自升式平臺桁架式樁腿結構選型方法

朱亞洲，孫承猛，林?；?，張曉宇，秦洪德，姜 濱

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001； 2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003； 3.中國石油集團 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

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自升式平臺桁架式樁腿結構選型方法

朱亞洲1,2，孫承猛3，林?；?，張曉宇3，秦洪德1，姜 濱1

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001； 2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003； 3.中國石油集團 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

為優化自升式平臺桁架式樁腿結構構型，采用參數化建模技術和SESAM的GeniE軟件，對不同構型樁腿的結構強度和總體性能進行評估.選取拖航工況和自存工況進行分析，結合母型資料，拖航工況時選取不同的樁腿節距構型進行強度評估；自存工況時選取不同的弦管間距和樁腿節距構型對平臺抗傾覆能力、最大支反力、鎖緊力以及樁腿組件UC值進行計算.以滿足強度和經濟性最優為原則，結合各構型樁腿結構質量，給出最優的樁腿結構構型方案.該方法快速完成了某型自升式平臺的樁腿構型選取,結果表明該方法是自升式平臺設計初期樁腿結構選型和優化的有效方法.

自升式平臺；桁架式樁腿；構型選??；強度；拖航工況；自存工況

自升式平臺的樁腿直接站立于海床上，它不僅承受著外界環境載荷，還承受著來自于平臺的所有載荷作用，樁腿的損傷將導致整個平臺無法作業甚至重大海難事故的發生，這就使得樁腿成為自升式平臺強度分析中最關鍵的結構.國內外學者對自升式平臺樁腿結構研究已取得了大量的成果，但基本集中在對樁腿結構形式對比、載荷計算方法、強度計算方法及建造精度控制方法等方面的研究[1-5]，目前尚未有文獻資料對樁腿節距和弦管間距變化對平臺整體性能的影響來進行研究.

自升式平臺設計建造向深水化、個性化和特殊海域作業方向發展趨勢明顯，但符合上述功能要求的平臺可供參考母型資料匱乏，加之平臺樁腿結構優化設計要求，因此，在設計初期，能夠綜合評估樁腿總強度影響因素，快速給出平臺樁腿節距和弦管間距最優方案，是目前具有重要意義的研究課題.

目前桁架式樁腿的結構型式有K型、逆K型以及X型等，公認的最優型式為逆K型，因此本文直接選取逆K型樁腿結構型式進行研究.樁腿設計的通常做法是直接參考母型平臺的樁腿設計，還未有文獻詳細描述樁腿設計的具體細節.本文首次考慮不同的樁腿節距和弦桿間距，采用參數化建模程序，實現逆K型樁腿快速建模，然后通過SESAM的GeniE軟件讀取模型，對平臺自存工況下的樁腿結構總強度和拖航工況下的樁腿強度進行校核，得到樁腿結構部件強度校核結果、升降機構鎖緊力、樁靴基底最大支反力、平臺抗傾穩性等指標隨樁腿節距和弦管間距變化的趨勢曲線，結合不同樁腿形式的耗鋼量，搜尋出各項指標最優的結構參數，對樁腿結構進行快速設計，為自升式平臺的設計和建造提供參考和依據.

1 工況分析

在自升式平臺的整個生命周期中，主要經歷拖航、安裝、作業和自存等工況，對樁腿而言，拖航工況、安裝工況和作業工況的環境條件相對比較溫和，決定其強度的工況為自存工況.平臺在拖航時，百米高度的樁腿立于甲板之上，平臺較小的搖擺會在樁腿結構產生較大的慣性載荷，因此本文在研究樁腿構型選取時主要考慮拖航工況和自存工況.

1.1 拖航工況

自升式平臺拖航(濕拖)過程中，樁腿收回，高聳于平臺之上，處于漂浮狀態，受海洋風、浪、流等因素影響顯著，如圖1所示.在外載荷作用下，平臺產生搖蕩運動，在樁腿上產生較大的慣性載荷，對樁腿強度產生了較大的影響，嚴重時甚至可能導致樁腿損壞，因此拖航工況下的樁腿強度分析是樁腿結構優化所必須考慮的工況.

圖1 拖航時平臺的運動

規范中假設平臺在拖航工況下的運動為簡諧運動，平臺任意時間t下的運動狀態θ為[6]

式中：T為平臺運動周期，s；θ0為平臺運動最大幅值，(°).

