第六章自升式平台强度12-3案例

§6.1 自升式平台的主要工作状态
1.拖航状态
拖航是指整个平台从一个地点（或井位）转移到另一个地点（或井位） 的航行状态，这时平台主体漂浮在海面上，桩腿升到平台主体之上，由于受 到风浪的作用，平台主体也将如船舶一样产生摇摆运动。这时平台主体受到 重力，浮力，波浪力和惯性力的作用，同时在桩腿根部的固桩处有很大的动 弯矩作用着，对于深水自升式平台，由于桩腿很长，桩腿根部的固桩处就将 受到很大的作用力，当平台主体的纵摇或横摇的角度较大时桩腿因倾斜又对 根部产生很大的桩腿重力力矩。
dF

1 2
CD
DU
U
CM
D2
U 4
(6 3)
对于桁架式桩腿，一个节距内的波浪力将由若干弦杆、水平杆、斜撑杆和
内水平撑杆等构件承受（图6-5），因此一个节距的波浪力公式就写成为
：
dF 1 U U 2
CDi di li

U


CMi

4
di2li

(6 4)
-
li(m) 5.486 9.906 6.884 4.960
-
∑(di2 li)(m3) 17.80 3.12 3.68 0.19 24.79
构件
弦杆 水平杆 斜撑 内水平撑 总计
D 24.79 2.126(m) 5.486
表6-3 桩腿等效CD的计算
di(m)
li’(m)
di2 li’ (m2)
于是等效直径D的拖曳力系数CD可由下式计算出：
CD

(CDi dili ) DL
(6 6)
根据式(6-4)，一个节距的波浪力可写成：
F

1 2
CD
DLU
U
CM
D2
4
LU
(6 8)
式中：L为节距长度；D为
等效直径，按式(6-5)求
得；CD为对应于等效直径 的拖曳力系数，按式(6-6)
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
§6.1 自升式平台的主要工作状态05-4-12
5.着底状态
着底状态包括满载风暴不作业和满载作业两种状态。一般情况下，满 载风暴不作业时桩腿所受的外力要比满载作业状态时大，所以通常平台就 以满载风暴不作业状态进行设计。
平台主体被桩腿支撑在海面之上时，平台主体上的甲板载荷和风力将 通过桩腿传递到海底，这时的桩腿将受到风力，波浪力，潮流力，平台重 力和地基反力的作用。由于桩腿比较长，平台结构在载荷的作用下产生的 侧向位移还将使桩腿受到不可忽视的重量偏心力矩。
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
本例中弦杆直径d=1.040m是考虑到弦杆上的齿条中心线间的距高，但 就是一根桩腿上的三根弦杆其齿条相对于波向的方向也是不同的（见图66），这里为简单起见近似取波向垂直于齿条的条的情况作为代表。
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
表6-3中li’是构件的投影长度，由于投影面要随波向而变，故按实际情况 选取较麻烦，这里就按图6-7所示的投影面作为代表，该图的两个投影图 是桩腿三片平面桁架的投影图。
Ks

8Gr03
31

(6 1)
式中：G为土壤的剪切模数；ν为土壤的泊桑比；r0为桩脚箱的半径或接触 面积的半径。假如桩脚箱是边长分别为B 和L 的矩形，且L 垂直于转动轴， 则等效的半径向可用下式表示。
r0

