平台着底状态的总体强度计算 对于波浪载荷 在搜索时除了考虑不同的波向角外 还要选定不同的波峰位置 波峰相对于平台总坐标的位置 因为在一定的波向角下 桩腿相对于不同的波峰位置 其受到的波浪力也各不相 为此 需要选取若干个波向角 对有对称性的平台 一般也在0 到180 内取5个到7个波向角 而对每一波向又取5个到10个不同的相位角 即波峰位置 进行波浪力计算 然后求出每一波向角中平台受到的最大波浪力和波浪力矩 海流力可在计算波浪力时一并计入 流向假定与波向相同 最后 可将风力与波浪力进行合成 确定出最大的环境载荷 表6 1为 南海一号 自升式平台在不同工作水深与不同风浪方向情况下风和波浪引起的水平力和倾覆力矩 其中波浪力与力矩是该方向的5个相位角中的最大值 而风力与风力矩则取5个风向中的最大值 120 的风力和风力矩 表中所取的环境条件是风速59m s 115kn 波高16 6m 波浪周期13s 流速1 4m s 6 2平台着底状态的总体强度计算 表6 1 南海一号 自升式平台风和波浪引起的水平力和倾覆力矩 6 2平台着底状态的总体强度计算 在波浪力的计算中 浸没于水中的各桁架构件被简化为一个流体动力等效梁 其方法如下 前已述及单位长度圆柱体的波浪力是用莫里桑公式计算的 对于桁架式桩腿 一个节距内的波浪力将由若干弦杆 水平杆 斜撑杆和内水平撑杆等构件承受 图6 5 因此一个节距的波浪力公式就写成为 式中 CDi CMi分别为i构件的拖曳力系数与惯性力系数 di li分别为i构件的直径与长度 li 为i构件的投影长度 U 分别为水质点的速度与加速度 6 2平台着底状态的总体强度计算 圆管惯性力系数CMi取为2 故 等效直径 D由下式求得 于是等效直径D的拖曳力系数CD可由下式计算出 根据式 6 4 一个节距的波浪力可写成 式中 L为节距长度 D为等效直径 按式 6 5 求得 CD为对应于等效直径的拖曳力系数 按式 6 6 求得 CM为圆管的惯性力系数 通常取为2 6 2平台着底状态的总体强度计算 实例 计算节矩L 5 486m的桁架式桩腿的等效直径D与相应的拖曳力系数CD 表6 2桩腿等效D的计算表6 3桩腿等效CD的计算 6 2平台着底状态的总体强度计算 本例中弦杆直径d 1 040m是考虑到弦杆上的齿条中心线间的距高 但就是一根桩腿上的三根弦杆其齿条相对于波向的方向也是不同的 见图6 6 这里为简单起见近似取波向垂直于齿条的条的情况作为代表 6 2平台着底状态的总体强度计算 表6 3中li 是构件的投影长度 由于投影面要随波向而变 故按实际情况选取较麻烦 这里就按图6 7所示的投影面作为代表 该图的两个投影图是桩腿三片平面桁架的投影图 6 2平台着底状态的总体强度计算 三 桩腿整体强度计算对于自升式平台 平台主体的刚度要比桩腿的刚度大得多 而且从桩腿的受力情况可知桩腿是压弯构件 就总体强度而言 桩腿相对船体往往是 薄弱 的构件 因此 桩腿整体强度计算是必不可少的 由于桩腿被理想化为相当杆件 所以首先要求得这些相当杆件的截面几何特性 根据文献的建议 桁架式桩腿的一个侧面的等效剪切面积AQ可按图6 8计算 而整个桁架式桩腿的截面几何特性可按图6 9计算 图中 A为桩腿截面面积 AQ为桩腿剪切面积 I为桩腿截面惯性矩 IT为桩腿截面扭转惯性矩 为材料的泊桑比 6 2平台着底状态的总体强度计算 6 2平台着底状态的总体强度计算 6 2平台着底状态的总体强度计算 有了桩腿相当杆件的截面几何特性 通过平台空间刚架计算 即可求得桩腿相当杆件的内力 由于平台受到载荷后发生了变形 使桩腿产生了侧向位移 因而桩腿还受到了附加弯矩的作用 如下图所示 此时桩腿截面上出现了所谓二次应力 对深水自升式平台的桩腿来说 这种附加弯矩的影响是不可忽视的 但在一般的刚架计算中考虑侧向位移的影响是比较复杂的 通常简化的方法是用第一次计算所得的桩腿轴向力和第一次算得的桩腿侧向位移的乘积作为附加弯矩 并和桩腿原来的弯矩进行叠加 作为桩腿的计算弯矩 6 2平台着底状态的总体强度计算 对于桩腿这祥的受压和弯的细长杆件 通常用稳定性条件和强度条件来校核 1 整体稳定性对于长细比很大的压杆而屈曲发生在弹性范围内时 其临界屈曲应力 cr可由下式确定 式中 