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15米水深简易导管架平台设计说明书带开题,15,水深,简易,导管,平台,设计,说明书,开题
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15米水深简易导管架平台设计摘要当今社会的进步导致了人类对能源需求的日益增长，尤其以化石能源为主，随着陆地上的化石资源的开采日益增加，储量日益减少，海洋油气储量丰富，其价值量日益吸引人类的目光，以大陆架边缘的近海地为主，人类正在开发更多的方式对其储存的油气进行开采，这些地方水深较浅，考虑到经济效益和其他因素，导管架平台在这些区域的油气开采有着无可比拟的优势，中国的渤海湾油气储量丰富，本文根据渤海湾的相关海况，设计了适用于渤海湾某15米水深处的油气开采的导管架平台。本文根据海况特点，设计了三桩腿导管架平台，内容包括平台的选型，风浪流冰的载荷计算，平台Ansys静力，动力分析，桩基承载计算校核，所用Ansys版本为Ansys12.0，该软件能够很好的模拟实际的海况，对结构进行很接近实际的分析，为后期的平台建造和工作运行提供很好的依据。关键词：导管架平台 15米水深 ANSYS 校核abstractNowadays, the progress of the society led to the humans demand for energy rising sharply, especially the fossil energy, the fossil resources storage on the land is on the decrease, Marine oil and gas reserves abundantly, it attracts the attention of the human, most of the oil and gas storage on the the edge of the continental shelf, human beings develops lots of ways for the oil and gas drilling, those palce local in a shallow deep water, considering the economic and other factors, jacket platform has a great advantage in oil and gas drilling, Chinas Bohai bay oil and gas reserves abundantly , according to the relevant sea condition of bohai bay, this design is suitable for the Bohai bay where in a 15 meters deep water condition. According to the characteristics of sea condition, we choise the three leg jacket platform, This design contains the selection of the platform appearance, the calculation of wind ,wave,ice and fluid load, the analysis of the static and dynamic.Pile leg stress check. All the analysis runs in ansys12.0, this software can simulate well the actual sea state. This design can provide a good basis for later platform construction and operation. Keywords: Jacket platform 15 meters water depth ANSYScheck目录第一章 前言1第二章 环境条件及设计依据32.1平台用途及主要功能32.2环境条件32.2.1 工作水深32.2.2 潮位32.2.3 波浪32.2.4 海流42.2.5 风速42.2.6冰载荷42.2.7 磨损与腐蚀42.2.8地基土壤的物理学性质52.2.9 设计依据5第三章 