4
BL3
3
(6 2)
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
二、环境载荷计算
在平台着底状态的总体强度计算中，一般是以满载风暴工况（不钻井） 作为设计工况。但由于不同的风向、波浪入射角、波峰位置和不同的海流方 向对平台产生的环境载荷有较大的差异，所以需要进行环境载荷的搜索，以 确定最大的环境载荷，并以此环境载荷与甲板载荷叠加，进行总强度计算。 对风载荷，可以先将受风构件在 不同风向的投影面积、形状系数、高 度系致、风压值、风力作用高度等计 算出来，然后求得不同风向的风力和 它对桩腿下端的力矩。对于有对称性 的平台，一般在0°到180°之间取6至 7个风向角进行计算，如图6-4所示。
拖航状态也有满载拖航和轻载拖航，前一种是在油田范围内拖航，环 境条件不严重(6～7级风），后一种是远距离大洋拖航，要估计可能遇到 大风暴情况（例如100 kn风速）。对于需要远距离大洋拖航的自升式平台 ，就要按照这种工况进行计算。因此在设计工况的选取中对甲板变动载荷 （包括大钩载荷）和环境条件要考虑可能出现的最不利的情况组合，以保 证结构的安全性。
2.放桩和提桩状态
放桩是指桩腿向海底下放，提桩是指桩腿拔出海底之后向上提升，这时 船体仍浮在海面上，在放桩和提桩的过程中，当桩腿未与海底接触但船体在 风浪作用下发生摇摆时，桩腿也随着摇摆使桩腿上部（接近船体底部）受到 较大的动弯矩，当船体在风浪作用下产生升沉运动而使桩腿和海底发生碰撞 时，桩腿根部也将产生很大的动应力。
根据上述各种工作状态的受力分析，平台结构通常需要进行下列的强 度计算： （1）平台总体强度的计算（着底状态）； （2）单桩腿局部强度计算（着底状态，拖航状态，放桩与提桩状态）； （3）船体强度计算（拖航状态，桩腿预压状态）； （4）固桩区结构强度计算（着底状态，拖航状态）。
6.1 自升式平台的主要工作状态
§6.1 自升式平台的主要工作状态
3.插桩和拔桩状态
插桩式平台在插桩时桩腿将承受升降机构的下降力、桩腿土壤支反力和 桩周摩擦力的作用。
拔桩时桩腿承受升降机构提升力、桩端粘结力以及桩周摩擦力的作用， 若在淤泥中还有桩端淤泥吸附力的作用。在拔桩过程中，当桩腿拔出海底的 速度过快或海面风浪较大时也可能出现桩腿端部与海底碰撞的现象。
11-14
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
一、平台的结构理想化问题
将整个平台理想化为空间刚架，其中船体作为板架处理，桁架式桩腿 则简化为相当杆件，桩体上端与船体刚性连接，下端为铰支或弹性支承， 如图6-2所示。
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
根据移动平台规范的规定，桩腿的下端可按海底泥面以下3米处铰支 处理。这种处理方法计算比较简单，但略去了海底基础对桩腿下端的转动 约束，此时桩腿的弯矩全部集中于桩腿与船体的连接处，而且此弯矩值相 当大，因此这种处理方法对结构设计来说是偏于保守的。事实上海底基础 对桩腿是有转动约束作用的，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减少。
在自升式平台的强度计算中除了考虑上述不同的工作状态外，同时还 要考虑环境条件和甲板载荷的不同情况。
例如在着底状态中有满载风暴工况和满载作业工况。前者为平台遭到 百年一遇的风暴，甲板载荷为满载情况，这时已不进行钻井作业；后者的 环境条件通常为36m/s风速下的海浪，甲板载荷为满载情况，平台正常钻 井。由于前者条件更为严重，一般就以这个工况作为设计工况。
这种预压方式，对桩腿而言将承受最大的轴向预压载荷，大约为正常工作 载荷的1.6～2.0倍，对船体而言，就相当于支撑在对角线桩腿上，平台上的 重力载荷使船体产生弯曲和扭曲变形。
对于三角形的自升式平台一般是用压载舱加载方法预压，使三个桩腿同 时承受船体的全部重量和压载重量，这时船体相当于三点支撑，没有扭曲变 形的问题。
421952 17093.4 644734
0
9394.7
397133
6473.4
459620 15868.1 856758
60
9754.4
400279
6473.4
459620 16227.8 868899
50m
90
11071.8 455870
6473.4
459620 17545.2 915290
120
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
对于波浪载荷，在搜索时除了考虑不同的波向角外，还要选定不同的 波峰位置（波峰相对于平台总坐标的位置）。
因为在一定的波向角下，桩腿相对于不同的波峰位置，其受到的波浪 力也各不相，为此，需要选取若干个波向角（对有对称性的平台，一般也 在0°到180°内取5个到7个波向角），而对每一波向又取5个到10个不同 的相位角（即波峰位置）进行波浪力计算，然后求出每一波向角中平台受 到的最大波浪力和波浪力矩。 海流力可在计算波浪力时一并计入，流向假定与波向相同。
式中：CDi，CMi分别为i构件的拖曳力系数与惯性力系数；di，li分别为i构 件的直径与长度；li’为i构件的投影长度；U、 分别为水质点的速度与加 速度。
U
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
圆管惯性力系数CMi取为2，故“等效直径”D 由下式求得：
D di2li L
(6 5)
求得；CM为圆管的惯性力 系数，通常取为2。
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
【实例】计算节矩L=5.486 m的桁架式桩腿的等效直径D与相应的拖曳力系 数CD。
表6-2 桩腿等效D 的计算
Biblioteka Baidu
构件 弦杆 水平杆 斜撑 内水平撑 总计
数量
3 3 6 3 -
di(m) 1.040 0.3239 0.2984 0.1143
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
表6-1 “南海一号”自升式平台风和波浪引起的水平力和倾覆力矩
波浪力
风力
合力
工作水深 波向（度） 水平力 （kn）
倾覆力矩 （kN∙m）
水平力 （kn）
倾覆力矩 （kN∙m）
水平力 （kn）
倾覆力矩 （kN∙m）
0
8586.7
251272
7592.4
421952 16179.1 673224
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
图6-3所示为海底基础约束程度时桩腿弯矩分布的影响。
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
海底基础对桩腿的转动约束可用一个转动弹簧来表示，此转动弹簧的刚 度系数的确定取决于海底土坡的特性，插桩深度和桩脚箱的形状等，是一个 颇为复杂的间题，作为近似计算，转动弹簧的刚度系数可用下式表示。
CDi
1.040
16.458
17.12
0.7
0.3239
19.812
6.42
0.5
0.2984
35.971
10.73
0.5
0.1143
9.92
1.13
0.5
-
-
-
-
∑(Ci di li’)(m3) 11.98
3.21
5.37
0.57
21.13
CD