平臺橫搖/縱搖運動的旋轉軸位于水平面，并通過平臺的重心，距旋轉軸距離為r1的任一集中質量的垂向加速度a為

則垂向加速度的最大值amax為

amax相對于重力加速度g的放大因子f1為

平臺升沉、縱蕩、橫蕩運動和風載荷因素對橫搖/縱搖運動的耦合效應，通過給定載荷因子γ=1.2，對重力加速度放大因子進行簡化考慮后，平臺橫搖/縱搖運動引起的距旋轉軸水平距離為r2的任一集中質量的水平加速度最大值相對于重力加速度g的放大因子f2為

1.2 自存工況

自存工況是平臺所能承受的最惡劣的環境條件[7-8]，需要綜合考慮流體的作用、結構的動力學特性和平臺的幾何非線性等，對該工況下的平臺進行研究分析后需要提供樁腿的強度分析、樁腿在鎖緊裝置處的鎖緊力、樁腿的最大支反力以及平臺的抗傾能力等結果，從而對平臺的整體安全性能進行全面的評估，為樁腿結構形式的決定提供數據參考.

自升式平臺在自存工況下，桁架式樁腿站立于海底，承受海洋風、波浪和海流的環境載荷、由外界變化載荷產生的慣性載荷以及平臺發生水平位移后由自重產生的幾何非線性載荷[9].

風載荷是自升式平臺設計過程中的主控載荷之一，風速隨時間和高度變化，通常情況下，參考結構的高度系數和形狀系數，利用風載荷計算經驗公式求解平臺風載荷，但因其對構件間遮蔽效應等因素考慮不足，計算結果偏于保守，在缺乏母型船資料的情況下，風洞試驗是研究風對結構物作用的一種常用方法，風洞試驗方法可以綜合考慮構件形狀、高度和位置的影響因素[10-13]，本文采用風洞試驗方法獲取風載荷數據.

波浪和海流載荷主要作用在樁腿上，可利用Morison公式進行計算，計算中考慮自存工況下大幅波浪的非線性作用以及海流對波浪的拉伸影響等.其中樁腿的弦管屬于非規則圓形剖面，因此需對其做相應的等效處理來進行水動力載荷計算[14-15].

波浪的循環往復運動將對樁腿產生慣性載荷，本文選擇動態系數放大法計算該慣性載荷，即假設自升式平臺及其基礎相當于質量-彈簧-阻尼系統[6]，平臺的動態響應幅值與準靜態響應幅值的比值是穩定狀態下頻率和周期的函數，通過DAF(動態放大因子)來計算周期性的正弦激勵，如

式中:TN為平臺固有周期，s，通過GeniE進行模態分析獲取固有周期值；TW為波浪周期，s；ε為阻尼比，取0.07.當DAF≥1.05時，需要計及慣性載荷影響，慣性載荷計算如下：

式中:BSAmplitude是一個波浪周期內準靜態基礎剪力的幅值;BS(Q-S)max為最大準靜態基剪力；BS(Q-S)min為最小準靜態基剪力.

自升式平臺的樁腿是相對柔性結構，在上述各種載荷的作用下平臺將產生較大的水平位移，樁靴垂向支反力的作用線不再通過樁腿形心，導致樁腿的彎矩比線性分析結果大，此彎矩將引起附加變形，屬于大位移非線性問題[16-17].本文采用附加彎矩法考慮幾何非線性的影響，即將平臺在外載荷作用下計算得到的水平位移Δ和軸力P，按線性方法計算附加彎矩ΔM=P·Δ，將它與原計算的彎矩M1疊加，通過反復迭代求得總彎矩M[18].

2 模型建立

本文選取115.0、107.0、91.5 m這3種水深進行分析，假設浪向和風向一致，以0°，60°，90°，120°,180°風向和浪向進行計算，假設波浪周期不隨波高和水深變化，具體參數見表1.

表1 海洋環境參數

本文采用SESAM的GeniE軟件建立自升式平臺有限元模型，對主船體結構縱橫艙壁采用等效截面梁的形式進行模擬，通過調整材料密度和施加質量球的形式來調整整個主船體的質量和重心.利用強度等效原則，樁腿弦管采用等效梁建模，撐管單元以實際尺寸的梁單元進行模擬.