平台选型及主尺度63.1平台选型63.1.1 方案一63.1.2方案二63.2 平台尺寸选择73.2.1 方案一73.2.2 方案二83.2.3 方案比较选择9第四章 环境条件计算104.1 风载荷104.1.1计算公式104.1.2 计算结果114.2 冰载荷144.2.1 计算公式144.2.2 计算结果144.3 波浪、流载荷154.3.1 计算公式154.3.2 计算结果164.4 甲板设备载荷174.5 工况和载荷组合174.5.1 风浪流工况174.5.2 风冰流工况17第五章 有限元模型建立185.1 有限元法基本思路185.2 ANSYS有限元分析软件概况185.3 单元特性185.3.1 Beam188185.3.2 Pipe16195.3.3 Pipe59195.3.4 MASS21205.4 建立模型205.4.1 建模准备工作215.4.2 建模步骤22第六章 平台静力分析276.1 平台位移276.2 结构强度校核30第七章 平台动力分析357.1 模态分析357.2 平台动力响应分析377.2.1 阻尼系数、求解377.2.2 动力计算（波浪响应）结果387.2.3 动力计算（地震响应）结果39第八章 桩基承载校核448.1 轴向承载力校核448.1.1 轴向承载力计算公式448.1.2 轴向承载力计算结果468.1.3 轴向承载力校核47第九章 总结49 第一章 前言伴随社会的进步，人类对能源的需求愈发体现强烈，陆地上所探明的生物资源及化石资源已经很难满足人类对能源的需求了，人们正在一步一步把寻找能源的脚步从大陆延伸至海洋，并以获取油气能源为主要的目的。在今后和未来比较长的一段时间内，限于技术和其他的原因，新能源未能得到很好的发展，油气能源还将维持在世界上能源的主导地位，陆地化石资源的减少，使得海洋石油已经成为未来石油资源的主要来源。目前，世界油气工业面临着巨大的挑战，地层中油气的形成缓慢，基本很难弥补每年工业消耗对能源的需求。然而全球的油气消耗却仍将以较快的速度增长着。如今全世界已经探明的海洋石油资源储量的80%以上在500m水深以内的海域内，其中有将近一半的油气储量属边际油田，因此，简易平台，尤其是较小型的导管架平台拥有着良好的应用前景。特别的，渤海湾西部的浅水海湾，京津的海上门户，华北海运枢纽。三面环陆，与河北、天津、山东的陆岸相邻，东以滦河口至黄河口的连线为界与渤海相通。面积达到1.59万平方公里，约占渤海总面积的1/5。此外，渤海湾湾口亦有从大清河口到黄河口的划法。海底地势由岸向湾中缓慢加深，平均水深12.5米。渤海湾盆地中浅层是我国主要的产油气层系之一。分析了渤海湾盆地深层油气勘探现状和资源前景,认为:渤海湾盆地深层有较好的油气形成条件和较丰富的深层油气资源；因此,加强对渤海湾盆地深层石油和天然气资源的勘探和开发,是该盆地今后一个重要的勘探方向和领域。其中，设计建造15米水深的简易导管架平台，对渤海湾的油气采集有着既经济有实用的优势。1947年，在美国出现了世界上第一座钢质固定平台，其目的是用以开采陆地上石油资源，钢制平台后来发展很快。在六七十年代，路易斯安那州的墨西哥湾出现了当时在世界上最大，涉水最深的的钢制固定式平台，坐落于312米水深的海域。到目前，钢制导管架平台经过几十年的不断发展，其技术从设计，制造和海上安装，石油开采维护，这一过程已经已经是一套纯熟的技术。到目前为止，导管架平台依旧是海上油气开发应用最广泛的平台类型。考虑到经济及技术原因，导管架平台能达四百多米最深的水深，上部模块最大荷重已达到三万多吨。七十年代中期，于渤海湾，建成了我国第一座固定式海洋平台，之后该平台开始在渤海湾勘探并开发石油。目前我国已建成的海洋平台达到100多座，但与一些西方国家比较，我国导管架平台油气开采所能达到水深深度和其他相关技术尚有一定差距。本文进行了15米水深简易导管架平台的设计，内容主要包括以下几个方面：1 根据确定的15米水深平台、对平台其他主尺度和构件尺寸的选择及优化；2 进一步熟悉ANSYS在导管架平台中的应用；3 根据所确定的尺寸数据建立适当的ANSYS有限元平台模型；4 对平台模型规定海况模拟计算并加载不同载荷工况组合； 5 对平台模型进行静力分析，动力校核，强度刚度校核，桩基承载计算。第二章 环境条件及设计依据2.1平台用途及主要功能此平台为三桩腿式简易导管架平台，用于开采渤海湾某边际油田，该油田处水域水深15米，平台主要包括桩腿，导管架，甲板及上部建筑等。包括甲板的上部设备总重180吨。