21.13 2.126 5.486
1.811
最后，可将风力与波浪力进行合成，确定出最大的环境载荷，表6-1 为“南海一号”自升式平台在不同工作水深与不同风浪方向情况下风和波 浪引起的水平力和倾覆力矩，其中波浪力与力矩是该方向的5个相位角中 的最大值，而风力与风力矩则取5个风向中的最大值（120°的风力和风力 矩）。表中所取的环境条件是风速59m/s（115kn），波高16.6m，波浪周 期13s，流速1.4m/s。
12375.9 507802
6473.4
459620 18849.3 967422
180
11367.2 447492
6473.4
459620 17840.6 907112
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
在波浪力的计算中，浸没于水中的各桁架构件被简化为一个流体动力 等效梁。其方法如下：
前已述及单位长度圆柱体的波浪力是用莫里桑公式计算的：
4.桩腿预压状态
桩腿预压是将桩腿下面地基的承载力预先压到暴风状态时所要求的地基 承载力，以防止桩腿出现不均匀下沉，造成平台倾斜和倾覆事故发生。
对于矩形的自升式平台采用对角线预压方式，即先由某个对角线方向上 的桩腿升降机构作升船运动，而另两个对角线方向的桩腿升降机构松开，此 时平台主体的全部重量由预压的两桩腿承担，使土壤承受压缩，然后再将另 两个桩腿作升船运动，原先两个桩腿放松；这样轮换对角线预压，直至达到 规定的预压载荷后桩腿不再下沉为止。
60
9853.5
285730
7592.4
421952 17245.9 707682
30m
90
11129.2 305606
7592.4
421952 18721.6 727558
120
14122.6 389319
7592.4
421952 21715.0 811271
180
9501.0
222782
7592.4
海洋平台强度分析
第六章 自升式平台强度分析
§6.1 自升式平台的主要工作状态
自升式平台是由一个船体（平台）和若干起支撑作用的桩腿所组成的 。由于这种平台在工作的全部过程中有多种不同的工作状态，各种状态下 结构的受力情况都不完全相同，在计算平台结构强度时必须考虑各种不同 的工作状态。
自升式平台载荷如图6-1，平台的工作状态有下列五种。 1.拖航状态 2.放桩和提桩状态 3.插桩和拔桩状态 4.桩腿预压状态 5.着底状态