海洋平台荷载ANSYS分析报告龙de船人

海洋平台有限元建模

我们采用大型通用有限元软件ANSYS进行海洋平台的建模及力学分析。建模时，主要采用PIPE16单元、PIPE59单元、COMBIN39单元、BEAM4单元以及SHELL63单元。

PIPE59单元是ANSYS程序中专门用于模拟浸没在水中的杆件结构的单元，应用PIPE59单元可以很好地模拟海洋波浪、海流对海水中杆件的作用力。因此，采用PIPE59单元模拟海洋平台在水中部分的桩柱。对于水面以上、泥面以下桩柱采用PIPE16单元模拟。平台钢板采用SHELL63单元模拟，槽钢采用BEAM4单元模拟。

平台上部设备按质量换算成集中力施加在平台顶面上。

埋入土壤的桩柱部分所受土壤非线性作用力通过非线性弹簧单元COMBIN39模拟。具体应用时，首先根据地质资料计算桩土的侧向荷载-位移传递曲线(p-y曲线)、轴向荷载-位移传递曲线(t-z曲线)以及桩端荷载-位移传递曲线(q-z曲线)，然后将荷载-位移传递曲线离散建立非线性弹簧单元实常数。设置x、y方向的非线性弹簧单元，按p-y曲线确定单元实常数，以便模拟桩柱的横向承载变形；设置z向非线性弹簧单元，按t-z曲线确定单元实常数，以便模拟桩身的竖向承载变形；桩端设置z向非线性弹簧，按q-z曲线确定单元实常数，以便模拟桩端土壤的支撑力；设置z向转动弹簧，按t-z曲线转化的θ-z曲线确定单元实常数，以便模拟土对桩身的转动摩擦力。模拟q-z曲线的非线性弹簧单元单向受压，其余弹簧均为拉压双向单元。

图3-3a平台有限元模型图(主视图)

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桩基承载能力分析

1 桩的轴向承载能力分析

受压桩的轴向承载力，主要取决于桩本身的材料强度或桩周围土壤对桩的支持能力。对于摩擦桩，它的承载能力通常由后者决定。

打入土壤中的桩，在不出现过份变形和应力条件下，所能安全承受的桩顶轴向载荷，一般认为由桩身表面摩擦阻力和桩端支撑力共同承担。根据静力平衡条件，可写成如下的表达式：

T s p Q Q Q =+

(4-1)

式中：

Q T ——桩顶载荷； Q s ——桩身摩阻力； Q p ——桩端阻力。

当Q s 和Q s 皆达最大值时，Q T 称为桩的极限承载能力。Q s 可由下式决定：

s s s Q f A =⋅∑ (4-2) 式中：

f s ——土层中单位桩身极限摩阻力，kN/m 2； A s ——按土层分段的桩身面积，m 2。 Q p 可由下式计算：

p p p Q q A =⋅ (4-3)

式中：

q p ——桩端单位面积极限阻力，kN/m 2； A p ——桩端横截面积，m 2。

1.1 砂性土的侧摩阻及端部阻力

对于打入砂性地基的桩，其桩身侧摩阻力f s 和q p 的一般表达式为：

0tan s f KP δ= (4-4a) 0p q q N P = (4-4b) 式中：

K ——无因次土层侧压力系数；

P 0——计算点处的有效上复土压力，kN/m 2，P 0=γh ；； γ——土的有效容重，kN/m 3； h ——计算点处深度，m ；

δ——桩土之间的摩擦角，δ＝φ-5º； φ——砂土的内摩擦角；

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N q ——无量纲承载力系数。

对于非堵塞的开口打入管桩，在拉伸和压缩荷载下通常取K 为0.8。对于充分挤压土的桩(形成土塞或桩端封闭)，K 值取1。如无其他资料，可参照表4-1选取δ。对于长桩，fs 应取表4-1中所给极限值。N q 可根据表4-1取值。

表4-1 砂土的承载力系数N q

4.1.2 粘性土的侧摩阻及端部阻力

对于打入粘性地基的桩，其桩身侧摩阻力f s 和q p 的一般表达式为：

s u f C α= (4-5a) 9P u q C = (4-5b) 式中：

α——无量纲系数；

C u ——未扰动土壤不排水抗剪强度，kN/m 2。 系数α可用下式计算：

()0.50.5 1.0αψψ=≤

(4-6)

()0.25

0.5 1.0αψψ-=>

式中：

ψ——c /P 0′相应点；

P 0′——相应点的有效覆盖土压力，kPa 。

2 桩的横向承载能力分析

2.1 软粘土的横向极限抗力

对任意深度x 处的软至半硬粘土，其横向极限抗力取下列2式的最小值。

3u u u x Jx P C C D γ⎛⎫=++ ⎪⎝

⎭

(4-7a) 9u u P C =

(4-7b)

式中：

P u ——土壤的横向极限抗力，kN/m 2； γ——土的有效容重，kN/m 3；

J ——无因次经验常数，通过现场试验确定；该值的取值范围自软粘土的0.5到硬粘土的0.25；

D ——桩径，m 。 2.2 硬粘土的横向极限抗力

硬粘土(C u >96KN/m 2)的横向极限抗力可基于Reese1975年提出的方法计算。硬粘土的极限抗力取式2-7b 与式2-8计算结果的最小值。

2.832u u u x x P C C D γ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭ (4-8)

2.3 砂性土的横向极限抗力

对于任意深度z 处的砂性土，其横向极限抗力取下列2式的最小值：

()12us P C z C D z γ=⋅+⋅⋅⋅

(4-9a) 3ud P C D z γ=⋅⋅⋅

(4-9b)

式中：

P us ——浅层土壤的横向极限抗力(力/单位长度)，kN/m ；

P ud ——深层土壤的横向极限抗力(力/单位长度)，kN/m ； γ——有效土容重，kN/m 3；

C 1，C 2，C 3——内摩擦角φ的函数值，由图4-1确定；

D ——从土层表面到给定深度的桩平均直径，m 。