2.2环境条件 2.2.1 工作水深：油田所处海域水深15m 2.2.2 潮位（50年重现期）渤海平均海平面：0m校核高水位：2.76m校核低水位：-1.32m设计高水位：1.36m设计低水位：-0.68m2.2.3 波浪（50年重现期）最大波高：4.5m最大波高对应周期：8.6s设计波高：3.6m设计波高对应周期：8.2s2.2.4 海流上层流速：1.56m/s中层流速：1.35m/s底层流速：1.12m/s2.2.5 风速波浪作用下：46.9m/s海冰作用下：27.0m/s2.2.6冰载荷（50年重现期）设计冰厚：0.45m抗压强度2250kPa 2.2.7 磨损与腐蚀：飞溅区导管架构件腐蚀裕量： 3mm飞溅区定义标高： -1.68m+3.22m冰接触区导管架构件磨损量： 1mm冰接触区标高： -1.06m+1.72m2.2.8地基土壤的物理学性质 土壤层号土壤名称深度m水下容重KN/m3剪切强度C(Kpa)摩擦角（度）1非常软的粘土03.66.03.02粉砂质粘土3.69.28.526.03细砂9.211.39.2254硬的细砂质粘土11.315.59.682.05粉砂15.518.29.9206粉砂质细砂18.225.09.7257粉砂质粘土25.028.310.260.08粉砂28.335.09.525表2-12.2.9 设计依据使用年限:15年，并以50年重现期的极端海况的风冰流数据情况为设计依据平台钢材选择导管架及桩腿采用钢材，钢材屈服应力为315Mpa，依据规范要求，在海洋工程应用中，一般考虑乘以0.6的安全系数，其许用应力应不高于189Mpa;甲板钢材选用Q-235-A钢材，Q-235-A钢材屈服应力235Mpa，考虑乘以0.6的安全系数，其许用应力应不高于141Mpa。 依据规范中国船级社浅海固定平台规范（2007）API浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范第三章 平台选型及主尺度3.1平台选型3.1.1 方案一： 图3-1 四桩腿平台模型3.1.2方案二： 初始考虑采用节点加厚平台，如图3-2图3-2三桩腿平台模型加厚节点图3-3 节点加厚效果设计要求：平台甲板面积14m12m，承载能力180t。 考虑环境条件及经济效益，四桩腿平台用材较多，作为常规平台已经不适合采用，三桩腿节点加厚平台由于桩腿卷管的不易操作性，且经校核不加厚三桩腿平台已经能够满足设计需求，故拟采用节点不加厚三桩腿导管架平台：平台甲板高程：9.00 m 工作点高程：5.00 m3.2 平台尺寸选择3.2.1 方案一（大管径方案）桩腿尺寸为122030，导管架尺寸136025，在后面建模过程中采用桩腿等效壁厚，斜度为1/10。导管架拟设三层水平横撑，水平面下两层，工作点附近一层，潮差带为减小波浪载荷的作用，不设斜撑，导管架水平横撑尺寸65020，斜撑尺寸为45020。考虑到应力集中以及导地质因素，在使用过程中导管架可能会产生沉降，为保证整体安全，在管架整体底部设置防沉钢板，防沉板厚度采用8mm。采用摩擦桩，桩腿桩径1.22m，根据CCS相关规范：钢管桩壁的最小厚度t应满足以下条件： t=6.35+D/100 mm式中 D一桩径，mm则取桩壁厚为25 mm t=6.35+1220/100=18.55 mm。桩入土深度为35m。平台甲板采用板、梁组合结构，面积布置取14m12m，甲板采用板厚 8mm ，Y-方向设置5根主梁，X-方向设4根，主梁系数60030030，次梁50030025。 3.2.2 方案二（小管径方案）桩腿尺寸为108025，导管架尺寸120020，在后面建模过程中采用桩腿等效壁厚，斜度为1/10。导管架拟设三层水平横撑，水平面下两层，工作点附近一层，潮差带为减小波浪载荷的作用，不设斜撑，导管架水平横撑尺寸60020，斜撑尺寸为40015。考虑到应力集中以及导地质因素，在使用过程中导管架可能会产生沉降，为保证整体安全，在管架整体底部设置防沉钢板，防沉板厚度采用8mm。采用摩擦桩，桩腿桩径1.08m，根据CCS相关规范：钢管桩壁的最小厚度t应满足以下条件： t=6.35+D/100 mm式中 D一桩径，mm则取桩壁厚为25 mm t=6.35+1080/100=17.15 mm。桩入土深度为35m。平台甲板采用板、梁组合结构，面积布置取14m12m，甲板采用板厚 8mm ，Y-方向设置5根主梁，X-方向设4根，主梁为60030030工字梁次梁为40020025。 3.2.3 方案比较选择经过初步的载荷计算，得出第二种小管径尺寸方案已经能够满足设计的需求，为了达到更加经济效益实用的目的，采用第二种方案算例进行详算。 