KL r为杆件长细比 E为材料的弹性模量 L为杆件实际长度 r为杆件的截面惯性半径 K为杆件的有效长度系数 与杆件两端的固定情况有关 K值的选取可参考表6 4 6 2平台着底状态的总体强度计算 6 2平台着底状态的总体强度计算 当屈曲发生在应力一应变的非线性区段时 可采用半经验公式 6 9 计算 对于碳钢和合金钢杆件 这个公式已由实验证实 式中 s为材料的屈服极限 令式 6 8 和 6 9 的 cr相等时 可以求出其分界的长细比这就是说当时是弹性屈曲范围 用式 6 8 计算 当时是非弹性屈曲范围 应按式 6 9 计算 6 2平台着底状态的总体强度计算 为了考虑在材料 载荷 建造和计算中未曾计及的不利因素 结构需要留有一定的安全储备 压杆的安全系数与长细比有关 对长细比 20的短压杆 在整体稳定性计算中取安全系数Kc 1 25 随着 增大 Kc也增大 当 很大时 已属于弹性屈曲 此时取Kc 1 44 许用屈曲应力 cr 可以写成 6 2平台着底状态的总体强度计算 2 压弯强度按照移动式钻井平台规范的规定 当桩腿受到轴向压缩和弯曲压缩复合作用时 应满足下列的强度要求 式中 a为计算得到的轴向压应力 b为计算得到的弯曲压应力 a 为许用轴向压应力和许用屈曲应力中的小者 b 为许用弯曲压应力 在桩腿总体强度计算中 许用轴向压应力和许用弯曲压应力都可取为 s 1 25 s为材料的屈服极限 6 2平台着底状态的总体强度计算 四 平台着底状态的整体抗倾稳性整体抗倾稳性是指平台着底状态的抗风浪倾覆能力 它是用抗倾安全系数来表示的 即最大风暴时平台本身所具有的扶正力矩除以风浪等外力对平台产生的倾覆力矩 KA MR MT 6 13 式中 MR为平台所具有的扶正力矩 MT为水平外力作用下的平台倾覆力矩 KA为抗倾安全系数 根据移动式平台规范 对自存工况 满载风暴工况 KA 1 3 对满载作业工况KA 1 5 6 2平台着底状态的总体强度计算 平台抗倾稳性 在风浪条件给定后主要取决于平台甲板总重量和平台尺度 平台甲板的总重量主要是甲板的变动载荷 而平台的尺度对于沉垫自升式平台取决于沉垫的尺度 对于插桩带 桩腿箱 自升式平台则取决于桩腿之间的距离 现以三条桩腿的插桩自升式平台为例 说明整体抗倾稳性的计算 对于这种型式的自升式平台 其倾覆的旋转轴可假定为通过两个桩腿箱底部中心的水平轴 如图6 11所示 这时扶正力矩MR可写成 MR Wl0 wl 6 14 式中 W为平台甲板总重量 l0为平台重心到x轴的距离 w为桩腿在水中的重量 l为桩腿距x轴的距离 6 2平台着底状态的总体强度计算 倾覆力矩MT可用下式计算 MT FWhW F1h1 F2h2 F3h3 6 15 式中 FW hW分别为风力与力臂 F1 F2 F3分别为三根桩腿受到的水平外力 h1 h2 h3分别为三根桩腿受到的水平外力的力臂 将算得的MR与MT代入式 6 13 即可进行平台着底状态的整体抗倾稳性校核 在桩腿设计中 除了进行整体强度和稳定性计算外 还要进行各局部构件的强度和稳定性计算 这些内容包括 1 桩腿上的销孔与销孔板 齿条与齿条板的强度计算 2 桩腿的底部结构强度计算 3 桁架式桩腿的弦杆 水平杆 撑杆以及管状节点强度等 6 3桩腿局部强度计算 一 桩腿结构的力学模型单根桩腿的局部强度计算中 可以把桩腿结构看成是空间刚架 如图6 12所示 桩腿的顶部由上下固桩块固定 即在y z方向约束 而在x方向可以位移 并可沿空间任何方向转动 桩腿底部为弹性支承或在泥线下3m处铰支 6 3桩腿局部强度计算 二 桩腿载荷的确定桩腿局部强度计算中 一般是选取底部承受最大反力的那根桩腿作为计算对象 桩腿除受到风 浪 流等的环境载荷 自身的重量及浮力外 还受到以下从强度计算中得到的力 1 船体对桩腿的作用力矩M 此力矩可以化成固桩块处的水平力QM M h 6 16 分配到每根弦杆上的水平力是QM n n为桩腿的弦杆数目 2 船体对桩腿的水平剪力Q和轴向力N 它们分配到每根弦杆的水平剪力为Q n 轴向力为N n 3 桩腿底部的垂直反力V与水平反力H 以上各种力均作为外力 并化为节点载荷 6 3桩腿局部强度计算 三 杆件内力计算与强度校核有节点载荷就可通过空间刚架的计算求出每根杆件的内力 