导管架式平台强度分析.ppt

1、半潜式平台总强度设计波计算法,半潜式平台的总体强度计算由于平台结构的特殊性使计算过程相当复杂，加上选取的工况很多，因此工作量非常大。这项工作只能靠电子计算机来完成，目前世界各国的船级社及有关的研究、生产单位都编制了相应的计算机程序系统。概括起来，半潜式平台总强度设计波法的计算机程序系统可用以下流程图来表示。,上节主要内容,2、半潜式平台结构强度设计谱算法,半潜式平台设计谱法的计算通常可以分为四个部分：1、波浪外力分析2、波浪载荷下的空间刚架计算3、响应函数计算4、短期与长期统计预报,上节主要内容,第六章 固定式平台强度分析,固定式平台包括钢质导管架平台与混凝土重力式平台。它的总体强度分析包括静力分析和动力分析，建立的模型应与实际结构等效，并需要考虑结构与周围介质之间的相互作用，在计算内力时通常采用三维计算模型。钢质导管架的强度分析，目的就是使结构在设计使用寿命内，能够满足环境条件的要求，并能承受工作载荷和环境载荷的作用。,导管架式平台 导管架平台用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。这种施工方式，使海上工作量减少。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样可避免波浪的冲击。导管架平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。,导管架的运送、就位及安装,本章主要内容,6.1 导管架平台强度的静力分析6.2 导管架平台强度的动力分析6.3 导管架平台地震反应分析6.4 导管架平台在运输、下水及安装过程中 的受力分析6.5 混凝土重力式平台强度分析,6.1 导管架平台强度的静力分析一、载荷工况选择 平台结构承受的载荷包括环境载荷，使用载荷和施工载荷。环境载荷已在第二章中介绍过，这里主要介绍平台的使用载荷以及施工载荷。1.使用载荷使用载荷包括固定载荷和活载荷，应根据平台的类型和使用要求，对可能影响结构或构件的载荷加以考虑。(1)固定载荷：固定载荷是指作用在平台上的不变载荷，当水位一定时为一定值，它包括：平台结构在空气中的重量，包括导管架、桩、灌浆等；永久安装在平台上的设备和附属结构重量，包括机械设备、管线、防腐阳极块等；水线下作用在结构上的静水力，包括外压力与浮力。,(2)活载荷：活载荷为平台使用期间施加于平台上的载荷，它随平台作业类型的不同而变化，按其时间变化与作用可分为可变载荷与动力载荷。对于可变载荷的数值，由于其作用位置变化缓慢，可作为静载荷处理，它包括；钻井和生产设备的重量，这些设备可以移上或移下平台，并可以在平台上移动；生活区、直升机平台的重量，生活供给设备、救生设备、潜水设备及公用设备的重量，这些设备也可以移上或移下平台；贮藏舱中消耗性的供给物品及液体重量；海生物附着和冰的聚积所增加的重量。,当载荷对平台结构或构件的动力作用显著时，就考虑为动力载荷，它包括：周期性载荷，当各种动力机械和设备的运转频率接近结构的自振频率时，就应考虑载荷的动力放大；冲击性载荷，包括钻井，材料的搬运，船舶系泊及碰撞，直升机的降落等2.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。,3.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，载荷条件包括工作环境条件和极端环境条件，及其与相应的固定载荷和活载荷的组合。在结构强度分析时，至少应计算下列四种载荷组合工况：(1)设计工作环境条件与平台上的固定载荷和相应最大活载荷的组合；(2)设计工作环境条件与平台上的固定载荷和相应最小活载荷的组合；(3)设计极端环境条件与平台上的固定载荷和相应最大活载荷的组合；(4)设计极端环境条件与平台上的固定载荷和相应最小活载荷的组合。