海洋平台设计课程讲义(导管架平台)-甘进

架
平
台
设
计
专
题
导管架平台分类
¾按作业水深
¾深水区：整体式多层自给式平台（综合平台）；
导
¾浅水区：采用分离的不同功能的平台，例如供应 平台、钻井平台、生产平台、生活平台、辅助平 台、火炬塔等。
管 架
平
台
设
计
专
题
导管架平台的载荷
平台结构承受的载荷包括环境载荷、使用载荷和施工载荷。
¾环境载荷：由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引
题
导管架平台结构设计
¾结构总体布置
总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，
满足其他专业对结构型式的要求
导
管
¾应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用, 杆件数量和规格 力求少，结构尽量对称；
架
平
¾不宜在飞溅区内设置水平构件；
台
¾不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑；
设
¾一般情况下，管节点宜设计为简单节点；
题
导管架平台设计
¾设计步骤
¾步骤一：根据平台使用目的和要求对导管架进行总体布置，确定主尺
寸，确定使用荷载；
导
¾步骤二：根据导管架所处海域位置确定环境条件：风、波、流、冰、
管
地震、水深、温度等，确定平台高程和方位；
架
平
¾步骤三：根据土壤地质资料进行桩基初步布置：确定桩径、桩数、桩
台
长，确定导管架尺寸及倾斜度；
导
管
架
平
台
设
计
专
¾按桩的材料：钢管桩，普通钢筋混凝土方桩及普通或预应力混凝土桩等；
题
¾钢管桩的底端型式：开口式、封闭式、半封闭式。
导管架平台结构设计
¾桩基础结构
对于不同的海上结构物，桩的几何尺寸及入土深度主要取决于桩的数
量、荷载的分配状况及地基土的性质。 桩基础的型式主要有：主桩式和群桩式，也会设置一些辅桩。
导
管
¾主桩式：所有的桩均由主腿内打出；
架
¾群桩式：在导管架底部四周均布桩柱或在其四角主腿下方设桩柱；
平
台
设
计
专
题
导管架平台结构设计
¾主要尺度确定
¾甲板尺寸：取决于使用要求、上部设施与设备的工艺布置以及其外形尺寸；
¾甲板高程：
导
管
甲板下层高程=极端环境下的潮汐水位+重现期100年的最大波高+安全气隙；
结构设计包括整体结构设计和各部分结构设计；
计
专 ¾工艺设计：根据生产工艺要求，对工艺、设备、材料、布置、流程等内容进
行设计，编写工艺说明书及各种规格书（specification）。
题
导管架平台设计
¾设计方法
导 ¾母型设计（仿型设计）：即选择已建成的使用成功的平台作为母型进行仿型
管 设计，所选的母型平台应与要设计的平台的使用技术条件、海洋环境条件相
起的载荷。考虑的主要有风载荷、波浪载荷、流冰载荷、地震载荷等 ；
导
¾使用载荷：按空间变化分为固定荷载和活动荷载（可变荷载和动力荷载）；
管
架 ¾施工载荷：施工载荷发生在平台的建造、装船、运输、下水、安装等阶段，为
平 临时性载荷，对于受环境条件影响的各个施工阶段，平台的施工载荷应与环境
载荷进行相应的最不利的组合。
板结构中，设备在结构建造后安装。在模块化结构中，先建造甲板基础结构， 然后将设备模块起吊并固定在基础结构之内或之上。
导
管
架
平
台
设
计
专
题
导管架平台结构设计
¾导管架结构
导管架是导管架式平台的支撑结构。导
管架结构是由钢管或型钢焊接的构架，实
导
际是由三个方向的平面板架或平面桁架组 成的一个三维空间桁架结构。
近，而且经证明这种平台性能良好。在方案设计阶段，选择平台主尺度和结构
型式时常用这种方法；
架
平
台 ¾规 范 设 计 ： 即 根 据 各 国 船 检 局 或 船 级 社 、 石 油 协 会 公 布 的 规 范 要 求 进 行 设
计，如API、DNV、ABS、LR、GL、BV和NK等；
设
计 ¾按强度理论进行设计：这种设计方法是建立在结构力学、理论力学、弹性力
《海洋平台设计》课程
海洋平台设计
Introduction to Offshore Platform Design
甘 进 博士/讲师
交通学院海洋工程系 2013年10月
《海洋平台设计》课程
导管架平台设计
2
导管架平台简介
¾定义
¾导管架平台（Jacket Platform）又称为桩基式平台，它是由打
入海底的钢管桩支撑整个平台，能经受风浪流等外力作用的一
