拖航工况不同节距对自升式平台桩腿强度影响

王 凯，樊岩松，李清斌，戴克文，姚湘琳

（1.渤海装备辽河重工有限公司，辽宁 盘锦124010；2.辽宁陆海石油装备研究院有限公司，辽宁 盘锦124010）①

自升式海洋平台在工作的全部过程中有多种不同的工作状态，其中当平台进行位置变动时，由于自身不具备自航功能，需要拖轮进行拖航。在拖航状态下，主船体漂浮在海面上，桩靴收回，桩腿升到船体之上，甚至高出甲板上百米，平台横摇、纵摇时会形成巨大的摇摆惯性力，对桩腿强度提出了较高的要求。拖航工况的桩腿强度分析是自升式海洋平台设计阶段的重要研究内容［1－3］。

自升式海洋平台桩腿的形式可分为壳体式和桁架式两类，壳体式桩腿一般用于工作水深60～70 m，再深则需要增大桩腿尺寸，导致更大的波浪载荷，结构的质量也会增大。因此，深水自升式平台多采用桁架式桩腿［1］。

桁架式桩腿的支撑型式主要有K型、X型、Inv－K型3种。其中Inv－K型桩腿具有较好的力学性能和经济性［4－5］。本文以某Inv－K 型桩腿的自升式海洋平台为例，运用Matlab参数化编程，通过GeniE进行结构建模和有限元分析，阐述了拖航工况下桩腿强度分析的一般过程，并考虑不同载荷方向以及节距对桩腿结构的影响。

1 建立有限元模型

在GeniE中建立桁架式桩腿有限元模型时需要注意的问题：

1） 桩腿弦杆为自定义梁单元，需保证其刚度、截面特性与实际一致，如图1和表1；桩腿构件属性如表2。

2） 边界条件：拖航状态下桩腿主要受到约束的部位在弦杆与锁紧系统、上导块位置交接处，上导块位置约束状态（xyzr x r y r z）＝（1 0 0 0 0 0），锁紧系统位置的约束状态（xyzr x r y r z）＝（1 0 1 0 0 0），1表示约束，0表示自由，桩腿边界条件如图2。

图1 桩腿弦杆截面

表1 桩腿弦杆特性

图2 桩腿边界条件

整个桩腿高度125 170 mm，桩腿水平撑杆长度11 750 mm，节距7 925 mm，桩腿结构、杆件截面及材料属性如图3和表2。

图3 Inv－K型桩腿结构形式

表2 桩腿构件属性

2 计算载荷

桩腿在拖航状态下的载荷有风载、重力以及由于运动引起的惯性力。按中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》，拖航工况分为油田内迁移和远洋拖航2种，以远洋拖航为例，作用在桩腿上的载荷（如图4）按周期T＝10 s，单边横摇或单边纵摇（如图5）摆幅15°时的弯矩及平台在相应倾角时重力弯矩的120%求得［6］。

图4 桩腿基本工况载荷

图5 拖航时自升式平台的运动

2.1 风载

第i分段的风力为

风力引起的上导块处的弯矩为

2.2 运动引起的惯性力

第i分段的惯性力F Ii在与桩腿轴线垂直方向的分量为

第i分段的惯性力F Ii在桩腿轴线方向的分量为

桩腿惯性力在上导块处的弯矩为

2.3 桩腿倾斜θ角时的重力

自重W i在与桩腿轴线垂直方向的分量为

自重W i在与桩腿轴线方向的分量为

桩腿自重在上导块处产生的弯矩为

与桩腿轴线垂直的载荷分量为

与桩腿轴线平行的载荷分量为

在上导块处的总弯矩为

桩腿各构件的强度校核如下［5］：

同时承受轴向拉伸和弯曲组合作用的构件，其计算应力应满足

同时承受轴向压缩和弯曲组合作用的构件，其计算应力应满足

式中各符号含义可参见文献［6］。

3 结果分析

对上述Inv－K型桩腿的有限元模型按基本工况组合进行加载分析，同时考虑桩腿节距变化对结构的影响，本文另外选取3种节距进行结构分析，节距变化对桩腿质量变化的影响如表3，按式（1）～（2）对桩腿弦杆、撑杆强度进行校核，计算结果如表4。

由表3～4知：节距变短，桩腿质量增大，K型夹角变小，桩腿位移是先减小后增大，不是单调变化的；桩腿构件UC值均小于1，即桩腿强度满足规范要求；K型斜撑在桩腿所有构件类型中UC值最大。

表3 节距变化对桩腿质量和结构位移影响

对4种节距桩腿进行分析，在载荷方向（如图6）为0～90°时，每隔10°分别计算桩腿K型斜撑的最大UC值，计算结果如图7。

结合表3～4及图7，当节距由7 925 mm降为7 355 mm时，桩腿构件的利用率均有明显的降低，当节距由7 355 mm降为6 865 mm和6 435 mm时，桩腿质量逐渐增大，但桩腿构件的利用率并没有明显改善。K型斜撑的内力在30°载荷方向产生了极小值，在0°和60°载荷方向产生了极大值，考虑桩腿结构和载荷方向的对称性，在90°方向应出现极小值，K型斜撑的最大内力随载荷角度60°一个周期进行增减变化。

图6 载荷方向角α的定义

图7 4种节距K型斜撑在不同载荷方向下的最大UC值比较

4 结论

1） 桩腿质量和K型斜撑的夹角随节距的变小呈现单调变化状态，但桩腿承载后的结构位移变化不是单调的，K型斜撑夹角的选取对于桁架式桩腿结构的受力有很大的影响。

2） 位于上导块附近的K型斜撑利用率最大。

3） 载荷方向对桩腿结构受力有影响，在拖航工况下对桩腿结构强度计算可仅考虑图6中0°或60°的加载方向。

4） 桩腿节距变化对桩腿结构受力有影响，存在一个值使得桩腿质量和结构利用率达到最优。

［1］ 李润培，王志农.海洋平台强度分析［M］.上海：上海交通大学出版社，1992：86－87.

［2］ 陈宏，李春祥.自升式钻井平台的发展综述［J］.中国海洋平台，2007，22（6）：1－6.

［3］ 谢娜娜，马廷霞，刘国昊，等.自升式海洋平台桩腿桩靴有限元分析［J］.石油矿场机械，2013，42（11）：32－38.

［4］ 杨炎华，金书城.自升式海洋平台桩腿结构优化设计［J］.船海工程，2011，40（6）：150－152.

［5］ 王瑜.基于有限元分析的自升式平台桁架桩腿选型优化设计［J］.船舶设计通讯，2010，12（2）：60－64.

［6］ 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［M］.北京：人民交通出版社，2012.