海洋平台结构设计课件第六章 导管架设计

海洋平台结构设计课件第六章导管架设计海洋平台结构设计课件第六章导管架设计1第一节设计依据及设计内容第二节设计计算模型第三节设计计算刚度矩阵第四节杆件端点变位与受力第五节导管架构件强度校核导管架设计本章主要内容第一节设计依据及设计内容导管架设计本章主要内容2桩基（按施工方法）打入桩基础钻孔灌注桩基础桩基（按承载性状）摩擦型桩第一节设计依据及设计内容钟型桩基础端承型桩需考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型、施工条件等因素选择桩基型式纯摩擦桩（桩端阻力可忽略）端承摩擦桩（桩端阻力和侧摩阻力同时发挥作用）端承桩（桩侧摩阻力可忽略）摩擦端承桩（桩端阻力和侧摩阻力同时发挥作用）常用桩基（按施工方法）打入桩基础钻孔灌注桩基础桩基（按承载性状）3一、设计导管架的基本依据1.水深：影响导管架几何形状、平台安装工艺、平台基底的倾覆力矩大小2.海洋环境：决定导管架结构几何形状的主要因素3.甲板空间：决定导管架顶部尺度的重要因素4.施工场地与施工设备：与导管架几何形状的选择有关第一节设计依据及设计内容一个好的平台设计，应具有满意的使用效果、较少的维修和初始投资一、设计导管架的基本依据1.水深：影响导管架几何形状、平台安4二、导管架结构的设计内容1.导管架结构型式的设计：又称为“方案设计”，即根据设计资料拟定初步设计方案，确定导管架尺度2.导管架腿柱直径与斜度设计：1）腿柱直径与土质情况、基础要求有关。初步设计时通常根据设计经验和按甲板支撑桁架腿柱的要求确定腿柱直径2）腿柱斜度与土壤性质、打桩机性能和荷载类型有关，一般为双斜对称式3.支撑布置设计：支撑用来传递水平荷载给桩基，且使结构称为一个整体。原则上应尽量减少水平支撑的层数，各连接构件间夹角大于30°二、导管架结构的设计内容1.导管架结构型式的设计：又称为“方54.导管架结构受力分析：通常要考虑导管架在建造、运输、下水、吊装、使用过程中出现的最不利荷载及其组合，确定各构件的应力，由此选择经济合理的截面5.构件尺寸确定：对所选构件进行校核，确定构件的尺寸。导管架构件设计的重点在于管节点设计及其疲劳设计、杆件的断面选择6.动力分析和疲劳分析：1）对于深水导管架，当结构自振周期接近平台安装水域内的波浪中主要能量的波分量频率时，应对导管架进行动力分析2）当结构自振周期T大于3秒时，应对导管架管节点进行疲劳分析海洋平台结构设计课件第六章导管架设计6一、整体分析计算模型1.确定由导管架和桩构成的整体的计算模型时，对结构总体刚度有重大影响的一切构件均要考虑2.对于设计泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横截面特性变化点、桩与设计泥面的交接点一般均应设为节点3.如右图所示：泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，用来表征垂直荷载作用下桩-土的相互作用4.弹簧刚度系数可以是线弹性的，也可以是非线弹性的，取决于所用的桩基理论第二节设计计算模型桩基导管架平台是空间杆系结构，对其进行受力分析时，常选取整体分析计算模型和分部分析计算模型两种结构计算模型

整体分析计算结构模型图适用于深水结构分析一、整体分析计算模型1.确定由导管架和桩构成的整体的计算模型7二、分部分析计算模型1.分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对导管架和桩基分别建立计算模型2.泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构（基桩支座是联系两个计算模型的结合点）3.节点设置原则同于整体分析计算模型4.泥面以下是埋藏于土中的桩5.此种模型阶段与杆件数目相对于整体分析计算模型都少，计算工作量小，设计时推荐使用这种方法6.对导管架结构必须进行动力分析和疲劳分析（尤其是深水结构）适用于浅水结构分析二、分部分析计算模型1.分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处8一、桩基刚度矩阵第三节设计计算刚度矩阵本章主要讨论静力分析方法K11---基桩拉压刚度系数K44