第四章 环境条件计算4.1 风载荷计算风浪载荷组合时风速拟采用46.9m/s，计算风冰组合时风速采用27.0m/s4.1.1计算公式作用于平台导管架结构上的风载荷按下式计算： (4.1)式中 p风压；A结构与风向垂直面的投影面积，风压计算时风载荷作用在上述各构件投影部位的中心位置。 (4.2)其中，结构所承受的风压为：为基本风压，标准高度为海面上10m (4.3)式中 风压的高度系数；构件的形状系数、取值见下表 风压的高度系数h(m)CH015.31.00 15.330.51.10 30.546.01.20 46.061.01.30 61.076.01.37 76.091.51.43 表4-1其中h（m）为构件距离海平面的高度构件形状Cs球0.4圆柱0.5大平板1.0钻井架1.25甲板以下暴露的梁和桁材1.3孤立结构1.5表4-24.1.2 计算结果风浪流:风X方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.365111374.81374.84124411.8486679甲板梁8.70.612111374.81374.898999.089087连接构件6.01.08610.51374.8687.444547.533408桩腿5.01.08210.51374.8687.414855.58166横撑3.6250.66.910.51374.8687.428464.011383导管架01.21010.51374.8687.482492.520622表4-3F总=68117N M总=649345 N*m合力作用点高h=649345/68117=9.52m等效载荷：F=68117N M=68117（9.52-9）=35752 N*m作用点拟安置在甲板上，高度距离静水面9米风冰流:风X方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.36511455.6455.61366811.8161282甲板梁8.70.61211455.6455.632809.029523连接构件61.08610.5455.6227.814767.511071桩腿51.08210.5455.6227.84925.52706横撑3.6250.66.910.5455.6227.89434.03772导管架01.21010.5455.6227.827342.56834表4-4F总=22593N M总=215188 N*m合力作用点高h=215188/22593=9.52m等效载荷：F=68117N M=22593（9.52-9）=11851 N*m作用点拟安置在甲板上，高度距离静水面9米风浪流:风Y方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.385111374.81374.85499211.8648906甲板梁8.70.614111374.81374.8115489103935连接构件61.08910.51374.8687.466827.550111桩腿51.08310.51374.8687.422275.512249横撑3.6250.6810.51374.8687.43300413200导管架01.21510.51374.8687.4123732.530933表4-5F总=91122 N M总=859334 N*m合力作用点高h=859334/91122=9.43m等效载荷：F=68117N M=91122（9.43-9）=39236 N*m作用点拟安置在甲板上，高度距离静水面9米风冰流:风Y方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.38511455.6455.61822411.8215043甲板梁8.70.61411455.6455.63827934443连接构件61.08910.5455.6227.822147.516607桩腿51.08310.5455.6227.87385.54059横撑3.6250.6810.5455.6227.8109344374导管架01.21510.5455.6227.841002.510251表4-6F总=30196 N M总=284777 N*m合力作用点高h=284777/30196=9.43m等效载荷：F=30196N M=30196（9.43-9）=13013 N*m作用点拟安置在甲板上，高度距离静水面9米注：在模拟计算中，考虑到条件载荷施加的不方便性，平台模型亦未建立上部模块等因素，且上部模块载荷施加容易造成应力集中，为了简化计算及减小应力集中，模拟出较真实的海况作用，在有限元分析时候把风载荷根据计算的结果等效成一个集中力，并作用于导管架顶端，施加的集中力一般都与等效作用点不在同一点，外再加一个等效弯矩，便可很好的模拟真实风载荷，本算例集中力作用点以渤海静水海平面为基准，作用高度9米。