,载荷组合要遵循这样的原则，即根据所选定的设计环境条件，对实际有可能同时作用在平台上的各种载荷，按其最不利的情况进行组合。但对地震载荷，则可作为单独的环境载荷作用在平台上，而不与其它环境载荷组合。对于同一平台的不同设计项目(如结构的局部构件计算和总体计算等)或不同阶段(施工阶段和使用时期)，应按实际可能同时出现的最不利受载情况进行组合，并在组合时必须考虑水位的影响。,CCS浅海固定平台规范,CCS浅海固定平台规范,二、结构的理想化及构件应力计算 导管架结构支承于桩基上，桩基对导管架起着支承和约束作用，因此在分析导管架平台时，必须考虑结构桩土的共同作用。在建立计算模型时；目前较常用的方法是将导管架结构部分理想化为空间刚架，而对桩基部分则可理想化为等效的直立桩，如图6.1所示。,图6.1 导管架平台结构理想化,，将,。,取出1-2等效桩来考虑，此时，原来结构中的桩已经用一根一定长度而下端刚性固定的等效桩来代替。假如能够求出等效桩桩顶的刚度矩阵，将 放入导管架的总刚度矩阵的相应位置，形成一个包括导管架和桩基在内的导管架平台的总刚度矩阵，那么通过一般的矩阵分析即可求得平台各构件的应力，而且此时的应力已考虑了结构桩土的相互作用。因此关键的是如何求出桩顶刚度矩阵。,设等效桩两端的作用力为,及,如图6-2所示：,此时等效桩1-2的刚度方程为：,式中,分别为地面桩顶处的水平和垂直位移，,以及转角,分别为等效桩的刚度系数。,利用式（6-1）可以写出地面桩的刚度方程：,，,（6-4）,，,（6-7）,由式（6-6）得：,（6-8）,图6.3 桩顶反力的求取,图6.4 等效桩长的求取,下面是一个计算等效桩桩顶刚度系数的实例，如图6.5所示。,图6.5 等效桩桩顶刚度系数计算的实例,桩的直径，m 壁厚 cm（1in），打入深度为60.96m（200ft），海底土质为粘土。导管架的垂直构件的直径=1.2199m(4ft)，壁厚=3.810cm（1.5in）。水平和对角线构件的直径=0.8096m(2ft)，壁厚=1.27cm（0.5in）。,在外力作用下所得的节点力为：,首先把导管架看作为刚体，假定水平力均作用在两根桩上，则,任意假定为2712kN.m（2000ft.kips）,经过8 次迭代，则桩顶外力已经相等，最后求得：桩1-2,桩5-6,其中,三、应力校核 构件应力计算出来后，就需要进行规范校核，看结果是否满足结构设计规范中所容许的值。目前在我国工程实践中用得较多的是API-RP2A-WSD规范，它的许用应力标准主要基于AISO关于钢结构建筑物设计、制造与安装规范中的要求。,1.局部屈曲(1)采用钢制造的非加筋圆柱构件，由于轴向压力与弯矩的作用，当Dt60时，(D为构件名义直径，t为壁厚)，需要对局部屈曲加以考虑。(2)对于超过上述Dt值的构件，应确定在轴向压力与弯矩作用下的弹性局部临界屈曲应力，对于t=0.635cm(0.25in)以及Dt300的圆柱，可按下式估算：,（6-9）,式中，E为构件杨氏模量，C为弹性临界屈曲系数，为临界弹性局部屈曲应力。,C的理论值为0.6，然而考虑到初始几何缺陷，对于式（6-9）中的C建议取值0.8。,非弹性局部屈曲应力，可按下式确定：,（6-10）,式中 为材料屈服应力，单位为MPa（ksi）。,取 与 中之小者为临界局部屈曲应力，代替式（6-11）中的，就可确定构件的整体屈曲,（6-11a）,（6-11b）,式中，为有效长度系数，为构件长度（m），为惯性半径。,2.弯曲许用弯曲应力 可按下列诸式计算，式中的单位为MPa。,当 时,（6-12a）,当 时,（6-12 b）,当 时,（6-12c）,3.剪切（1）对圆柱构件的剪切应力为：,（6-13）,式中，为最大剪切应力，单位为MPa（ksi），为横向剪切力，单位为MN（kips），为截面积，,许用剪切应力为：,（6-14）,（2）由于扭转而引起的圆柱构件的最大扭转剪切应力为：,（6-15）,4.