---基桩扭转刚度系数K55，

K66

--基桩弯曲刚度系数一般有：K44=0.2K55=0.2K66由于斜桩在承受轴向荷载时的轴向位移、承受水平荷载与力矩荷载时的水平位移和转角，在实用的坡度范围内与桩的倾斜度无关，故固定平台斜桩的变位与内力法分析可简单地采用垂直桩的计算方法一、桩基刚度矩阵第三节设计计算刚度矩阵本章主要讨论静力分9桩基矩阵系数计算根据弹性长桩的变位与转角公式：基桩刚度系数数值的计算公式：注：α---桩的变形系数m---土反力模量随深度变化的比例系数B0--桩的计算宽度一般有：K44=0.2K55=0.2K66桩基矩阵系数计算根据弹性长桩的变位与转角公式：基桩刚度系数数10二、空间杆件刚度矩阵对于一空间杆件，其杆端每个节点有6个位移分量，故杆端力也有3个力和3个力矩共6个分量。由此建立空间杆件单元在杆件坐标系下的杆端力与节点位移的关系如下：

---杆件力向量

---杆件刚度矩阵---杆端节点位移向量二、空间杆件刚度矩阵对于一空间杆件，其杆端每个节点有6个位移11

杆件刚度矩阵中中元素kij的含义：只有在j自由度方向产生单位位移时在i自由度方向上引起的杆端力杆件刚度矩阵中中元素kij的含义：只有在j自由度12注：

--y方向的剪切影响系数

--z方向的剪切影响系数

J--对x轴的扭矩

G--材料剪切弹性模量--

沿y方向的有效抗剪面积--

沿z方向的有效抗剪面积注：--y方向的剪切影响系数13一、坐标系与坐标转换局部坐标系：杆件坐标系整体坐标系：结构坐标系经推导得到的转轴矩阵为正交矩阵:经过坐标变换求得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：第四节杆件端点变位与受力一、坐标系与坐标转换局部坐标系：杆件坐标系第四节杆件端点14二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，有效截面面积Ay、Az

，截面惯性矩Iy、Iz，极惯性矩J2.假设圆管构件的圆环截面外径为D0，内径为Di，中间半径为Dm，截面面积为A，有效截面面积为As，截面对中性轴的惯性矩为I，极惯性矩为J，剪切应力不均匀系数为K，则有：二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，15二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，有效截面面积Ay、Az