樁腿底部邊界條件依據規范取為海床下3.05 m 處鉸支[6].樁腿與主船體的連接的模擬是樁腿弦管與圍阱區上、下導塊和鎖緊結構的3點連接，上下導塊只約束水平位移，鎖緊位置同時約束水平和豎直位移.

本文中風載荷采用風洞試驗結果，按照力的大小和分布都相似的原則直接施加到結構上；在GeniE軟件中計算波流載荷，采用Morison公式，選擇Stokes五階波理論，計算過程中軟件自動加載波流載荷；考慮DAF效應和P-Δ效應，通過手工計算，采用剛性梁傳遞的形式，將上述附加載荷傳遞到結構上,如圖2所示.圖2中紅色箭頭表示的是附加載荷，藍色球為質量等效單元，在保證質量重心不變的情況下施加.圖3描述了鎖緊機構有限元分析模型.

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第10期)

本文通過參數化建模，避免了多工況、變結構帶來的重復性建模工作，分析過程如下：

1)對各工況下的樁腿強度分析模型進行參數化編程；

2)調用GeniE軟件進行結構建模；

3)進行環境載荷、重力載荷以及慣性載荷計算，并將載荷計算結果施加到強度分析模型中；

4)對拖航工況下的樁腿強度進行有限元計算，得到樁腿強度分析的校核結果；

5)改變樁腿節距，重復步驟1)～4)，得到樁腿不同節距時的結構型式、結構質量、各類部件強度校核結果的變化規律；

6)對自存工況下的樁腿總強度進行有限元計算，得到UC值、樁腿鎖緊裝置處的鎖緊力、抗傾覆能力和樁靴基底的支反力；

7)改變樁腿節距和弦管間距，重復步驟1)～3)、6)，得到不同樁腿構型時的總強度計算結果及其變化規律.

3 結果分析

本文首先研究了拖航工況下不同節距對樁腿質量和強度的影響，然后給出了自存工況下不同節距和弦管間距對樁腿質量和總強度的影響.強度校核是對樁腿的屈服和屈曲的聯合校核，即考察樁腿承載外界環境載荷的能力，通常以外界影響/結構承載力的百分比表示(UC)，當UC<1,則代表樁腿結構安全.

按照上述參數化建模方法進行有限元分析，可以快速地完成樁腿結構快速設計過程中涉及的工況多、分析次數多的反復性工作.

結合ABS規范[18]，屈服失效準則要求，在靜載工況下，軸向或彎曲應力的安全系數取值為1.67，剪切應力安全系數取值為2.50；在組合工況下，軸向或彎曲應力的安全系數取值為1.25，剪切應力安全系數取值為1.88.屈曲失效準則要求，在靜載工況下，構件的屈曲強度安全系數取值為1.67，組合工況下安全系數取值為1.25.

3.1 拖航工況下的結果校核

通過編程得出GeniE可以識別的命令文件，完成單樁腿參數化建模，在GeniE軟件中施加載荷，進行拖航工況的樁腿強度計算，得到隨節距變化的樁腿質量、通過模態分析可以得到平臺的固有周期，見表2.同時得到樁腿結構校核UC，見表3.

表2 不同節距對應的樁腿質量及平臺固有周期

表3 樁腿屈曲和屈服校核UC值表

表3是在0°載荷方向進行分析得到的統計數據，由結果可知，拖航工況下，樁腿斜撐管結構UC值普遍高于其他結構，當樁腿節距取值7.930 m 時，管節點UC值激增至0.95，臨近失效.結合有限元分析樁腿結構應力云圖可知，位于上下導向結構之間的斜撐管結構失效概率最大.因此，本文給出了不同節距下的斜撐管在不同外載荷方向下的強度校核結果，如圖4所示.

圖4 不同載荷方向下的斜撐管UC值

綜合以上拖航工況下的樁腿強度分析結果，得出如下結論：

1)樁腿質量遞變趨勢與節距變化趨勢相反，即樁腿質量隨節距增大而減小，由于樁腿為柔性構件，在外載荷作用下，平臺主體結構發生相對偏離，但其偏離位移與節距變化并不呈現遞變規律，此偏離值引起樁腿結構幾何非線性效應，即P-Δ彎矩.

2)由樁腿結構單元屈曲與屈服聯合校核結果可知，上下導向結構之間樁腿單元的斜撐管UC值最大，極易容易受損失效.

3)斜撐管UC值隨樁腿節距增大而增大，在不同方向的外載荷作用下，0°和60°方向斜撐管承載力最大，其失效概率最大，因此，在拖航工況下，可僅考慮0°和60°方向加載.

