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风暴状态下自升式平台结构强度分析

摘要：自升式平台作为典型的海洋工程结构物，它由船体、桩腿、升降机构以及一系列钻井设备组成，由于恶劣的工作环境、复杂的结构。如何对其进行风暴状态下的结构强度分析显得尤为重要了。本文以某油气回收自升式平台为例，采用有限元分析方法，基于ABS自升式平台结构规范，考虑平台工作载荷、风浪流环境载荷、效应等，应用MSC.Patran/Nastran软件对平台的桩腿及主体结构进行了强度评估。通过分析表明：平台主船体满足屈服屈曲强度要求，桩腿满足整体及局部屈曲强度要求，而高应力发生在桩腿与平台主体连接处。由此，连接部位是平台设计、强度评估需重点关注的。

关键词：自升式平台；强度分析；有限元方法；设计载荷

1引言

自升式平台占海上移动平台数量的2/3以上，极限状态下的强度分析是平台设计阶段很重要的内容，风暴自存是自升式平台作业的危险工况，承受严酷的海洋环境载荷，属于平台设计的强度控制状态。由此，对于风暴状态平台船体和桩腿的强度分析，受到平台试验部门的高度关注[1]。

在平台强度分析中，如何合理的建立结构的力学模型，使计算模型能够模拟出实际结构的工作状态，精确计算平台所受的载荷，对自升式平台极限工况下的结构安全性进行有限元分析，对研究自升式平台就显得至关重要了。

2平台有限元模型

自升式平台参数

本平台为插销式液压升降的四桩腿自升式平台，平台主要由平台主体、油气工艺处理系统、桩腿及液压升降系统等组成。平台主体为空间箱形结构，主要参数见下表1。

表1平台主要参数

序号

项目

设计参数

1

型长×型宽×型深

55m×35m×5.5m

2

肋距

0.5m

3

桩腿形式及数量

圆形壳体式，4根

4

桩腿长L×直径D×板厚t

67m×3.0m×36.0mm

5

桩靴（正四边形）

6.8m×6.8m×1.65m

6

吊机起重能力

10t

7

升降系统正常升船能力

1400t×4

8

材料

AH36,DH36,EH36

图1某油气回收自升式平台总布置图及桩腿编号

2.2有限元模型建立

2.2.1建模方法及原则

基于自升式平台各构件受力及传力特性，在用有限元软件对其建模分析时，对其有限元模型作一些合理的假定，并最大程度地保证简化后的有限元模型质量，刚度的不变性以及边界条件的合理性，本文主要分析自升式平台风暴状态的强度，重点关注区域是桩腿与平台主体连接处的强度[2]，采取梁单元模拟的桩腿结构。平台主船体采用空间板梁组合结构来模拟。有限元模型由于经过一定的简化，模型重量、重心与实际平台存在较大差距，根据总布置及平台配载情况，通过添加集中质量采用MPC关联结构的方法，调整平台的重量、重心，平台有限元模型如图1所示。

2.2.2平台桩腿

平台的桩腿为圆柱型壳体结构，桩腿内部设有T型断面的环肋以及纵骨加强，沿桩身每米设有四个方向的销孔。桩腿采用等效简化的梁单元模拟，即结合桩腿复杂结构，按据质量及刚度等效的原则，确定桩腿梁的属性参数，并对板梁组合桩腿及简化梁模型进行加载对比，验证桩腿简化梁的等效可行性。

桩腿与平台主船体通过上环梁、齿条板、升降室及插销连接在一起，使用自由度耦合的方式来模拟桩腿与平台主体的卡紧连接，如图3。

桩腿与海底处的边界约束依据ABS平台规范处理为泥面以下3m处铰支，这种处理方法对于结构设计来说是偏于保守的。实际上海底基础对于桩腿是具有转动约束作用的，这种约束将使桩腿下端承受弯矩，从而使桩腿与船体连接处的弯矩值减少[3]。

图2平台有限元结构模型

图3桩腿与主船体自由度耦合MPC连接

3自升式平台分析工况及设计载荷确定

3.1强度分析工况

选择对平台结构最不利的环境条件和极限作业条件的组合载荷作为极限工况[4]，即风、浪、流在同一方向上作用于平台，并计入效应等载荷的工况。确定5个浪向计算波浪载荷，分别是：0o、45o、90o、120o及150o，对于每个入射角，波浪分别选取0、30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330共12个相位角，以便确定载荷的极限状态，为便于说明，将工况的命名如下：LC015B045P060，其中LC015为组合序号，B045为计算浪向，P060为计算相位角。

3.2平台的固定

风暴状态时的静载荷为适应自存状态的平台重量、固定装置、供应品和压载重量等。

3.3环境载荷

3.3.1平台环境参数的确定

本平台选取的计算状态为50年一遇的风暴自存设计环境条件，海洋工程中所要考虑的海洋环境参数包括：地形地质、水深、风、波浪、海流、海潮、海冰和地震等[5]。根据作业海域的海况，可以不考虑海冰和地震载荷，根据该平台《基本设计说明书》其环境参数如表2。

表2风暴状态下平台环境参数

环境参数

设计值

水深

30m

风

风速

51.5m/