基于ANSYS的海上新型施工平台安全性分析

陈　震

(浙江头门港投资开发有限公司，浙江　临海　317000)



基于ANSYS的海上新型施工平台安全性分析

陈震

(浙江头门港投资开发有限公司，浙江临海317000)

陈震(1979—)，工程师，研究方向：工程管理。

摘要：海上施工平台可降低施工过程的难度，提高工作效率。文章结合台州市临海区跨海大桥施工项目，采用ANSYS有限元软件建立海上新型施工平台仿真模型，分析安装工艺和材质对施工平台强度的影响。结果表明，无论是工作平台还是钻孔平台，其强度皆符合要求，可确保施工过程中的安全性和稳定性。

关键词：跨海大桥；ANSYS；新型施工平台；安全性；稳定性

0引言

随着我国公路系统的逐渐完善，规划建造跨海大桥是国家发展完善交通公路体系的重要步骤。海上多功能平台是一种多功能的大型海上施工设备，可以有效解决施工过程中出现的问题，提升整体施工效率。但在实际工程中常常需要验算施工平台的安全性，为提高效率，可使用有限元分析方法对其进行分析。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。即利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行

模拟。该法利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

目前的主流有限元分析软件之一是ANSYS(见图1)。ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

图1　ANSYS软件分析结果示意图

1有限元分析方法的应用概述

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，还能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元分析法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解(往往是困难的)满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数)，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一[1-2]。

2工程概况

台州中心港区疏港公路一期白沙至头门段工程是台州临海港区三大工程之一，起点为临海市上盘镇白沙村附近，与现有的东海大道相平交，桩号K0+000，总体走向西东向，经白沙、麂晴山、大竹山、至路线终点头门岛，桩号K15+608.341与头门岛港区施工陆岛码头相接，路线全长15.608 km，如图2所示。该项目一共分成6个合同段，本次主要承担2个部分的施工项目：大竹山跨海特大桥合同段，起讫桩号K6+909.5～K9+454.9，路线全长2.545 km，含大竹山跨海特大桥和两头高压电缆管线涵2道，上部结构4×(2×16)m+3×16 m预应力混凝土刚架桥+5×(6×50) m预应力混凝土连续箱梁+95 m+170 m+95 m预应力混凝土连续刚构+2×(5×50) m预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用矩形截面花瓶式实体墩，圆形承台钢管桩基础及矩形承台钻孔灌注桩基础，通航孔主墩为八边形承台钻孔灌注桩基础；头门岛跨海大桥合同段，起讫桩号K9+786.1～K12+951，路线全长3.165 km，含头门岛跨海特大桥和两头高压电缆管线涵2道，上部结构8×(6×50) m+3×(5×50) m预应力混凝土连续箱梁，下部结构采用现浇花瓶形实体墩，圆形承台钢管桩基础和矩形承台钻孔灌注桩基础[3]。

本项目施工平台包括两个部分：工作平台、钻孔平台。平台采用钢管桩桁架平台结构形式，整个标高+6.000。工作平台用于堆放施工所需的设备和材料，并为桩基和下部结构的施工提供操作平台。工作平台长度为15 m、宽为11 m，可存放泥浆分离器、钻机等物品。钻孔平台结构较为复杂，主要进行水下钻孔、打桩、填平。

图2　桥梁施工布置图

3有限元分析

本文利用ANSYS有限元软件对项目采用的新型平台机构的强度进行分析，并根据临海区的风、浪、流等自然环境设置最不利载荷组成，对钻孔平台正常工作工况下的结构强度进行计算仿真分析，分析平台的强度。将平台整体划分成3个大单元建模仿真：船体、桩腿、桩靴。桩靴采用SHELL63单元模拟桩靴的内、外侧板和顶、底板和BEAM188单元模拟板材内部的骨材，如图3所示。船体的建模类似于桩靴，船体中的骨材等采用BEAM188单元模拟，而板桥单元则选用SHELL163进行模拟仿真，如图4所示。桩腿的建模较为复杂，通过长时间的研究和讨论，本文决定采用PIPE59单元将BEAM188代表的板材的骨材连接起来，模拟水流的波流性，如图5～6所示。需要注意的是，PIPE59单元只能模拟水下淤泥面之上的波流性，因此在设置PIPE59单元时，不能同时将两个端点放在水下淤泥面之下。