圆柱构件的合应力,考虑轴向压力与弯矩作用下的合应力。（1）受到压缩与弯曲联合作用的圆柱构件，在其长度上的所有点应满足下列两式:,（6-16）,（6-17）,式中，为许用轴向应力，为许用弯曲应力，为除以某一安全系数后的欧拉应力，为计算轴向压应力，为计算弯曲应力，为放大缩减系数，其值取决于由弯矩引起的梁挠曲线形状。,当时，可用下式代替以上两式；,（6-18）,在式（6-16）中，对 与 采用了相同的 与，若 与 值对 与 不同，则可用下式代替式（6-16）。,（6-19）,（2）对于泥线下的桩，同样可能存在屈曲。在桩的设计中，一般不会产生整体屈曲，但水平承载桩受到很大的轴向载荷时，应力计算中就应考虑载荷挠度（）的影响，通常可将桩作为非弹性基础上的梁来考虑，用下式校核；,（6-20）,式中 可从式（6-10）求得，但是 当 时，取为。,（3）对于受水平载荷作用的结构基础系统的过载分析，应采用以下相互作用方程校核。,（6-21）,式中，A为横截面面积m2，,为塑性剖面模数m2，,为考虑了 效应后，经非线性分析计算得到的轴向力和弯矩，为考虑应变硬化影响的临界局部屈曲应力，由式（6-10）计算，但极限值为1.2。,5.放大缩减系数,与剖面特性及作用在构件上的载荷有关，可按下列三种情况选择：,（1）0.85；,（2），但不小于0.4，不大于0.85,（3），如果小于0.85，则取为0.85,需要注意的是:为构件两端中较小的弯矩与较大的弯矩之比，当构件变形为反曲率时 为正值，但曲率时 为负值。,6.轴向拉力与弯曲的联合作用 圆柱构件在受到轴向拉力与弯矩的联合作用下，沿其长度的所有点上应满足是（6-17），此时 与 分别为计算的弯曲拉应力。,7.静水压力对于静水中的加筋及非加筋圆柱构件，其稳定性亦要加以计算，并考虑轴向拉力及轴向压力与静水压力的共同作用。静水压力的设计压头可按下式计算：,式中，为包括潮位的静水面下的深度，为波高，为静水深度，L为波长。,6.2 导管架平台强度的动力分析 早在1960年以前，平台深度还未超过30m的水深，在设计中认为平台是刚性的，结构的自振频率与波浪频率相比要大得多，此时动力载荷对位移的放大作用比较小，对于这种高度较小而刚性较大的结构，只要作静力分析就可以了。随着石油开采向深海发展，海上平台建造在深水域中，平台非常高，呈现出相当的柔性，它的自振频率与波浪频率相接近，此时动力载荷对位移的放大作用非常显著，假如只作静力分析就显得不够，必须考虑到动力放大作用，进行动力分析。,一、动力方程的建立 根据前述的平台结构建立数学模型。描述系统的模型是一个多自由度系统，由一组两阶微分方程来表示。通常假定平台结构为一个线性系统，因此这些方程是线性的。这里主要介绍线性分析方法。将导管架平台看作为由一系列管桩和撑杆组成，简化成一个线弹性杆件系统，结构的运动方程就可写成矩阵形式：,式中：为惯性力；为阻尼力；为恢复力。为外载荷矢量。为质量矩阵，为阻尼矩阵，为刚阵矩阵。、为节点加速度、速度、位移矢量。,图6-6 固定平台自振周期随水深的变化,平台结构的质量包括四个部分，即结构自重，设备自重，管内水质量和附加水质量。将这些质量分配到各个相应的节点上去，就构成了结构的质量矩阵，质量矩阵的具体计算，此处不予赘述。结构刚度矩阵的建立比较简单，采用标准有限元法将各杆件的单元刚度矩阵集总起来就可得整个结构的总刚度矩阵。而结构阻尼的确定则是一个相当困难的问题，一般来说，它不能用解析方法来计算，而是通过实验和实际结构的测量来获得。,海洋结构的阻尼主要来源于三个部分，即结构阻尼、动水阻尼和基础阻尼。通常，在工程中用临界粘性阻尼的百分数来表示阻尼。对于焊接的钢结构，结构振型阻尼通常取为2%。动水阻尼有两个来源，水波传播的辐射效应和振动结构与流体之间相对速度的影响。