表6 5为自升式平台在91 4m工作水深 波向120 时第3号桩腿各构件内力的部分计算结果 图6 13 a 为桩腿顶端的A B C弦杆 斜撑杆 水平杆的编号 图 b 为弦杆局部坐标系的定义 根据求得的内力计算出桩腿各构件截面的应力 即可进行稳定性和强度校核 6 3桩腿局部强度计算 表6 5平台桩腿内力计算结果 a 弦杆部分 b 水平杆与斜杆部分单位 kN 6 3桩腿局部强度计算 6 3桩腿局部强度计算 1 稳定性校核可按 6 2中桩腿整体稳定性校核的方法进行 这里需要指出的是 在计算临界屈曲应力时 撑杆的有效长度系数K通常应不小于0 8 对于如图6 14所示的桩腿撑杆在面内屈曲时 有效长度系数可按图6 15求得 图6 15中 GA 1 0式中 l为撑杆长度 r为撑杆的半径 t为撑杆的壁厚 R为弦杆的半径 T为弦杆的壁厚 6 3桩腿局部强度计算 6 3桩腿局部强度计算 2 强度校核应按构件的拉伸 压缩 弯曲 剪切以及轴向压缩和弯曲压缩组合作用情况分别进行校核 根据移动式平台规范的规定对于风浪载荷和重力载荷共同作用下的构件 其强度校核的许用应力为 轴向应力或弯曲应力 s 1 25 6 18 剪切应力 s 1 87 6 19 轴向压缩与弯曲压缩组合作用时构件也应满足式 6 12 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 自升式平台在风浪拖航时 由于风浪作用发生了摇摆运动 这时桩腿已全部或部分收起而升出水面以上 因此在平台发生摇摆运动后桩腿将受到动力载荷的作用 且在桩腿底部固桩处产生很大的动应力 它的大小和平台的运动有关 如果平台运动使桩腿发生很大的倾斜 风力和重力引起的静弯矩与运动引起的动弯矩的合成弯矩相当大 那么就必须仔细校核桩腿的强度是否足够 这在移动式钻井船规范中都有专门的规定 以保证安全 航状态桩腿的动力计算通常是按照规范的要求 用拟静力法进行的 主要是对上固桩块处的桩腿截面强度进行校核 桩腿可以分成若干分段 第i分段的长度为li 重量为Wi 如果计算是将桩腿作为刚架考虑 有如图6 12所示的力学模型 支座位置不同 那么桩腿的载荷可以按各分段计算 并转换成节点的载荷 另一种简化方法就是只求桩腿的上固桩块处的内力 这时可以只计算各种载荷对上固桩块处的力矩 并将所有力矩进行叠加就得所需总弯矩值 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 拖航状态计算中要考虑的载荷有风力 重力 以及由于运动引起的惯性力 1 风力第i分段的风力FWi piAi 6 20 式中 pi为第i分段的风压 Ai为第i分段投影面积 计算风压pi时桁架式桩腿形状系数可取Cs 1 25 而投影面积As 0 6b0li b0为桁架外形投影面宽度 li为分段长度 风力引起的上固桩块处的弯矩MW为各分段风力与其作用点至上固桩块间的距离的乘积的总和 MW hipiAi 6 21 式中 hi为i分段风力作用点到上固桩块间的距离 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 2 摇摆惯性力假定平台的摇摆为简谐运动 其摇摆角 Asin t 6 22 式中 A为摆幅 为运动的圆频率 摇摆运动的角加速度为 6 23 其最大角加速度为 6 24 式中 T为摇摆周期 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 假定桩腿任意分段i的自重为Wi 则由于加速度引起的惯性力 6 25 FIi在与桩腿轴线相垂直的方向上的分量HIi为 6 26 而在桩腿轴线方向的分量 6 27 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 将式 6 25 代入式 6 26 6 27 得 6 28 6 29 式中 a为摇摆中心G至上固桩块的垂直距离 r为摇摆中心G至桩腿轴线的距离 见图6 16 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 6 4拖航状态下桩腿的动力分析 桩腿惯性力在上桩块处的弯矩MI为各分段惯