4.2 冰载荷4.2.1 计算公式作用于平台上的冰载荷按中国固定式平台计算公式计算： (4.4) 式中 ：桩柱形状系数，本算例中圆柱取0.9； ：局部挤压系数，计算公式K1=1+5hd； ：桩冰接触系数，取0.45； ：桩柱宽度（或直径）； ：冰层厚度。4.2.2 计算结果根据CCS规范计算；由环境条件：2250kPa；由设计资料得：b=1.20m h=0.45m。则单桩腿所承受的冰载荷为：0.91.70.451.20.452250=836.528kN=836528N考虑到群桩产生的堵塞作用及桩腿遮蔽效应，遮蔽桩腿载荷计算方式采用乘以系数计算方式： 0.3836.5280.3250.928 kN=250928N据CCS规范，当桩腿之间总距离L8D时不考虑“群桩效应”。有 8D=81.088.64m（，D为桩的直径）泥面处桩腿内侧最小距离为：5.7162-1.2=10.232m10.232m8.64m，故不考虑“群桩效应”。4.3 波浪、流载荷4.3.1 计算公式本平台导管架构件均为圆形构件，波浪力垂直于构件垂直方向，波浪力，D/L0.2时，按照Morison公式计算： (4.5)式中D波浪作用导管架部位直径，m；L设计波长，m；周围介质海水密度，kg/m3；阻力系数，本算例取1.4；惯性力系数，本算例中导管架受力构件为圆形，取2.0；水质点速度，方向垂直于受力构件速度大小水质点加速度，方向垂直于受力构件海流载荷计算公式 (4.6)式中阻力系数；海水密度，kg/m3；设计海流速度，m/s；受海流作用单位长度投影面积，m2/m设计流速采用规定设计年限重现期中最大的流速。4.3.2 计算结果Ansys程序中，可以很好的模拟海流波浪的作用效果，pipe59单元模拟的结果跟实际比较相符，实际计算中，把设计的波浪参数，海流参数填入Ansys12.0软件的watertable中，不同海况计算实时更新watertable参数，计算不同方向下的载荷作用。波面方程为：(4.7)迭代求L、方程为：(4.8)其中为深水波长(4.9)速度势方程为：(4.10)相位角为： (4.11)波形系数： 速度势函数：其中 、为系数。4.4 甲板设备载荷考虑到实际情况，该平台未建立上部模块，计算过程中，在三桩腿顶部各加载3个60吨的质量块，用以模拟总重180吨的上部模块质量，建模过程中，在Z方向加速度输入9.8，用以模拟导管架平台的结构自重。4.5 工况和载荷组合4.5.1 风浪流工况(风浪同向，不考虑风浪与流不同方向耦合情况)1）X方向上，风力0+波浪力0+海流力0+结构整体自重2）Y方向上，风力90+波浪力90+海流力90+结构整体自重 4.5.2 风冰流工况（考虑风与冰流不同方向方向耦合情况）1）X方向上，风力0+冰力0+海流力0+结构整体自重2）Y方向上，风力90+冰力90+海流力90+结构整体自重 3）风流不同向耦合，风力0+海冰力90+海流力90+结构整体自重4）风流不同向耦合，风力90+海冰力0+海流力0+结构整体自重第五章 平台有限元模型建立5.1 有限元法基本思路有限元法是利用计算机模拟，求解热分析，电磁分析，结构分析的数值解法，一般而言，有限元法基本求解思路有：1.结构离散化，把结构离散成很小块的结构，分别对小结构进行局部分析。2.针对本算例，对结构分析，有限元可以对输入的参数对每个离散的小单元进行受力和位移分析，速度，加速度响应分析，在较小的局域下，得出的结果比较接近真实状况。3.把各离散的分析结构综合起来，最后分析输出总作用效应，就是一般我们所求的结果。5.2 ANSYS有限元分析软件概况：Ansys由起源于Swanson Analysis System，Inc.(SASI)，最初是由Dr .John A.Swanson于1970年成立于美国的，后面改组称为ansys公司，ansys总部处在美国宾夕法尼亚州。Ansys自成立一来，一直以对ansys软件不断完善提高，吸取新的计算机技术，以求能够在更广泛的平台得以应用，更好的为线代的发展作出贡献，ansys在发展过程中，不但自己不断精进，也不断兼并其他同类相关软件公司，以求更好的完善软件，如今，ansys在热分析，结构分析，电磁分析等领域处于世界领先地位，用户也遍布全世界。 