自升式平台桁架桩腿风载荷研究

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(1．中国船级社实业公司天津分公司，天津 300457； 2.中国船级社海工审图中心，天津 300457)

0 引言

具有桁架桩腿的自升式平台主要用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业。在各种工况(压载工况、站立工况、风暴自存工况和拖航工况)中，都会受到风载荷的作用，尤其是拖航工况，平台桩腿收回，留在水面以上部分较长，受到的风载荷较大，桩腿风载荷计算结果的大小将直接影响平台的强度和稳性。因此，合理分析桁架式桩腿受风载荷对平台的管理和作业具有重要意义。

目前，国内外研究海洋平台风载荷的常用方法主要有现场观测、数值模拟和风洞实验。在计算风载荷时，现行规范采用面积投影法，结果偏于保守，不利于结构的优化。在计算平台强度和稳性时，对于平台上较大桁架式构件所受风载荷一般采用简化模型进行计算分析。自升式平台桁架桩腿主要由主弦管、平水撑管、斜撑和水平内撑管构成。主弦管由两个半圆形管和中间的齿条板构成，根据平台作业水深和环境条件，桩腿的尺寸及其构件的形状也不一样。如果将桁架桩腿构件简化成圆柱形构件计算风载荷，结果会与实际相差很大，这主要由于桁架式桩腿的主弦管不再是圆柱形，中间存在齿条板的缘故。由于桩腿构件较长，并且在平台总的风载荷中占有较大的比重，因此，合理等效桩腿构件尤为重要。

通过使用ZenStab软件采用不同的简化模型，计算某400英尺水深平台桁架式桩腿在不同风向的风载荷，并对比分析得出合理的简化方法，其结果具有一定参考价值。在实例计算分析的基础上，给出了具体平台桁架桩腿的形状系数合理数值。

1 风载荷计算方法

作用于桁架构件上的风载荷F应按式(1)计算[1]：

F=ChCsSP

(1)

式中：Ch为高度系数，可根据构件高度(构件型心到设计水面的垂直距离)确定；Cs为形状系数，可根据构件形状确定，也可根据风洞试验确定；P为风压(kPa)；V为设计风速(m/s)，文中计算风速取51.5 m/s；S为平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积(m2)。

不同国家规范对Ch和Cs取值也不相同，中国船级社(CCS)和美国船级社(ABS)对Ch和Cs的选取基本相同，具体数值见表1、表2，CCS规范中的V指平均海平面以上10 m处时距为 1 min的平均风速，而ABS规范中的V指平均海平面以上15.3 m处时距为1 min的平均风速。挪威船级社(DNV)对公式(1)中的高度系数Ch取1.0，风速指在海平面以上10 m处1 min风速。

2 桁架式桩腿风载荷分析

2.1 主要参数

某400英尺水深平台的主要参数见表1。

表1 平台主要参数

2.2 桩腿的等效直径

桩腿的等效直径可以用式(2)～式(6)进行计算[4]。

(2)

(3)

CDei=[sin2β+cos2βsin2α]3/2CDiDili/s

(4)

式中：De为桩腿的等效直径；Di为第i构件的直径；li为第i构件(节点到节点)的长度；s为1bay(两个水平横撑之间的结构)的长度；α为水平方向的波浪与构件的夹角；β为斜向与水平面的夹角；CDi为第构件的拖曳力系数，由(5)和(6)确定，θ角、W和Di如图1所示。

(5)

当θ=90°时，

(6)

由于桩腿为正三角形，具有对称性，因此仅计算0°～90°每隔30°计算一次，桩腿等效圆柱形直径见表2。

表2 桩腿等效圆柱形直径

由表2可知，桩腿的等效直径是随着风向而变化的，风向对桩腿的等效直径影响很大，在0°风向最小，而在60°风向最大。

2.3 桩腿模型

平台桩腿主弦管截面如图1所示，风向定义与划分如图2所示。

图1 主弦管截面 图2 风向和坐标系

图3 平台整体模型

坐标系按以下方法建立：纵向x以平台主船体尾部中点为起点，船艏为正；横向y以主船体艉部中点为起点，左舷为正(如图2所示)；垂向z以船体基线为垂向的起点，向上为正。在ZenStab软件中，采用4种简化方法建立了计算桁架式桩腿的结构模型，用于计算分析桩腿风载荷。图3为平台整体模型(桩腿按照模型3简化)。