上述分析可知，在樁腿結構滿足強度和質量最輕要求的條件下，拖航工況下樁腿節距建議取值7.930 m.

3.2 自存工況下的結果校核

自存工況下，外界環境載荷作用于平臺，平臺抗傾能力評估是總強度分析中需要考慮的問題，抗傾覆能力為抗傾力矩與載荷彎矩的比值，其中，抗傾力矩是平臺固定載荷與50%可變載荷之和與抗傾力臂的乘積，載荷彎矩是風浪流引起的彎矩與考慮動態放大效應DAF和二次附加彎矩P-Δ效應的三者之和；同時平臺底部所達到的最大支反力可以用來反推平臺的預壓能力；此時樁腿鎖緊裝置處的最大軸向力也為鎖緊裝置的能力評估提供了參考，通過有限元應力云圖，在鎖緊機構處，可以提取不同工況下的鎖緊力，因此總強度分析中給出了平臺的抗傾覆能力、最大支反力、鎖緊力以及樁腿構件的強度評估結果.

3.2.1 不同弦管間距的分析結果

計算中樁腿節距固定取為7.930 m ，以母型船11.75 m 為參考，0.5m 為步長，選取5組不同的弦管間距，分別為10.75、11.25 、11.75、12.25、12.75 m.以目標平臺115 m作業水深為例，對平臺校核結果進行分析，如圖5～8所示.

圖5 不同弦管間距0°載荷方向時的樁腿UC值

圖6 不同弦管間距時的最大鎖緊力

圖5是對0°載荷方向，不同弦管間距的樁腿結構UC值進行比較，由結果可知，弦管間距增大對弦管結構和管節點UC值遞降趨勢顯著，撐管結構UC值對弦管間距變化敏感性較弱，在所選取的弦管間距構型條件下，樁腿所有組件結構均滿足屈曲和屈服強度要求，因此，增大弦管間距有利于提升樁腿承載能力，但同時會增加樁腿結構質量，經濟性能降低，應綜合考慮各種因素的影響.

圖7 不同弦管間距時的基底最大支反力

圖8 不同弦管間距時的抗傾穩性

由圖6結果可知，5組典型載荷方向的鎖緊裝置處最大鎖緊力對弦管間距變化具有較強的敏感性，最大鎖緊力隨弦管間距增大迅速降低，本文研究所參考的平臺鎖緊裝置最大承載力達72 500 kN，在所選取的弦管間距下，鎖緊力都在安全范圍之內，且弦管間距越大，鎖緊裝置越安全；通過圖6比較，亦可知鎖緊力在載荷方向60°時最大，0°方向載荷作用下鎖緊力最小.

由圖7結果可知，各載荷方向下的最大支反力均出現在11.75 m弦管間距附近，最大支反力是樁靴結構設計主要參考參數，同時也直接影響平臺預壓載能力；通過圖7比較，亦可知120°載荷方向下的地基支反力高于其他方向載荷方向的地基支反力.

由圖8結果可知，平臺抗傾穩性對弦管間距較為敏感，隨弦管間距增大而增大，在本文所選取的弦管間距構型下，平臺都具有較好的抗傾能力；通過圖8比較，亦可知60°載荷方向下平臺抗傾能力相對低于其他載荷方向，但該載荷方向下最低的抗傾穩性系數亦在1.5以上，滿足設計標準要求.

綜合以上研究結果可知，各弦管間距都滿足平臺整體性能的要求，因此按照質量最輕的原則，并同時考慮樁靴對地承壓比的要求，取弦管間距為11.75 m.

3.2.2 不同樁腿節距的分析結果

本文取弦管間距11.75 m ，在保證樁腿總長不變，并滿足上下段樁腿長度要求，改變定長段樁腿節數，選取5組不同的樁腿節距對自存工況下的樁腿總強度進行研究，樁腿節距分別為7.090、7.485、7.930、8.420、8.980 m，以目標平臺115 m 作業水深為例，對平臺進行參數化分析得出的結果如圖9～12所示.