5.3 单元特性本算例涉及的ANSYS单元模型：5.3.1 Beam188 Beam188 单元基于铁木辛哥梁结构理论，单元未忽略剪切变形影响，在实际工程应用中可以很好的模拟细长粱结构，本算例中，用Beam188 单元模拟分析的包括主梁和次梁。本算例粱结构采用工字钢，Beam188模拟粱单元时，在ansys软件中调整单元截面为工字钢。5.3.2 Pipe16图5-1 Pipe16单元模型Pipe16单元可以承受拉压，弯曲和扭转作用，是一种单轴单元，实际工程中，可以很好的模拟波浪和水流作用的单元，在实际工程中，某些特定情况下有点类似Pipe59单元，在本算例中，Pipe16需要输入的包括OD（外径），TKWALL（壁厚），用以模拟导管架平台泥面以下的部位。5.3.3 Pipe59图5-2 Pipe59 单元模型Pipe59具有很好的弯曲、拉压性能，是一种单轴单元。在本算例中，可以很好的模拟导管架单元，算例中甲板以下，泥面以上均采用Pipe16单元，对于风浪流载荷都能模拟出较真实的情况。在算例中，Pipe59单元需要输入的参数主要包括OD（外径），TKWALL（壁厚），DENSFL（内部流体密度，算例中为海水密度），TKCORR（侵蚀厚度）（阻力系数），（惯性力系数）图5-3 波、流作用方向5.3.4 MASS21 图5-4 Mass21 单元模型平台的稳定强度刚度一般只考虑导管架及泥面以下的承载，如果导管架部位能够承载所受应力，则一般安全，在建模过程中，不建立上部模块，用MASS21代替上部模块的质量，加载在三导管架顶端，通过重力加速度的作用，即可模拟真实的状况。在本算例中，单质量点模拟重量为60吨。5.4 建立模型5.4.1 建模准备工作桩腿等效厚度计算：在模型化计算过程中，有时候对内外套管的模型结构在计算时可以采用等效壁厚计算，将两套管的合作用用另一等外管径的圆管代替，将载荷加载在等效之后的模型上面，经过实践证明，此方法能够很好的模拟真实的结果。根据材料力学有：(5.1)（W：抗弯截面系数）(5.2)管单元惯性矩计算：(5.3)管外径d管内径刚度等效后最大应力相同：(5.4)即：(5.5)（桩腿外径，桩腿外径）等效后的桩腿外径应相同，有代入上式则有：将代入可得：由代入构件尺寸有d4=11604-1200108010804-10304=151955030400mm4得出：d=1116mm（等效内径）t(12001116)/242mm（等效壁厚）5.4.2 建模步骤）创建关键点根据设计要求计算出各关键点坐标：关键点计算通过导管架斜度，海平面基准坐标，利用相似与长度比例关系，得出各关键点坐标，并将其输入Ansys12.0程序。本设计平台几何模型共创建76个关键点。下表为部分关键点。 关键点与坐标NO.X，Y， Z 位置1-3.811-2.2009.00023.811-2.2009.000304.4009.0004-3.811-2.2006.00053.811-2.2006.000604.4006.0007-3.897-2.2505.00083.897-2.2505.000904.5005.00010-6.322-3.650-23.000表5-1 ）创建直线，生成基本图形连接相关关键点，生成下图。图5-5 平台几何模型）定义材料及单元属性新建单元类型：该模型共包括四种单元类型，分别是：pipe16、pipe59、mass21、beam188，通过菜单栏依次添加。定义单元实常数：选择菜单，打开实常数添加选项，对不同单元常量分别进行添加。下表为本平台设定的6种单元常量，其参数如表5-2。编号123456单元类型Pipe59Pipe59Pipe59Pipe59Pipe16Pipe16DO(m)1.21.080.60.41.081.2TWALL(m)0.0420.0250.020.0150.0250.042表5-2Pipe 59还需输入的数值CICDDENSOCBCM11.4102812表5-3Mass 21实常数，单位（Kg）MASS-XMASS-YMASS-Z600006000060000表5-4(本建模过程中，未建立上部模块，将总重180吨的上部模块质量分别均分在三根导管架顶端，每根顶部60吨。)定义Beam 188实常数：梁选用工字梁，工字梁系数表格中依次填入数据（m）主梁W1W2W30.30.30.6t1t2t30.030.030.03表5-5次梁W1W2W30.20.20.5t1t2t30.0250.0250.025表5-6）材料属性材料的弹性模量和泊松比：算例中选用弹性模量：2.06，泊松比：0.3， 打开菜单路径分别输入相关参数。