桁架桩腿简化方法1(模型1)：将平台桩腿的主弦管简化为圆柱形，把齿条板的厚度计入桩腿主弦管的直径，直径D为0.613 m，W为0.651 m，建立的模型如图4所示。

桁架桩腿简化方法2(模型2)：将平台桩腿的主弦管简化为板形，建立的模型如图5所示。

图4 主弦管简化为圆柱形模型 图5 主弦管简化为板形模型

桁架桩腿简化方法3(模型3)：将平台的整个桩腿截面等效为正三角形，边长为13.106 m，参照文献[1]的推荐做法取双面桁架桩腿单侧满实投影面积的60%，需要确定合理的形状系数，建立的模型如图6所示。

桁架桩腿简化方法4(模型4)：将平台的整个桩腿截面等效为圆形，建立的模型如图7所示。

图6 整个桩腿截面等效为正三角形模型 图7 整个桩腿等效为圆柱形模型

2.4 计算结果

在不同风向时，模型1～4在0°～90°每隔30°计算的风载荷值见表3。由表3可知：

(1) 无论哪个风向模型1计算的风载荷值都是最小的，因此，将平台桩腿的主弦管简化为圆柱形，虽然考虑了齿条板的影响，但计算得到的风载荷值是偏小的，这是由于圆柱形构件的形状系数为0.5的缘故。

(2) 无论哪个风向模型2计算的风载荷值都是最大的(0°除外)，因此，将平台桩腿的主弦管简化为板形，还考虑了齿条板的影响，这样计算得到的风载荷值是偏大的，这是由于板形构件的形状系数为1.0的缘故。

(3) 模型3参照文献[1]中的推荐方法，能够快速的计算平台桩腿所受的风载荷，但文献[1]中未明确适用桁架式桩腿构件。通过对不同形状系数的计算结果进行对比分析，形状系数取0.3较为合理。

(4) 模型4需要计算整个桩腿的等效直径，计算量较大。

(5) 对0°风向，模型4计算的结果比较接近实际，这是由于桁架式桩腿的主弦管既不是圆柱形又不是板形，而应是介于两个之间的数值。

(6) 除了0°的风向外，模型3和模型4的计算结果均介于模型1和模型2之间，所以，模型3和模型4的计算结果是比较接近实际的。

表3 不同风向的风载荷值

3 结论

在计算自升式平台桁架桩腿的风载荷时，由于软件内部结构截面属性的局限性，需要对桁架构件进行简化模拟，而简化结构得到的风载荷合理性直接影响平台整体强度和稳性计算结果。采用4种简化模型对桁架式桩腿进行了模拟，通过对其所受风载荷计算分析，得出如下结论：

(1)把桁架式桩腿的主弦管简化为圆柱形或板形，虽然都考虑了齿条板的影响，但前者计算得到的桩腿风载荷值偏小，后者计算得到的桩腿风载荷值偏大。

(2)将整个桁架式桩腿截面等效为正三角形或圆形，计算得到桁架桩腿风载荷比较接近实际情况。将整个桩腿截面等效为正三角形，取形状系数为0.3较为合理，更便于计算平台的拖航稳性。在站立工况和自存工况下，将整个桩腿截面等效为圆形，方便同时计算桩腿所受流载荷和波浪载荷，便于计算平台的整体强度。

[1] 中国船级社.海上移动平台入级规范[S].2012.

[2] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling uints[S]. 2012.

[3] DNV. Environmental conditions and environmental loads[S], October 2010.

[4] Technical & Research Bulletin 5-5A. Guidelines for site specific assessment of mobile Jack-Up units [S]. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 1994.