辐射阻尼比较小，通常小于1%。而相对速度效应产生的阻尼，已包括在分析之中。,土中能量的消散包括两部分：由于周期载荷作用，产生的滞变能量耗散，主要发生在紧靠桩的土中，由于弹性应力波自桩处向外传播，而产生的几何（或称辐射）能量耗散。当平台受到地震引起的地面运动作用时，则在分析中，阻尼的临界值建议取为5%。当平台处于极端环境条件下，而分析中又未包括相对速度影响时，可以取同样的值，即5%.,二、动力分析步骤对于方程（6-13），当作用载荷F(t)为周期载荷时，可进行结构的频域分析，而对于任意作用的随时间变化的F(t)，可对结构作时域分析。对线性运动方程，可以用模态分析法与随时间变化的分析方法求解。图6-7给出了结构确定性分析的主要步骤，它是解决大多数海上平台结构设计问题的标准方法。,图6-7 确定性分析法的求解过程,在平台分析中，外载荷主要是波浪力，一般按莫里森公式计算，式中拖拽力项含有速度平方，需作线性处理。就目前文献资料来看，有多种处理方法，可将拖拽力fD化为：,当海上出现风暴时，海况十分恶劣，平台的结构响应对波浪特性的选择十分敏感，此时确定性分析法不再适用，而采用随机谱分析方法来对平台进行动力分析，此处不再赘述。谱分析法的基本原理可参阅前面，图6-8为该法的具体步骤。在动力分析中也要考虑桩对导管架的影响，因为桩对导管架的运动起到约束的作用。利用导管架传至桩顶的内力可以确定等效桩的刚度，这和静力分析相同。,图6-8 随机分析法的求解过程,三、桩-土-结构动力共同作用在考虑动力共同作用时，正确地模拟结构的动力载荷、几何条件和材料特性至关重要，材料特性中，最主要的是土的动力性质。几何条件可用连续或离散模型。桩基动力分析的方法主要有三种，即集总参数法，弹性半空间理论解析解法和数值解法。,集中参数法将桩土系统离散为一组质量-弹簧-阻尼器模型，具有物理概念清晰，数学表达简单，易于应用的优点。不但可用于线性问题，而且可以通过调整弹簧参数及弹簧和阻尼器的形成与组成方式来处理非线性问题，因此可用于大应变的情况。但是，这种方法不能考虑波在土体中的传播特性，也就无法考虑辐射阻尼现象。图6-9所示为一典型的集总参数模型。,应用弹性半空间理论解析解法，是建立桩土系统的连续介质模型，用连续介质力学方法来分析桩的振动。此方法将土视为连续的各项同性的弹性体，首先求出土体对桩的阻抗函数，然后认为桩是埋置于半空间土中的弹性梁，列出桩动力运动方程，根据边界条件求出其解。该法能够考虑波在土体中的传播与消散，而辐射阻尼的影响，获得桩振动的解析解，便于人们分析桩振动的机理，易于计算，易于将结果制成图表，适用相当方便，但由于该方法在建立运动方程时及其求解过程中作了许多假定，因此具有较大误差，且无法解决复杂边界条件问题。图6-10所示，为一典型的受水平动力载荷作用的桩及其桩土系统的连续模型。,图6-9 桩动力响应的集总参数系统,图6-10 水平运动桩的外力与土阻力,数值解法是今年发展起来的，主要有：有限元法、边界元法、有限差分法与半解析无限元法等，具有很多的优越性。有限单元法将桩土系统离散成许多单元进行分析，在确定和满足土的边界条件后，建立运动方程并求得其数值解。该法能考虑土的非线性及复杂边界条件，具有通用性。但对于三维问题，则划分的单元相当多，计算工作量很大。图6-11给出了一个带有上部结构的典型桩土系统有限元模型。,边界元法具有划分单元少、精度高的优点，已逐步运用于桩土的动力反应分析。该法根据运动微分方程，建立边界积分方程，把域问题化为边界问题，再将边界划分为一系列单元，以满足边界条件，求出控制方程的解。,一般而言，桩土系统的动力反应，取决于系统的刚度、质量、阻尼特性，而平台的桩基动力载荷来之于上部导管架，桩头约束取决于上部结构的性质。当上部结构为柔性时，平台通常是在深水中，其外部动力载荷由平台动力特性控制，作用在桩头上的侧向力和垂向力受平台动力反应的影响很大，此时，桩头上的动力载荷的频率、幅值反映了平台系统的动力特性。