圖9 不同樁腿節距0°載荷方向時的樁腿UC值

圖10 不同樁腿節距時的最大鎖緊力

圖11 不同樁腿節距時的基底最大支反力

由圖9～12的分析結果可知，當樁腿節距取值7.485 m時，樁腿結構強度校核的UC值、鎖緊力和支反力均達最大，平臺的抗傾能力亦為最差，其他節距取值時分析結果變化平緩.究其原因，當節距取值7.485 m時，平臺固有周期與計算的波浪周期接近，進而產生共振，導致平臺各項性能指標降低，因此，在平臺設計中，應避免平臺固有周期與外界環境載荷作用周期接近的情況.

綜合以上研究結果可知，除了7.485 m 的樁腿節距，其他樁腿節距都滿足平臺整體性能的要求，因此按照質量最輕的原則，針對自存工況分析，可取最大的樁腿節距8.98 m.

圖12 不同樁腿節距時的抗傾穩性

3.2.3 不同弦管間距和樁腿節距的樁腿質量結果

樁腿結構形式的優化應在保證平臺整體性能的同時，還應使其質量達到最輕，圖13，14給出了隨弦管間距和樁腿節距變化的樁腿質量結果.

圖13 樁腿質量隨弦管間距的變化趨勢

圖14 樁腿質量隨樁腿節距的變化趨勢

根據圖13,14可知，弦管間距從12.75 m減小到10.75 m，樁腿質量降幅達到137 t ；樁腿節距從7.090 m增加到8.980 m，樁腿質量降幅達到169 t ，綜合考慮弦管間距和樁腿節距因素，可實現減重300 t左右.

結合拖航工況及自存工況聯合分析，如果選取自存工況下推薦的8.980 m 樁腿節距，在拖航工況下，樁腿斜撐管和管節點將失效，因此，可以快速的確定最優樁腿節距7.930 m 和弦管間距11.75 m 的樁腿構型.

本文參考平臺樁腿節距由8.540 m 降至7.930 m，弦管間距由13.10 m降至11.75 m ，樁腿質量降低達20%左右，經濟性顯著.

4 結 論

1)拖航工況下，樁腿斜撐管和管節點強度對樁腿節距變化敏感性較強，隨節距增大，UC值增大，在節距7.930 m時UC值激增至0.95，臨近失效，因此，7.930 m 為樁腿節距極限值.

2)拖航工況下，斜撐管UC值普遍高于其他樁腿組件，結合不同載荷方向下的斜撐管UC值分析，可知0°和60°載荷方向下的斜撐管失效概率最大.

3)自存工況下，樁腿撐管UC值對弦管間距變化敏感性較弱，但弦管間距UC值和鎖緊力隨弦管間距增大而降低，平臺抗傾能力隨弦管間距增大而增強.

4)自存工況下，樁腿節距取值7.485 m時，因其構型下的平臺固有周期接近波浪周期，水動力動態放大效應顯著，導致樁腿結構強度校核的UC值、鎖緊力和支反力均達最大，平臺的抗傾穩性亦為最差，因此需要考慮樁腿構型變化對平臺固有周期的影響.

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(編輯 張 紅)

The configuration selection method for truss type legs of self-elevating platform

ZHU Yazhou1,2, SUN Chengmeng3, LIN Haihua3, ZHANG Xiaoyu3, QIN Hongde1, JIANG Bin1

(1.College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China； 2.School of Architecture &Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China； 3. China Petroleum Liaohe Equipment Company, Bohai Equipment Manufacturing Co., Ltd., Panjin 124010, Liaoning, China)

In order to optimize the structure configuration of the truss type legs of the self-elevating platform, the parametric modeling method and GeniE software of SESAM were adopted to evaluate the performance and strength of different leg configurations. Towing and survival conditions were analyzed in the study process. Series of leg bay heights were chosen for strength analysis under towing condition. Different leg configurations with chord spaces and bay heights under survival condition were chosen to calculate the anti-overturning capacity, maximum reaction of support, locking force and the UC values of leg components. Considering the leg weight, the optimal decision for the leg configuration was given according to the principle satisfying the optimized strength and economy. A certain jack-up unit leg design was finished rapidly by this method. The study result indicates that the present method is effective for leg configuration selection and optimization in the preliminary design stage.

self-elevating platform; truss legs; configuration selection; strength; towing condition; survival conditions

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.10.023

2015-05-20

CP-375自升式鉆井平臺設計及關鍵部件研制資助(Y-14M000003)

朱亞洲(1982—)男，講師，博士；

姜 濱(1963—)男，教授，博士生導師

朱亞洲，zhuyazhou_cplec@126.com

P751

A

0367-6234(2016)10-0155-07