海洋平台结构设计课件第六章 导管架设计

海洋平台结构设计课件第六章 导管 架设计
本章主要内容
第一节 设计依据及设计内容 第二节 设计计算模型 第三节 设计计算刚度矩阵 第四节 杆件端点变位与受力 第五节 导管架构件强度校核
导管架设计
• 第一节 设计依据及设计内容
桩基（按施工方法） 桩基（按承载性状）
打入桩基础 钻孔灌注桩基础
钟型桩基础
3.支撑布置设计：支撑用来传递水平荷载给桩基，且使结构称为一个整体。 原则上应尽量减少水平支撑的层数，各连接构件间夹角大于30°
4.导管架结构受力分析：通常要考虑导管架在建造、运输、下水、吊装、 使用过程中出现的最不利荷载及其组合，确定各构件的应力，由此选择经 济合理的截面
5.构件尺寸确定：对所选构件进行校核，确定构件的尺寸。导管架构件设 计的重点在于管节点设计及其疲劳设计、杆件的断面选择
3.节点设置原则同于整体分析计算模型
4.泥面以下是埋藏于土中的桩
5.此种模型阶段与杆件数目相对于整体分析计算模型都少，计算工作量小， 设计时推荐使用这种方法
6.对导管架结构必须进行动力分析和疲劳分析（尤其是深水结构）
• 第三节 设计计算刚度矩阵
本章主要讨论静力分析方法 一、桩基刚度矩阵
以 单 体 坐 标 系 建 立 的 基 桩 约 束 刚 度 矩 阵 ：
K44=0.2 K55=0.2K66
二、空间杆件刚度矩阵
对于一空间杆件，其杆端每个节点有6个位移分量，故杆端力也有3个力和 3个力矩共6个分量。由此建立空间杆件单元在杆件坐标系下的杆端力与节 点位移的关系如下：
FekeDe
F e ---杆件力向量 k e ---杆件刚度矩阵
D e ---杆端节点位移向量
K11 0 0 0 0 0
0
K 22
0
0
0
K
26
K11---基桩拉压刚度系数
K
PH
0 0
0
0 0
K33 0 K35 0 K44 0
0 K44 ---基桩扭转刚度系数
0
K55， K66 --基桩弯曲刚度系数 一般有：
0
K53
0
K55
0 K44=0.2 K55=0.2K66
0 K62 0 0 0 K66
1 z l3
0
0
0
GJ
0
l
0
0
0
0
z l 2
0
2 z EIy 1 z l
0
0
0
6EIy
1 z l 2
基桩刚度系数数值的计算公式：
K 22 K 33 1.06344 3 EI K 55 K 66 1.48249 EI K 62 K 26 0.98448 2 E I K 53 K 35 0.98448 2 E I
注： α---桩的变形系数 m ---土反力模量随深度变化的 比例系数 B0--桩的计算宽度 一般有：
0
6EI
1 y l 2
0
0
0
4 y E I z
1 l
y
E
A
0
0
0
0
0
EA
l
l
0
12EIz
1 y l 3
0
0
0
6EIz
1 y l 2
0
12EI
1 y l3
0
0
12 EI y
0
6EIy
1 z l3
1 z l 2
0
0
0
12 EI y
4.弹簧刚度系数可以是线弹性的，也可以是非线弹性 的，取决于所用的桩基理论
整体分析计算结构模型图
二、分部分析计算模型
适用于浅 水结构分析
1.分部分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对导管架和桩基分别建 立计算模型
2.泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构（基桩支座是联系两个计 算模型的结合点）
由于斜桩在承受轴向荷载时的轴向位移、承受水平荷载与力矩荷载时的水平位移和 转角，在实用的坡度范围内与桩的倾斜度无关，故固定平台斜桩的变位与内力法分 析可简单地采用垂直桩的计算方法
桩基矩阵系数计算
根据弹性长桩的变位与转角公式：
y
Q0 3EI
Ay
M0 2EI
By
Q0 2EI
A
M0 EI
B
5 m B0 EI
摩擦型桩
常用
端承型桩
需考虑土质条件、桩的 用途、桩的承载能力、 地基类型、施工条件等 因素选择桩基型式
纯摩擦桩（桩端阻力可忽略）
端承摩擦桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
端承桩（桩侧摩阻力可忽略）
摩擦端承桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
• 第一节 设计依据及设计内容
一个好的平台设计，应具有满意的使用效果、较少的维修和初始投资 一、设计导管架的基本依据 1.水深：影响导管架几何形状、平台安装工艺、平台基底的倾覆力矩大小 2.海洋环境：决定导管架结构几何形状的主要因素 3.甲板空间：决定导管架顶部尺度的重要因素 4.施工场地与施工设备：与导管架几何形状的选择有关
6.动力分析和疲劳分析： 1）对于深水导管架，当结构自振周期接近平台安装水域内的波浪中主要能 量的波分量频率时，应对导管架进行动力分析 2）当结构自振周期T大于3秒时，应对导管架管节点进行疲劳分析
• 第二节 设计计算模型
桩基导管架平台是空间杆系结构，对其进行受力分析时，常选取整体分析 计算模型和分部分析计算模型两种结构计算模型
一、整体分析计算模型
适用于深 水结构分析
1.确定由导管架和桩构成的整体的计算模型时，对结
构总体刚度有重大影响的一切构件均要考虑
2.对于设计泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷 载作用点、杆件横截面特性变化点、桩与设计泥面的 交接点一般均应设为节点
3.如右图所示：泥面以下的桩基上设置多个节点，每 个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，用来表征垂直 荷载作用下桩-土的相互作用
二、导管架结构的设计内容
1.导管架结构型式的设计：又称为“方案设计”，即根据设计资料拟定初 步设计方案，确定导管架尺度
2.导管架腿柱直径与斜度设计： 1）腿柱直径与土质情况、基础要求有关。初步设计时通常根据设计经验和 按甲板支撑桁架腿柱的要求确定腿柱直径 2）腿柱斜度与土壤性质、打桩机性能和荷载类型有关，一般为双斜对称式
杆件刚度矩阵中 k e 中元素kij的含义：只有在j自由度方向产生单位 位移时在i自由度方向上引起的杆端力
EA
l
0
12EIz
1 y l 3
0
0
12 EI y
1 z l3
0
0
0
GJ
l
0
0
6 EI y
0 4 z EIy
1 z l 2
1 z l