而对于浅水中的平台，或者平台刚性较大时，则作用在桩头上的侧向力和垂相力由平台受到的环境力决定，平台特性只起次要作用，因而桩头上力的特性直接反映了环境力的频率、幅值等特性。,桩-土-结构共同作用相当复杂，在分析中要同时满足三者之间力的平衡以及位移 相容条件，而且要考虑土的动力非线性性质，更增加了问题的难度。,图6-11 桩土系统有限元模型,思考题,1、导管架理想化的基本思想是什么？2、为什么要对导管架平台进行强度动力分析？3、海洋结构阻尼的来源是什么？4、结构确定性分析的主要步骤是什么？,6.3 导管架平台地震反应分析随着海洋平台越来越多地建立在地震区，抗震分析显得非常必要。有些平台可以不作动力分析，但必须作地震反应分析。我国海域属于多地震区，唐山地震时渤海湾中的平台就发生了强烈振动。,一、平台抗震我国沿海为地震活跃区，因此对建造在海上的固定式平台必须进行抗震设计。与其他设施一样，将平台设计得能抵抗任何强烈地震是没有必要的，只要使平台抵抗一定的地震，在使用期间不出现明显的结构破坏就可以了。当几乎不可能发生的地震出现时，可以允许平台结构发生破坏，但不能倒坍。这就要求将平台设计得具有合理的尺寸，使结构构件具有抵抗一定地震的强度和刚度。,平台所受的地震力与其他动力载荷的输入机理不同，它是由于地面运动而将地震力传给桩，再从桩传到导管架。地震力的强度依赖于结构与基础的刚度，由于结构与基础单元的非弹性屈服或屈曲，因此当结构刚度较小时，地震力通常可以减小，这与其他环境载荷不同。,地震区海洋平台的设计问题是一个特殊的问题，应考虑到以下三个方面：（1）地震区的影响不仅由平台体系本身，而且由因振动引起的体系的反应振型决定；（2）应根据设计规范，满足强度、延性要求；（3）抗震设计中的结构反应力是由所选取的设计原则决定的，因此所采用的设计原则要能充分发挥平台构件和体系的强度和延性。,在一般术语中，一个构件或结构的延性可用下列比值来定义，即破坏时的变形/屈服时的变形。“变形”可通过挠度、扭转或曲率计量。在结构中，延性对于地震问题特别重要，因为，在非弹性范围内与延性相伴随的是强度增长。由于各国规范对地震计算的要求一样，下面就介绍我国海上固定平台入级与建造规范对地震载荷的求法。,规范中给出了设计烈度为7、8、9度的地震载荷计算，对于设计烈度高于9度的地震载荷则要进行专门的研究。“烈度”是地震结果的定性计量，指的是在规定地点处震动程度，7度时，地面加速度峰值约为100Gal(cm/s*2)；8度时，地面运动加速度峰值约为200Gal左右；9度时则约为400Gal。设计烈度一般采用所在海域的基本烈度。对次生灾害严重的平台和特别重要的平台，可将基本烈度提高1度作为设计烈度。,（2）平台的地震载荷主要为地震惯性力和动水压力。这些力的计算可采用如图6-12所示的地震响应谱进行。图中 为相应于平台计算方向自振周期为T秒时的动力放大系数；“场地土”系指平台所在地的土层，它分为三类：类场地土，微风化和中等风化的基岩；类场地土，除、类场地土的一般稳定土；类场地土，饱和松散的砂类土，软塑和极软状态的粘性土、淤泥等。,图6-12 地震响应谱,（3）地震惯性力可根据平台的质量分布，按单质点体系或多质点体系计算。当平台按单质点体系计算时，平台甲板处水平总地震惯性力PH为：,（5）求出水平向地震载荷，对平台结构最不利的主轴方向取载荷的100%，对与此主轴相垂直的水平方向取70%,对与水平面相垂直的方向取50%。用这个方向的地震引起的惯性力与静载荷相结合，同时作用在结构上，作为静力问题对平台进行分析。,从(6-28)式中可以看出：与(6-23)的动力方程相似，只是右端的外载荷不同，(6-23)式中主要为波浪力，而(6-28)式中为地震力。对于式(6-28)，可以用振型分解法或直接解法。