5）材料的密度：钢材为常规钢，密度7800kg/ 6）watertable：打开并创建watertable表格，输入以下相关参数。相关参数如下：KWAVE2DEPTHDENSWw 151028-海流Z(j)（m）W(j)（m/s）d(j) 上层：01.56-中层：7.51.35-底层：151.12-波浪A(i)（m）(i)（s）(i)（）4.58.6 其中，d(j)（流向角）和w（波向角）暂取同样大小，拟根据后面计算条件不同对水表中流向角及波向角数据进行相应的更改。Watertable说明Pipe 59单元波浪载荷计算有四种波浪理论（KWAVE）可供选择，见表5-7：波浪理论选项（KWAVE）相应的波浪理论0深度衰减经验修正的微幅波理论1Airy波理论2Stokes五阶波理论3流函数波浪理论表5-7）重力加速度打开菜单路径，重力加速度为Z向加速度，在Z向加速度中输入9.8，其余选项默认。）划分网格把单元实常数赋给相关单元选择菜单路径，分别对导管架、桩腿、以及甲板主梁和质量点进行实常数关联，完成后，选择网格划分精度 6，。选择“mesh”分别对线和质量点进行网格划分，调出划分后的平台模型。）施加边界条件选择菜单路径，拾取模型最下面的三点，定义为固定端，选择各自由度分别定义为0。本算例不建立土壤模块，根据以往经验，模型将桩腿固定在泥面以下8米，可以很有效的模拟真实海况。最终生成平台模型如图5-6图5-6 平台模型第六章 平台静力分析 6.1 平台位移使用ANSYS结构分析软件对拟定载荷组合工况进行结构静力分析，由后处理器可输出结构位移和应力。各工况平台最大节点位移见下表，各工况位移图见下。各工况下结构最大位移（m）工况载荷及方向X-方向位移Y-方向位移合位移风浪流工况1风0浪0流00.0099360.0017260.013620风浪流工况2风90浪90流900.0047410.0060540.010887风冰流工况3风0冰0流00.0556280.0088820.058100风冰流工况4风90冰90流900.0010120.0595780.059827风冰流工况5风0冰90流900.0541500.0103320.056475风冰流工况6风90冰0流00.0542650.0099930.056425表6-1各工况位移图如下：图6-1 风浪流工况1风0浪0流0）位移云图图6-2 风浪流工况2风90浪90流90）位移云图图6-3 风冰流工况3风0冰0流0）位移云图图6-4 风冰流工况4风90冰90流90）位移云图图6-5 风冰流工况5风0冰90流90）位移云图图6-6 风冰流工况6风90冰0流0）位移云图由以上结论可得：平台顶部最大X向位移发生在风冰流工况3风0冰0流0情况下，最大X位移为 5.5628cm平台顶部最大Y向位移发生在风冰流工况4风90冰90流90情况下，最大Y位移为 5.9578cm平台顶部最大合位移发生在风冰流工况4风90冰90流90情况下，最大合位移为 5.9827cm6.2 结构强度校核使用ANSYS结构分析软件可对平台的各工况进行结构静力分析，后处理器可输出结构位移和应力。各工况平台最大单元应力总结在下表中，另附各工况应力云图，详见下图。各工况平台最大单元应力工况载荷及方向最大应力风浪流工况1风0浪0流00.308E+08风浪流工况2风90浪90流900.287E+08风冰流工况3风0冰0流00.107E+09风冰流工况4风90冰90流900.130E+09风冰流工况5风0冰90流900.103E+09风冰流工况6风90冰0流00.105E+09表6-2各工况位移图如下：图6-7 风浪流工况1风0浪0流0）应力云图图6-8 风浪流工况2风90浪90流90）应力云图图6-9 风冰流工况3 风0冰0流0）应力云图图6-10 风冰流工况4 风90冰90流90）应力云图图6-11 风冰流工况5风0冰90流90）应力云图图6-12 风冰流工况6 风90冰0流0）应力云图综上可以看出，最大的应力出现在风冰流工况4 风90冰90 流90时候，出现在上层斜撑的顶端部位，最大应力为130MPa，钢材屈服强度315MPa，一般情况下考虑到结构安全系数，钢材所能承受的应力约为原屈服强度的0.6倍，3150.6=189 MPa, 130MPa189 MPa，该设计满足50年重现期极端海况的安全要求。第七章 平台动力分析7.1 模态分析选择ANSYS12.0的模态分析功能，清空水表，分析得到前六阶模态频率，根据以往经验，观察一阶频率，可以总结平台设计比较合理。