图3　桩靴有限元模型图

图4　船体有限元模型图

图5　桩腿有限元模型细节图

图6　桩腿有限元模型整体图

海洋天气复杂多变，其海面下的状态更加复杂。复杂的受力状况对新型平台的强度分析和设计状态提出了较高的要求[4]。因此，在仿真分析过程中应考虑水流载荷、风力载荷和波浪载荷对平台强度的影响，提高施工过程的安全性。水的深度不同，对物体的作用力也不同。为了使仿真结构更加精确，本文采用Airy波理论、Stokes三阶波理论和Stokes五阶波理论对不同深度下的波浪载荷进行模拟。采用以上理论时未考虑海流和波流联合作用时对物体的受力，因此应额外考虑海流作用力。新型平台暴露在海风上，风力载荷直接影响平台的强度和稳定性，因此在仿真计算过程中应考虑风力载荷。本文主要考虑参数如表1所示。由于水的流动是从四周流动的，在计算过程中应考虑0°、60°、90°、120°和180°方向上载荷的大小，选出最不利的相位角。

表1　新型平台结构有限元分析指标结果表

4仿真结果

波浪相位角与波流入射角的关系曲线如图7所示。由图7可见，不同波流入射角所对应的最不利的波浪相位角值。仿真计算结果如表1所示，可以看出当波流入射角为120°时，即波浪相位角为35°时，主船体、转体和桩腿出现了最大应力；主船体的最大应力出现在钻孔工作台上，板材处的最大值为289 MPa，小于规定的324 MPa，型材处的最大值为281 MPa，小于限定值288 MPa；桩体、桩腿部

分的最大应力出现在桩腿底端与桩靴连接处，其值为241 MPa，远远小于标准值552 MPa，皆符合要求。

图7　波浪相位角与波流入射角的关系曲线图

5结语

海洋的自然环境较为复杂，因此跨海大桥的建造较为困难。但施工平台以其安全性高、平稳性好的优势，降低了施工过程的难度，提高了工作效率。不同的海洋环境，其安装工艺有所不同。本文结合临海市跨海大桥的施工项目，利用ANSYS有限元软件分析了安装工艺和材质对施工平台强度的影响。分析结果表明，无论是工作平台还是钻孔平台，其强度皆符合要求，可确保施工工程中的安全性和稳定性。

参考文献

[1]杜忠志.杭州湾跨海大桥承台施工技术[J].石家庄铁道学院学报，2005(6)：50-53.

[2]姜晨光，贺勇，彭建国，等.跨海大桥结构安全自动监测技术研究[J].公路，2006(1)：1-5.

[3]甘劲.海上多功能工作平台结构设计关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[4]李维洲.跨海大桥深水桩基础防船撞能力及安全评估研究[D].西安：长安大学，2014.

Safety Analysis of New Offshore Construction Platform Based on ANSYS

CHEN Zhen

(Zhejiang Toumen Port Investment and Development Co.，Ltd.，Linhai，Zhejiang，317000)

Abstract：The offshore construction platform can reduce the difficulty of construction process and im-prove the work efficiency.Combining Linhai District Sea-crossing Bridge construction project in Taizhou，this article established the new offshore construction platform simulation model by using ANSYS finite element software，and analyzed the impact of installation technology and materials on the construction platform strength.The results showed that both the working platform and drilling platform can meet the strength requirements，and can ensure the safety and stability of construction process.

Keywords：Sea-crossing bridge；ANSYS；New construction platform；Safety；Stability

收稿日期：2016-01-29

文章编号：1673-4874(2016)02-0101-04

中图分类号：U615.1

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.023

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