海洋工程结构滑靴传力有限元分析

(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

0 引 言

图1 滑靴在工程中的应用

海洋工程结构物一般先在陆地上的滑道进行预制、组对、总装、调试，然后再装船运输到海上安装。为减小滑道地基承载力，同时便于海洋工程结构物在装船时的拖拉滑行，海洋工程结构物建造过程中通常需使用一种临时结构物作为底部支撑，并完成滑移装船工作。该支撑结构被称作滑靴[1]，如图1所示。海洋工程结构物与滑靴通过焊接连接，其重量通过滑靴传递至滑靴下的滑道垫块，滑道垫块再传力至下面的滑道，滑道垫块对滑道的作用力不可超过滑道的实际承载力。

随着海洋石油工业和海洋工程技术的迅速发展，海洋工程结构物正朝着大型化迈进，由原来的几百吨、几千吨增加到现在的上万吨。在实际工程项目中，经常出现滑靴支反力接近滑道承载力或超过滑道承载力的情况。为避免该问题，对滑靴传力进行研究：一方面，防止实际支反力超过滑道承载力的情况出现，避免安全事故；另一方面，节省工程成本，避免将滑靴设计得过大、过强，浪费材料。

图2 滑靴传力示例

建立滑靴有限元计算模型，对常见的3种滑靴进行传力分析，并与传统手工计算方法作对比，得到使用不同结构形式的滑靴对滑道承载力的实际要求，有效减少海洋结构物在建造过程中的工程费用和项目风险，提升海洋工程制造水平，具有良好的工程应用前景。

1 传统滑靴传力分析

对于滑靴如何传力，传统的简单算法有两种：滑靴45°传力、滑靴完全传力，如图2所示。

1.1 滑靴45°传力

海洋工程结构物立柱对滑靴的作用力为F，立柱直径D，滑靴总高度Hs(包括滑靴及其下垫木)，滑道垫块高度Hc。滑靴按照45°进行力的传递，混凝土滑道垫块也按照45°传力，则力对滑道的有效作用长度L=D+2(Hs+Hc)。滑道承载力须不小于Q=F/L=F/[D+2(Hs+Hc)]，单位为t/m。

1.2 滑靴完全传力

滑靴按照完全刚性考虑，滑靴底面长度为Ls，滑靴底面与滑道垫块之间均匀传力，混凝土滑道块按照45°传力，则力对滑道的有效作用长度L=Ls+2Hc。滑道承载力须不小于Q=F/L=F/(Ls+2Hc)，单位为t/m。

虽然滑靴由钢板焊接制造而成，但也不是完全刚性结构，其整体刚度与其结构形式相关，因此上述两种算法只能进行简单的估算。

1.3 算例

对于某工程项目，海洋工程结构物立柱对滑靴的作用力为F=2 322.7 t，立柱直径D=2 413 mm，滑道垫块高度Hc=3.3 m。如果选用长度Ls=6.5 m、高度Hs=0.7 m的滑靴：根据滑靴45°传力，则滑道承载力须不小于Q=223 t/m；按照滑靴完全传力，则滑道承载力须不小于Q=177 t/m。根据滑道设计说明书，滑道实际承载力为210 t/m，故无法判定滑道承载力是否满足此工程项目需求。

2 滑靴传力有限元分析

有限元分析广泛应用于工程项目的设计计算，利用有限元模拟可得到各类复杂结构物的应力-应变数据，进而可对结构物进行整体和局部强度评估、反力计算、优化设计等工作。

2.1 有限元模型建立

图3 6.5 m长滑靴有限元模型

选取以往项目中常见的3种滑靴，其结构几何尺寸如表1所示，建立有限元模型，如图3～图5所示。

表1 滑靴几何尺寸

图4 10.0 m长滑靴有限元模型 图5 15.0 m长滑靴有限元模型

建立的三维全尺寸有限元模型包括滑靴、滑靴下垫木和海洋工程结构物的立柱。海洋工程结构物的上部重力载荷由立柱传递到滑靴，滑靴下垫木可分散上部载荷。滑靴采用壳单元Shell 63，材料为钢材；立柱采用实体单元Solid 185，材料为钢材；垫木采用实体单元Solid 185，材料为木材。材料参数[2]如表2所示。

表2 材料参数

2.2 载荷工况计算

海洋工程结构物立柱对滑靴的作用力F=22 762.541 kN，立柱直径D=2 413 mm，利用有限元软件对滑靴传力进行分析[3]，得到第2.1节所述3种滑靴沿滑靴长度方向的支反力分布。由于滑道实际承载力单位为t/m，因此按每米长度进行支反力求和，得到此工况下各滑靴对滑道承载力的需求。各长度滑靴支反力分布和滑道承载力需求如图6～图11所示。可以看出，滑靴在立柱载荷作用下，沿长度方向的传力变化不是按照45°的趋势，也不是完全刚性的均匀传力，而是滑靴中心区域受力最大，往两端逐渐减小，滑靴结构不同，支反力减小的趋势也不同。

图6 6.5 m长滑靴支反力分布 图7 使用6.5 m长滑靴时滑道承载力需求

图8 10.0 m长滑靴支反力分布 图9 使用10.0 m长滑靴时滑道承载力需求

图10 15.0 m长滑靴支反力分布 图11 使用15.0 m长滑靴时滑道承载力需求

提取各滑靴对滑道承载力需求的最大值，如表3所示。

表3 滑道承载力需求最大值

由于滑道实际承载力为210 t/m，6.5 m长滑靴对滑道的最大承载力需求为262 t/m，因此6.5 m长滑靴不能满足此项目需求。10.0 m长滑靴和15.0 m长滑靴的滑道承载力需求均小于滑道实际承载力，均可满足此项目需求。但是,15.0 m长滑靴较10.0 m长滑靴用料更多，需花费更多材料和人工成本，因此推荐使用10.0 m长滑靴。

3 结 论

本文通过建立滑靴有限元计算模型，对常见的3种滑靴进行传力分析，并与传统手工计算方法进行对比，结论如下：

(1) 滑靴传力的有限元分析与传统简单传力算法相比，可得到更真实的滑靴传力趋势。

(2) 滑靴既不是45°传力也不是均匀传力，滑靴支反力沿滑靴长度的分布与滑靴结构形式相关。

(3) 有限元计算分析表明，使用6.5 m长滑靴的承载力需求超过滑道实际承载力，6.5 m长滑靴不适用于此工程项目。

(4) 10.0 m长滑靴和15.0 m长滑靴均满足此项目使用需求，但从经济性方面考虑，推荐使用10.0 m长滑靴。

滑靴传力的有限元分析在经济性和安全性上均具有较大优势，利于有效减少海洋结构物在建造过程中的工程费用和项目风险，提升海洋工程制造水平，其应用前景十分广阔。