基于有限元的筒型基础平台强度分析

张 松，范晓飚，张 丹

（重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074）

0 引言

如今，世界经济的高速发展带来能源的大量消耗，世界油气储量迅速减少，陆上石油资源紧缺问题日渐突出，石油俨然成为世界海洋国家激烈争夺的对象。为了国家经济的发展和海洋强国的建设，必须大力开发海洋油气资源。勘探开发海洋油气需要的关键装备之一就是筒型基础平台，本文通过对筒形基础平台的强度校核对其建造提供了一定的依据。

1 结构形式及环境载荷

1.1 结构形式

本文所研究的筒型基础平台主要由基础部分、立柱、十字支架及工作生活平台4部分构成。基础部分包括基础筒和筒柱，基础深入水底泥土之中起到固定平台的作用，立柱部分和基础部分通过十字支架固定，平台工作水深为8.4 m。

1.2 环境载荷

环境载荷是由于直接和间接的自然环境作用而产生的、作用在结构物上的载荷，本文研究的筒型基础平台的设计环境载荷主要包括冰载荷、海流载荷和风载荷。

1.2.1 冰载荷

冰浮在海面上，运动方向与海流的方向一致。考虑冰沿着与XOZ平面成0°、45°和90°夹角的方向与筒型基础平台的立管发生作用。由于立管是对称的圆柱形，故0°、45°和90°方向的冰力大小相同。

目前国内外有很多计算冰载荷的方法，根据我国海域的实际情况，选用中国海洋石油总公司推荐的冰载荷计算公式，见式（1）。

式中：

m

为形状系数，对圆形截面取0.9；

I

为嵌入系数；

f

为接触系数；

σ

为单轴抗压强度，MPa。对圆形截面的墩柱，嵌入系数

I

和接触系数

f

的乘积为

式中：

D

为钢管直径，cm；

H

为冰厚度，cm。结合本筒型基础平台的环境条件，钢管直径

D

＝106.7 cm，冰厚度

H

＝40 cm，单轴抗压强度

σ

＝2.1 MPa。

1.2.2 风载荷

风力的大小与风压、受风面积、结构物高度和形状有关。风载荷可分为风速方向上的水平风力和垂直于风速方向上的升力2部分。水平风力计算公式为

式中：

C

为高度系数值；

C

为形状系数值；

V

为风速，按50年一遇计算；

A

为受风面积。

1.2.3 流载荷

流荷载与水深、海水密度和波浪相位角有关，这里水深取为8.4 m，海水密度取为1 025 kg/m。将海流参数输入ANSYS中，通过分析可知，在波浪相位角为60°时，波流耦合值达到最大。

1.2.4 工作载荷

工作载荷也称使用载荷，它是指在理想的环境中（即没有环境载荷），由于结构的存在和使用而产生的载荷。筒型基础平台是立管平台，立管的重量很小可以忽略，工作载荷主要是平台的自重（含浮力），大小为1 397.7 kN。

1.2.5 载荷组合

根据平台的对称特征，考虑如下2种载荷组合，其中风载荷、冰载荷和流载荷方向相同。

1）工况 1：风载荷+冰载荷+流载荷+平台自重+浮力（风载荷、冰载荷和流载荷与

XOZ

平面成0°方向）。2）工况 2：风载荷+冰载荷+流载荷+平台自重+浮力（风载荷、冰载荷和流载荷与

XOZ

平面成45°方向）。

2 建立有限元模型

筒型基础平台泥面以下和水面以上部分使用Pipe16单元，泥面以上水面以下部分使用Pipe59单元，梁结构使用Beam188单元。通过ANSYS建模并进行仿真计算。

3 受力分析

3.1 筒型基础平台受力分析

筒型基础平台所处水域环境一般比较复杂，受到多种类型的载荷同时作用。为保证平台的安全性，在受力分析时应对载荷最不利组合的工况进行分析。

1）工况1

筒型基础平台的位移情况见图 1，水平合位移为2.1049 cm。在静力分析中，甲板梁的位移不能超过其长度的1/300。本平台取筒基的间距为甲板梁的长度，即12 m。因为2.104 9 cm＜4 cm，故平台的静位移满足要求。

图1 筒型基础平台的位移情况（0°）

2）工况2

筒型基础平台的位移情况见图 2，水平合位移为2.066 cm。因为2.066 cm＜4 cm，故平台的静位移满足要求。

图2 筒型基础平台的位移情况（45°）

3.2 平台应力分布云图

工况2条件下，各构件的轴向应力图和十字支架的弯曲应力图分别见图3～图8。

图3 立柱（水面以上）轴向应力图

图4 立柱（水面以下）轴向应力图

图5 筒柱（泥面以下）轴向应力图

图6 筒柱（泥面以上）轴向应力图

图7 基础筒轴向应力图

图8 十字支架弯曲应力图

4 强度校核

筒型基础平台结构在载荷作用下，应具有足够的刚度和强度。根据结构整体受力分析，求得各个构件的内力，然后按照结构强度校核的要求，根据规范对应公式进行计算。强度校核包括轴向应力校核、剪应力校核以及折算应力校核。

4.1 强度理论

轴向应力计算公式及需满足的强度条件分别见式（4）和式（5）。

式（4）和式（5）中：

σ

为轴向应力，N/m；

N

为轴向力，N；

A

为杆截面积，m；

M

为绕

x

轴的弯矩，N·m；

M

为绕

y

轴的弯矩，N·m；

W

为抗弯剖面模数，m；

σ

为钢材屈服强度，N/m；[

σ

]为许用应力，N/m。

剪应力计算公式及需满足的强度条件分别见式（6）和式（7）。

式（6）和式（7）中：

τ

为剪应力，N/m；

D

为截面平均直径，m；

t

为截面管壁厚，m；

Q

为

x

方向的剪力，N；

Q

为

y

方向的剪力，N；

T

为扭矩，N·m；[

τ

]为许用应力，N/m。

4.2 立柱、筒柱和基础筒的强度校核

工况1条件下，各构件轴向应力和剪应力的最大输出结果如表3所示。轴向应力与轴向许用应力的应力比均小于 1，说明筒柱、立柱和基础筒的轴向应力均满足强度要求，且具有一定的安全储备。剪应力与许用剪应力的应力比均小于1，说明筒柱、立柱和基础筒的剪应力同样也满足强度要求，且具有一定的安全储备。采用同样方法对工况2进行强度校核，同样得到满足校核要求的结论。

表3 工况1条件下，各构件轴向应力和剪应力的最大输出结果

4.3 十字支架的强度校核

工况1和工况2条件下，十字支架强度校核最大输出结果见表4，最大等效应力,和最大弯曲应力均小于许用应力189 MPa。因此，十字支架满足强度要求。

表4 工况1条件下，各构件轴向应力和剪应力的最大输出结果

5 结论

1）对筒型基础平台进行结构静力分析，其分析结果表明，当风载荷波浪相位角为 60°、冰载荷和风载荷作用方向为0°时位移最大（2.104 9 cm），满足位移要求。

2）基础筒、筒柱、十字支架和立柱上各构件的强度均满足强度规范要求，并具有一定的强度储备。

3）由于该筒型基础平台是立管式平台，上部结构重量偏小，同时平台的水深相对较浅，因此平台不会出现整体性的失稳问题。