，截面惯性矩Iy、Iz，极惯性矩J2.假设圆管构件的圆环截面外径为D0，内径为Di，中间半径为Dm，截面面积为A，有效截面面积为As，截面对中性轴的惯性矩为I，极惯性矩为J，剪切应力不均匀系数为K，则有：二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，16剪切应力不均匀系数为K的取值：（1）圆形截面：。其中μ=0.3时，K=1.128（2）圆管形截面：。其中μ=0.3时，K=1.885（3）矩形截面：。其中μ=0.3时，K=1.117对于工字形截面杆件，取其有效剪切面积为腹板面积对于导管与桩环形空间填充水泥砂浆的构件，认为水泥砂浆只起到使内、外两管共同工作的作用，不考虑它对该杆抵抗荷载的贡献。故该杆的断面可按双壁管计算，将内、外两管各自的断面面积、惯性矩、极惯性矩、有效剪切面积相加即可剪切应力不均匀系数为K的取值：（1）圆形截面：17三、直接刚度法解节点位移与杆端力1.当每个杆件单元在结构坐标系下的刚度矩阵求出后，即可汇集成结构总刚度矩阵，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚度系数叠加而成的6n×6n矩阵，其中n为计算模型节点总数2.在结构坐标系下，由节点位移而产生的杆端力为：3.在杆件坐标系下，由节点位移而产生的杆端力为：4.在杆件坐标系下，若杆件上作用有分布荷载，由节点位移而产生的杆端力为：[K]三、直接刚度法解节点位移与杆端力1.当每个杆件单元在结构坐标18第五节导管架构件强度校核目前现行的规范对桩基平台构件的强度计算方法主要以许用应力法为基础应力种类许用应力符号许用应力值抗拉、抗压、抗弯［σ］0.6σs抗剪［τ］0.4σs承压面（磨平）［σd］0.9σs许用应力值极端环境条件下各种荷载组合后的许用应力可提高1/3；计算地震荷载时，构件的许用应力可提高70%第五节导管架构件强度校核目前现行的规范对桩基平台构件的强19一、轴向应力杆件的受力情况不同，其轴向应力计算公式不同：序号杆件受力情况计算公式1轴向受拉或受压2在一个平面内受弯3轴向受拉或受压并在一个平面内受弯4在两个平面内受弯5轴向受拉或受压并在两个平面内受弯一、轴向应力杆件的受力情况不同，其轴向应力计算公式不同：序号20二、剪应力序号杆件受力情况计算公式1受弯2受扭3受弯或受扭三、环向应力二、剪应力序号杆件受力情况计算公式1受弯2受扭3受弯或受扭三21四、折算应力序号杆件受力情况计算公式1轴向应力和剪应力2轴向应力、环向应力和剪应力四、折算应力序号杆件受力情况计算公式1222海洋平台结构设计课件第六章导管架设计海洋平台结构设计课件第六章导管架设计23第一节设计依据及设计内容第二节设计计算模型第三节设计计算刚度矩阵第四节杆件端点变位与受力第五节导管架构件强度校核导管架设计本章主要内容第一节设计依据及设计内容导管架设计本章主要内容24桩基（按施工方法）打入桩基础钻孔灌注桩基础桩基（按承载性状）摩擦型桩第一节设计依据及设计内容钟型桩基础端承型桩需考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型、施工条件等因素选择桩基型式纯摩擦桩（桩端阻力可忽略）端承摩擦桩（桩端阻力和侧摩阻力同时发挥作用）端承桩（桩侧摩阻力可忽略）摩擦端承桩（桩端阻力和侧摩阻力同时发挥作用）常用桩基（按施工方法）打入桩基础钻孔灌注桩基础桩基（按承载性状）25一、设计导管架的基本依据1.水深：影响导管架几何形状、平台安装工艺、平台基底的倾覆力矩大小2.海洋环境：决定导管架结构几何形状的主要因素3.甲板空间：决定导管架顶部尺度的重要因素4.施工场地与施工设备：与导管架几何形状的选择有关第一节设计依据及设计内容一个好的平台设计，应具有满意的使用效果、较少的维修和初始投资一、设计导管架的基本依据1.水深：影响导管架几何形状、平台安26二、导管架结构的设计内容1.导管架结构型式的设计：又称为“方案设计”，即根据设计资料拟定初步设计方案，确定导管架尺度2.导管架腿柱直径与斜度设计：1）腿柱直径与土质情况、基础要求有关。初步设计时通常根据设计经验和按甲板支撑桁架腿柱的要求确定腿柱直径2）腿柱斜度与土壤性质、打桩机性能和荷载类型有关，一般为双斜对称式3.支撑布置设计：支撑用来传递水平荷载给桩基，且使结构称为一个整体。原则上应尽量减少水平支撑的层数，各连接构件间夹角大于30°二、导管架结构的设计内容1.导管架结构型式的设计：又称为“方274.导管架结构受力分析：通常要考虑导管架在建造、运输、下水、吊装、使用过程中出现的最不利荷载及其组合，确定各构件的应力，由此选择经济合理的截面5.构件尺寸确定：对所选构件进行校核，确定构件的尺寸。导管架构件设计的重点在于管节点设计及其疲劳设计、杆件的断面选择6.动力分析和疲劳分析：1）对于深水导管架，当结构自振周期接近平台安装水域内的波浪中主要能量的波分量频率时，应对导管架进行动力分析2）当结构自振周期T大于3秒时，应对导管架管节点进行疲劳分析海洋平台结构设计课件第六章导管架设计28一、整体分析计算模型1.确定由导管架和桩构成的整体的计算模型时，对结构总体刚度有重大影响的一切构件均要考虑2.对于设计泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横截面特性变化点、桩与设计泥面的交接点一般均应设为节点3.如右图所示：泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，用来表征垂直荷载作用下桩-土的相互作用4.弹簧刚度系数可以是线弹性的，也可以是非线弹性的，取决于所用的桩基理论第二节设计计算模型桩基导管架平台是空间杆系结构，对其进行受力分析时，常选取整体分析计算模型和分部分析计算模型两种结构计算模型