¾船舶就位
¾导管架起吊下水/导管架滑移下水
导
¾导管架就位（导管架扶正）
管
¾吊桩、插桩
架
¾打桩
平
¾导管架调平
台
¾打桩
设 计
¾导管架最终调平
专
¾灌浆
题
¾安装附件
导管架平台结构设计
¾设计依据
¾平台的用途和甲板的尺寸：使用要求，工艺要求和布置；
导
管 ¾平台的位置和方位：位置决定设计条件和建设方式；方位根据环境和使用要
设
¾步骤四：根据设计规范、长细比等要求，结合经验，确定导管、立面
计
支撑、水平支撑等；
专
¾步骤五：根据以上初步估算结果，输入计算机专用软件（如：SACS，
题
ANSYS等），最后确定出详细的结构。
导管架平台设计分析内容
¾在位分析（In-place）
导管架在作业期间的分析：
导
¾静力分析（Static analysis）
平 腿或独腿平台，水上部分（包括在甲板和导管架的水上水平层上），隔水导管
和甲板、导管架的连接要用焊接方法固定，水下部分用楔块固定；
台
¾各桩的受力力求均匀；
设
¾对于滑移装船吊装下水型导管架，滑靴的布置与吊点的布置要协调考虑
计
¾装船滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地与运输驳船滑道的间距；
专
¾应考虑钻井，修井的要求。
管 进行总布置，计算总体性能，绘总体图，编写总体说明书、总体性能计算书以
及相关的试验成果报告等。总体设计要考虑整个平台的综合平衡，协调处理各
专业的要求，解决各专业之间可能出现的矛盾，以达到整体设计的合理性；
架
平
台 ¾结构设计：根据总体设计确定的结构型式，选择各部分的结构型式，确定其
设 尺寸，进行构件布置，绘结构图，进行结构计算，编写结构计算书和说明书，
导管架在安装期间的分析：
设
¾立管riser：油或气的运送通道；
计
¾防海生物marine growth protection：防止海生物附着于导管架上； 专
¾注水系统flooding system：安装时向导管架的密封舱注水登，船使平导台管 题
架由水平状态旋转为直立状态；
¾……
导管架平台设计
¾基本内容
导 ¾总体设计：根据设计任务书的要求，设计出合理的结构型式，确定主尺度，
管
¾最主要的固定式平台：钢质导管架式平台。
架
¾导管架的主要作用
平
台
¾支承上部结构，提高整体稳定性；
设
¾作为打桩定位和导向的工具；
计
¾将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上；
专
¾可安装系靠船的设备，作为附属设备支撑；
题
¾可作为安装上部结构时的临时工作平台。
导管架平台分类
¾按使用功能
¾（1）井口平台
¾（2）生产处理平台
导
种固定式平台。
管
架
¾特点
平
¾平台结构简单
台
¾整体结构刚性大
设
¾安全可靠
计
¾适用于各种土质
专 题
¾造价低
¾海上安装工作量小
导管架平台简介
¾组成
导
¾导管架
管
¾钢管桩
架
¾甲板结构
平
¾设施和设备模块
台
设
计
专
题
导管架平台简介
¾发展
¾1947年，墨西哥湾，6m水深；
¾1978年，工作水深已达312m；
导
¾导管架之最：高度486m；工作水深411m，墨西哥湾；
面积，防止导管架在安装时的不均匀沉降；
导
¾隔水套管conductor：将水、砂等杂质与油或气隔绝的独立结构；
管
¾阳极anode：是一种锌铝合金，防止导管架水下部分的腐蚀；
架
¾靠船件barge：船停泊时缓冲对导管架的冲击力；
平
¾登船平台boat ：船与平台之间的人行通道；
台
¾吊点padeye：吊装或扶正导管架的主要作用点；
架
¾导管架的顶高程、底高程和层间高程；
平
¾飞溅区的范围：腐蚀严重，不宜设置水平构件；
台
设
¾冰磨蚀区范围：冰载荷作用，冬季潮差端层间不设水平和斜撑杆；
计
¾导管架腿柱倾斜度：大-稳定性好，小-经济性好；
专
¾水面附近的构件尺度：尽量小，设计好传力路径；
题
¾桩尖支承高程：与入泥深度相关，应在持力层上，避免刺入软土层。
导
¾（3）泵站与压缩机平台
管 架
¾（4）生活平台
平
¾（5）火炬平台
台
¾（6）集油（气）平台
设
¾（7）注入平台
计
专
¾（8）综合平台
题
¾（9）其它种类平台
导管架平台分类
¾按腿柱的数目
¾三腿柱导管架：火炬塔支撑平台，机械设施支撑平台；
导
¾四腿柱导管架：生活平台，生产平台；
管
¾八腿柱导管架：最为成熟，使用较多。
计
¾导管架斜撑的角度（即与水平面夹角）宜在45 度左右；
专