振型分解法是把多自由度体系的结构整体振型分解为振型次数相对应的单自由度体系的地震反应，然后进行叠加求出结构的整体反应的方法，仅限于弹性分析。现在一般采用反应谱振型分解法作为平台地震反应分析的主要方法。反应谱可以是位移，速度及加速度谱，API-RP2A给出的是加速度谱。,位移反应求得后，便可用一般结构力学方法解出各单元端点的内力和应力反应了，参考文献52为“南海一号”的实例计算。直接解法即为时间历程法，根据加速度、速度、位移的连续记录来代替它们的谱作为地面运动输入可以考虑非线性问题，已得到推广应用。,三、强度与延性要求 强度要求就是要保证平台结构在使用期内，在不超过预期的地震载荷作用下，平台或其基础不发生严重破坏。地震标准的选择受海洋环境条件的影响，当地震与海洋环境条件都十分恶劣时，相互作用的影响就非常显著。它以两种主要方式表现：(1)对于有两个恶劣环境条件，则每个设计烈度都应高于只有一个环境条件存在时是 合理的烈度，以确保平台结构有一定的总安全度。,(2)由于地震而产生的作用于平台的诱导力，至少从某种程度上讲，与结构和基础系统的刚度成比例，因此，随着用于抵抗海洋环境力的结构和基础刚度的增加，则在一定强度的地震下平台中的诱导力也增加。在构件应力的计算中，由于地震诱导力产生的应力要与由重力、静水压力和浮力所产生的应力进行组合，因此许用应力可以提高70%。对于桩土特性及桩的设计要求则要作专门的研究，从而使结构不发生显著破坏。,延性要求是确保平台具有充分吸收能量的能力，避免在台址处发生概率极小的偶然强烈地震时，平台发生倒榻破坏。一般认为，合理的延性要求，应使结构与基础系统可以吸收至少4倍于强度设计要求中结构所能吸收的能量。,计算能量吸收时，对于基础系统(包括桩与近场土，但不包括自由场土)，当变形足够大时，则在重力载荷作用下，会引起构件破坏，从而使结构出现不稳定，此时就要考虑由于结构与基础的弹性与非弹性变形而产生的P-的影响。在某些情况下，基础系统是吸收能量的主要部分，此时要校核用于模拟近场土与桩之间轴向与水平向相互作用的近场单元，以免过低地估算在实际地震条件下由基础传给上部结构的传递力。,对于平台中用得很多的管形构件，其延性和吸能能力很大程度上依赖于D/t的比值。对于那些易受碰撞的部位，管件的极限D/t可以采用8962/F，(F的单位为MPa)。谢尔曼认为：当管构件的D/t为48时，具有相当大的延性(为屈服时变形的3至10倍)；当D/t为57时，管予具有上述相似的特性，但塑性余量较为有限；而D/t为77至102时，则管子延性较小，在达到屈服后不久，就产生局部屈曲破坏。,为了提高平台的吸能能力，可采取下列措施(1)加强主要构件连接处的强度；(2)在结构与基础中，应当有一定的强度余量，使在地震中主要构件损坏后，还能进行载荷重分布；(3)在总体设计图及详图中，应避免引入会使刚度和强度产生急剧变化的构件；(4)避免选用在强震载荷下虽脆性的材料；(5)要考虑到由地震运动引起的相反方向的载荷影响。,另外要提一下，地震载荷作用下平台的反应是一个桩-土-结构的动力相互作用问题，既要分别考虑三者，又要将三者作为一个整体加以分析，且与波浪力作用下的动力相互作片有所不同。,6.4 导管架平台在运输、下水及安装过程中的受力分析 导管架在岸上制造完毕后，一般采用运输驳船运至海上施工现场，然后进行下水、扶正定位、打桩等施工，并最后安装上部甲板结构，此时整个导管架才算建造完毕，如图613所示。在这个运输安装过程中，导管架将受到严重的施工载荷，所以必须进行相应的应力校核，以确保平台的施工建造安全。,图6-13 导管架的运输、下水过程,CCS浅海固定平台规范,一、导管架在海上运输过程中的受力分析导管架在驳运过程中，驳船-导管架组合体在波浪的作用下会产生运动，而使导管架受到惯性载荷，如图6-14所示。这些惯性力与重力、风力等的组合作用，可能使某些构件，尤其是导管架与驳船之间的固定连接构件产生很高的应力，这些构件一旦破坏，将会产生严重事故。