整体分析计算结构模型图适用于深水结构分析一、整体分析计算模型1.确定由导管架和桩构成的整体的计算模型29二、分部分析计算模型1.分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对导管架和桩基分别建立计算模型2.泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构（基桩支座是联系两个计算模型的结合点）3.节点设置原则同于整体分析计算模型4.泥面以下是埋藏于土中的桩5.此种模型阶段与杆件数目相对于整体分析计算模型都少，计算工作量小，设计时推荐使用这种方法6.对导管架结构必须进行动力分析和疲劳分析（尤其是深水结构）适用于浅水结构分析二、分部分析计算模型1.分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处30一、桩基刚度矩阵第三节设计计算刚度矩阵本章主要讨论静力分析方法K11---基桩拉压刚度系数K44

---基桩扭转刚度系数K55，

K66

--基桩弯曲刚度系数一般有：K44=0.2K55=0.2K66由于斜桩在承受轴向荷载时的轴向位移、承受水平荷载与力矩荷载时的水平位移和转角，在实用的坡度范围内与桩的倾斜度无关，故固定平台斜桩的变位与内力法分析可简单地采用垂直桩的计算方法一、桩基刚度矩阵第三节设计计算刚度矩阵本章主要讨论静力分31桩基矩阵系数计算根据弹性长桩的变位与转角公式：基桩刚度系数数值的计算公式：注：α---桩的变形系数m---土反力模量随深度变化的比例系数B0--桩的计算宽度一般有：K44=0.2K55=0.2K66桩基矩阵系数计算根据弹性长桩的变位与转角公式：基桩刚度系数数32二、空间杆件刚度矩阵对于一空间杆件，其杆端每个节点有6个位移分量，故杆端力也有3个力和3个力矩共6个分量。由此建立空间杆件单元在杆件坐标系下的杆端力与节点位移的关系如下：

---杆件力向量

---杆件刚度矩阵---杆端节点位移向量二、空间杆件刚度矩阵对于一空间杆件，其杆端每个节点有6个位移33

杆件刚度矩阵中中元素kij的含义：只有在j自由度方向产生单位位移时在i自由度方向上引起的杆端力杆件刚度矩阵中中元素kij的含义：只有在j自由度34注：

--y方向的剪切影响系数

--z方向的剪切影响系数

J--对x轴的扭矩

G--材料剪切弹性模量--

沿y方向的有效抗剪面积--

沿z方向的有效抗剪面积注：--y方向的剪切影响系数35一、坐标系与坐标转换局部坐标系：杆件坐标系整体坐标系：结构坐标系经推导得到的转轴矩阵为正交矩阵:经过坐标变换求得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：第四节杆件端点变位与受力一、坐标系与坐标转换局部坐标系：杆件坐标系第四节杆件端点36二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，有效截面面积Ay、Az

，截面惯性矩Iy、Iz，极惯性矩J2.假设圆管构件的圆环截面外径为D0，内径为Di，中间半径为Dm，截面面积为A，有效截面面积为As，截面对中性轴的惯性矩为I，极惯性矩为J，剪切应力不均匀系数为K，则有：二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，37二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，有效截面面积Ay、Az

，截面惯性矩Iy、Iz，极惯性矩J2.假设圆管构件的圆环截面外径为D0，内径为Di，中间半径为Dm，截面面积为A，有效截面面积为As，截面对中性轴的惯性矩为I，极惯性矩为J，剪切应力不均匀系数为K，则有：二、杆件断面要素的确定1.杆件断面要素包括杆件横截面面积A，38剪切应力不均匀系数为K的取值：（1）圆形截面：。其中μ=0.3时，K=1.128（2）圆管形截面：。其中μ=0.3时，K=1.885（3）矩形截面：。其中μ=0.3时，K=1.117对于工字形截面杆件，取其有效剪切面积为腹板面积对于导管与桩环形空间填充水泥砂浆的构件，认为水泥砂浆只起到使内、外两管共同工作的作用，不考虑它对该杆抵抗荷载的贡献。故该杆的断面可按双壁管计算，将内、外两管各