¾导管架腿的表观斜度宜在10：1和7：1间；
题
导管架平台结构设计
¾结构总体布置
总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，
满足其他专业对结构型式的要求
导
管
架 ¾隔水导管与结构的连接: 如业主没有指定，对于动力响应较明显的平台，如三
管
架
平
¾大直径管材的桩腿（弦杆）；
台
¾小直径管材或小尺寸的型材的横向、
设
纵向、及斜向的撑杆；
计
¾承受重力、风浪流力及横向弯矩；
专
题
导管架平台结构设计
¾导管架结构
撑杆连接的形式分为：单斜式支撑、X型支撑、K型支撑。撑
杆具有如下基本作用：
导
¾帮助把水平载荷传至基础；
管
¾在建造和安装期间保持结构的完整性；
导
¾基本设计阶段：对审查确定的方案设计进行更进一步的设计、计算、
管
分析，确定出主体结构、总体建造及安装方案、各种规格书等，确定投
架
资，以便进行总包招标；
平
台
¾详细设计阶段：详细的设计计算分析，对基本设计进行优化，提交详
设
细文件；
计
¾施工设计阶段：加工设计，解决施工过程中的技术问题，绘施工图，
专
制定施工建造工艺，最后绘完工图。
专 学、材料力学等基础理论知识和现代计算技术（如计算机软件SACS等工具）进
题 行 的 设 计 。 对 复 杂 的 局 部 结 构 需 用 强 度 理 论 分 析 方 法 （ 如 有 限 元 分 析 软 件
ANSYS等）。
导管架平台设计
¾设计阶段
¾方案设计阶段：可行性研究或概念设计，综合评价，选择最佳方案；
台
设
载荷组合：平台应按对结构产生最严重影响的载荷条件进行设计。
计
¾设计工作环境条件与平台上的固定载荷和相应最大（小）活载荷的组合；
专
¾设计极端环境条件与平台上的固定载荷和相应最大（小）活载荷的组合
题
导管架运输与安装
¾装船与运输方法
¾吊装装船
¾拖拉滑移装船
导
管
¾浮运
架
平
台
设
计
专
题
导管架运输与安装
¾安装
平
承受的荷载被视为完全由桩端土的反力来支承。
台
¾磨擦桩（friction pile）：摩擦桩如果桩穿过并支撑在
设
各种压缩土层时，主要依靠桩侧土的摩阻力支撑垂直 荷载。
计
专
题
导管架平台结构设计
¾桩基础结构
桩基础不但可以承受轴向载荷，还可以承受水平及扭转载荷，且具有抗地
震能力强的特点。
¾按打桩方式：打入桩、钻孔再打桩、钻孔灌注桩及爆扩桩；
架
¾防止安装导管架桩系统时的扭曲变形；
平
台 ¾支撑油井导管等附属结构，把这些构件产生的波浪力传至基础。
设
计
专
题
导管架平台结构设计
¾桩基础结构
对于大部分固定海洋结构物，其外部载荷及本身重量
导
主要依靠基础来承受，目前应用最多的是桩基础。
管
架
¾支承桩（bearing pile）：桩尖支承在坚硬土层上,所
管
¾动力分析（Dynamic analysis）
架
平
¾疲劳分析（Fatigue analysis）
台
¾地震分析（Seismic analysis）
设ห้องสมุดไป่ตู้
¾波浪拍击（Wave slam）
计
专
¾涡流激震（Vortex shedding），需分别考虑在位期
题
间、建造期间、运输期间。
导管架平台设计分析内容
¾安装分析（Installation analysis）
导管架平台结构设计
¾平台方位确定
¾有利于抵抗环境载荷作用：以强克强；
¾便于工作船停靠：顶流停靠；
导
管
¾ 要满足平台上部设施与设备工艺布置的要求：火炬塔设置在下风向等。
架
平
台
设
计
专
题
导管架平台
¾附属结构（APPURTENANCE）
¾防沉板mudmat：保证导管架的座底稳定性。增加导管架与海床的接触
题
导管架平台结构设计
¾上部结构
由甲板及其上的设施和设
备组成的，作为收集和处理油
导
气、生活及其它用途的场所，
管
统称为上部结构（甲板结 构）。
架
平
台
¾由三维钢构件组成的空间框架结构；
设
¾主要承载构件可分为板桁材、箱形桁
计
材和桁架三种形式。
专
题
导管架平台结构设计
¾上部结构
甲板结构一般可以分为两类：整体甲板结构和模块化甲板结构。在整体甲
求确定（正北方向）；
架
平 ¾平台所在位置水深和平台甲板高程：潮汐资料决定水深，甲板高程保证气隙
高度和使用要求；
台
¾平台总体布置：合理布置，估算重量（载荷）；
设
计
¾海洋环境资料和场地调查。
专
题
导管架平台结构设计
¾设计要求
导
¾使用要求
管
¾安全要求
架
¾环境保护要求
平 台
¾施工条件要求
设
¾经济条件要求
计
专