,图6-14 导管架运输过程中的受力情况,在目前工程实践中，一般是先进行驳船-导管架组合体的运动分析，并采用统计的方法计算出运动的统计值，例如 然后求出导管架的惯性力。得到惯性力后，可以用静力的方法计算导管架在风力、重力、惯性力作用下的强度，尤其要注意校核导管架与驳船之间的固定连接构件的应力。,二、导管架下水过程中受力分析导管架在下水驳船的摇臂中下滑时，将受到惯性力、重力、浮力和阻力的作用，如图6-15所示。尤其要指出的是，在下水过程中，导管架的所有重量都集中在摇臂上，这将会使得与摇臂接触的构件和下水支撑构件处于高应力状态。因此一般都必须进行下水应力校核，其方法与驳运过程的应力分析相同。至于如何计算导管架在下水过程中的运动，则可参阅有关文献。,图6-15 导管架下水过程的受力情况,三、吊装过程的受力分析在海上吊装上部甲板结构和吊装小型导管架时，吊眼和直接与吊眼相接的构件将会出现很大的集中力。此外，还应考虑结构由于浮吊的运动而产生动力载荷以及其它因素引起的附加载荷(例如四根吊索受力不均匀等)，如图6-16所示。对于以上的不利因素，目前在设计载荷中是采用加放载荷系数的方法来考虑，即设计载荷等于所算得的静载荷乘上载荷系数。根据API规范的规定，在无遮蔽的开敞海域中进行海上,吊装时，对吊眼和直接与吊眼连接的构件，所加的载荷系数不应小于2.0，其余构件不应小于1.35。在有遮蔽的近海海域中进行吊装时，则相应于上述的两种情况，其载荷系数不应小于1.5和1.15。,图6-16 海上吊装过程的受力情况,6.5 混凝土重力式平台强度分析简介重力式平台的设计必须满足安全与功能两个方面的要求：(1)安全要求：使平台在建造、运概、安装、作业等各个阶段都具有一个可以接受的安全水平；(2)功能要求：使平台结构满足各种特定的功能和正常的使用要求，混凝土重力式平台一般都有一台多用的特点，既可用于钻井、采油、生产，又可用于贮油和系泊等。海上混凝土重力式平台结构除了安全性与功能要求与陆上结构不同外，在环境载荷和结构尺寸方面也有很大的区别。对于重力式平台而岩，强度、材料质量与耐用性是结构设计的主要要求，本节就强度分析作简要介绍。,一、重力式平台结构强度的静力分析 1设计载荷 作用在重力式平台上的载荷，与导管架平台一路包括固定载荷、活载荷、环境载荷和偶然性载荷(如碰撞、爆炸、宜物下落的冲击等)。重力式平台的主要环境载荷是波浪载荷和风载荷，其中波浪载荷又占了主要部分，在确定波浪载荷时，可将重力式平台分为两部分，一部分是腿柱，另一部分是沉箱(罐体基础)。对于腿柱，当其直径与波长的比小于1/5时，可当作小直径物体，按莫里森公式计算波浪力；对于沉箱，因为直径很大，会产生波浪的绕射作用，此时应当作大物体，用三维的源汇分布法来计算波浪力，关于这方面的内容请参阅有关海洋工程流体动力学的书籍。,风载荷的计算与导管架平台一样。对于环境载荷，一股都按100年一通的海洋环境条件进行计算。对于上述的各类载荷也应按各种可能同时作用于平台的最不利的情况进行载荷组合。例如，校核平台的水平滑移稳定性时，最不利的设计载荷组合应取最小的垂直载荷和相应的最大水平载荷的组合；又如在校核平台地基的承载能力时，则应取得最大的垂直载荷与相应的最大水平载荷进行组合。在进行载荷组合时，应注意“合理”和“同时作用”，而不可笼统地将最危险的载荷组合在一起。,2材料强度 重力式混凝土平台的主要材料是钢筋混凝土，这里主要介绍混凝土材料。混凝土的主要成份是水泥、水、骨料和少量的添加剂。水泥一般可采用高炉水泥或波特兰水泥，水泥中的铝酸钙含量应控制在5至10之间。水不可采用含氯离子高的海水。骨料应具有足够的强度和耐久性，且要有良好的级配，不合反应物质。添加剂中亦不能含有腐蚀性较强的有害物质。海洋平台混凝土要求具有足够的抗化学和物理腐蚀。