模态计算结果：阶数123456频率1.43301.49071.64594.46785.59675.8047前三阶模态振型如下：图7-1 一阶振型图7-2 二阶振型图7-3 三阶振型7.2 平台动力响应分析7.2.1 阻尼系数、求解Rayleigh阻尼简单方便，因而在结构动力分析中得到广泛运用，Rayleigh阻尼假设结构的阻尼矩阵是质量矩阵和刚度矩阵的组合，即其中和是两个比例系数，分别具有和的量纲。即 ：一阶自振频率：二阶自振频率：阻尼比，一般情况取21=2f1=23.14159261.433=9.00382=2f2=23.14159261.4907=9.3663则=2121+2=29.00389.36630.029.0038+9.3663=0.1836=21+2=20.029.0038+903663=0.0022在后期的结构动力分析中，将此处算出的，结果分别输入ANSYS程序。7.2.2 动力计算（波浪响应）结果ANSYS程序中分析选项中设定为瞬态分析，加载波浪载荷，波浪载荷取50年重现期最大波高进行求解，从X方向入射，从时间后处理选项中分析得到波浪载荷动力响应值，对于波浪载荷的瞬态动力分析，取平台顶部边缘某节点332进行平台动力响应分析。计算结果如下：图7-4 节点332 X向的位移时程曲线（X轴单位为s，Y轴单位为m）图7-5 节点332 Y向的位移时程曲线（X轴单位为s，Y轴单位为m）结论： 图7-4显示，在波浪载荷作用下，平台的最大位移为1.8cm，稳定状态下大约为1cm。图7-5曲线为Y向位移时程曲线，对比两图可看出不同方向的位移值不在同一数量级上，分析得到，载荷对动力响应结果有着巨大的作用。7.2.3 动力计算（地震响应）结果清空水表，对平台模型输入地震不同方向的加速度，每个方向加速度共有2320个点，作用时间间隔0.01，进行瞬态分析求解，进入时间后处理，读取响应，计算结果分别如下：图7-6 节点332 X方向位移时程曲线图7-7 节点332 X方向速度时程曲线图7-8 节点332X方向加速度时程曲线图7-9 节点332 Y方向位移时程曲线图7-10 节点332 Y方向速度时程曲线图7-11 节点332 Y方向加速度时程曲线图7-12 导管架底部117节点所受应力时程曲线根距应力时程曲线分析，在该地震波的作用下，危险作用点所受最大应力约为66MPa，钢材许用强度为3150.6=189Mpa，66Mpa189MPa，设计满足安全需求。第八章 桩基承载校核8.1 轴向承载力校核桩受轴向载荷时，可能出现的破坏情况主要有两种：一是外部的支撑摩擦阻力过小，造成结构安装的不稳定；二是桩自身强度不够，外部的载荷和自身的重量使得桩收到破坏。计算校核过程中主要校核这两种类型。8.1.1 轴向承载力计算桩腿总承载力计算： (8.1)式中桩侧摩阻,kN;桩尖阻力,kN;不同土层单位面积摩阻,KPa;不同土层单位面积,m2;桩尖应力,KPa;桩尖受力面积,m2。1.粘性土中桩阻力计算:(1)粘性土单位摩阻计算: Kpa (8.2)式中系数,；不排水抗剪强度,KPa。系数计算:当时, (8.3)当时, (8.4) 式中 (8.5)有效上覆压力,KPa。(2)粘性土中桩尖阻力计算本算例中取桩尖处土的不排水抗剪强度的9倍。2.砂性土中桩阻力计算:(1)砂性土单位摩阻计算: 式中土层侧压力系数,本例取0.9;有效上覆压力,Kpa;桩土间摩擦角 (2)砂性土中桩尖阻力计算: 式中阻力系数，参表本算例选20。 阻力系数砂土类型内摩擦角桩土摩擦角砂353040粉质砂土302520砂质粉土252012粉土20158表8-1注:此表系数取值适用于中密密实砂性土，本算例中砂性土性质满足条件。(3) 考虑到土质深埋和其他因素，计算阻力时应满足以下条件：及静力计算时土塞和浮力作用也应与考虑。求解结果若遇到其他情况，应予以适当修正。8.1.2 轴向承载力计算结果根据结构设计可知：桩外径1.2m；桩入土深；嵌固点在泥面以下8m处；根据上述公式计算不同土壤各层段的桩基轴向承载力，结果列于表8-2中。桩的轴向承载力计算结果土层深度水下比重（KN/m3）不排水剪切强度（KPa）摩擦角（）P(KPa)（KPa）（KN）8.0-9.28.526.010.20.410.341.99.2-11.39.22529.512.488.311.3-15.59.682.069.80.539.4560.915.5-18.29.92
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