混凝土中水泥含量不少于300kg/m3，在飞溅区为400kg/m3。混凝土的抗压强度一般用150 x 300mm的圆柱试件求得的28天特征强度fck，或用其它得到公认的公式确定。,3 结构的理想化和应力计算在强度静力分析中，平台的腿柱和甲板可用空间刚架来代替，并与沉箱刚性连接。由于沉赖与腿柱相比其刚度大得多，因此沉箱可用水平和倾斜的刚性梁来模拟。为了减少计算工作量，由对称性和长峰波的假定，结构模型可用二维来考虑，即结构模型只局限在一个平面(XZ平面)内变形，如图6-17所示。此时每个结构节点只有三个自由度，即二个线位移和一个角位移，对于土壤基础与结构的相互作用可用二个线位移弹簧(或称减振器)和一个转动弹簧来考虑，这些弹簧的刚度系数可通过基础分析求得。,图6-17 二维模型,为了使问题有更精确的描述，也可以来用三维的结构模型，此时每个节点有6个自由度，土壤基础与结构的相互作用则可用三个线位移弹簧和三个转动弹簧来表示，这个模型可适用于任何方向的入射被。如图6-18。建立了结构模型后，通过有限元分析即可得到各节点的位移和构件应力。目前，一般可按我国现行的“钢筋混凝土结构设计规范”或其它有关规范进行构件应力和稳定性的校核。当平台置于较深的海域时，对于沉箱罐体的薄壳体结构，除了进行壳体应力计算外，还应考虑壳体结构在较大静水压力作用下的稳定性问题，因为失稳往往是处于深水中混凝土薄壁结构的主要破坏形式。由于重力式平台通常用于贮油，因此还需考虑罐体内外的温差，进行温差应力计算。,图6-18 二维模型与三维模型的比较,二、混凝土重力平台的动力分析波浪载荷和地震载荷具有动力特征，且起控制作用，因此必须对混凝土重力平台进行动力分析。,(1)把平台作为单自由度系统，按等效静力法计算，将载荷动力放大。(2)把平台作为多自由度系统将载荷作为瞬变载荷，按瞬时反应进行分析。(3)谱动力疲劳分析法，可同时考虑结构的瞬时反应与循环载荷作用下结构的疲劳特点。其中第1中方法误差较大，方法2不能反应疲劳特性，方法3还未完全实用。,三、重力式平台的地基和基础 重力平台的地基一旦破坏，将使平台倒塌。由于波浪力的作用，引起地基作用力的不断变化尤其是周期性的往复振动，对于地基性能的稳定十分不利。重力平台地基可能发生破坏的形式一般有三种，即承载力破坏、水平滑移和倾覆。平台承载力破坏的模式主要有三种：(1)局部剪切破坏。破坏直接发生于基底，滑动体一般为开始于基底边缘的楔形块体；(2)整体剪切破坏。破坏时具有一个完整的、确定的破坏面，常发生在基础埋置较浅的密实砂土层中；(3)冲剪破坏。一般发生于基础埋置较浅的松散土中，尤其在平台下沉至海底的瞬间。,地基的最大垂直承载力可按4.5节中基础的承载力计算法计算，为使基础稳定，应使得在设计栽荷条件下，基础对地基作用的平均有效应力 满足：Q（6-37）式中Q为地基承载力。由于平台上作用有水平力，使平台有倾覆的可能，当由水平力产生的倾覆力矩大于由平台基底上垂直合力产生的抗倾覆力矩时，结构就产生倾覆，导致毁坏，一般对于基底面积较大的平台，倾覆破坏往往不是主要的，而当基底面较小，平台又无大的垂直力时，则必须对倾覆稳定性进行校核。关于重力平台的滑移可参见本书4.5节。由于重力式平台基础周围的土壤性质随动力载荷的变化而改变，因此事实上重力平台的强度分析是一个土壤-基础-结构的动力相互作用问题。,四、重力式平台拖船、安装受力分析 重力式平台一般在靠岸边的遮蔽深水区中完成建造，拖至安装地点露几无，然后在安装地下沉，定位于设计位置。为了使平台能安全拖航、安装，必须对平台在此过程中的稳性进行验算。1施航稳性与船舶一样，当重力平台漂浮在水面时，受到环境力的作用，也具有初稳性与大倾角稳性性问题，但由于其长，宽方向尺度基本相等，因此无纵倾与横顿之别。在拖航过程中，应用模型试验确定拖轮的数量和布置，以及拖缆的作用力。,2安装平台的安装对平台的寿命有很大的影响，平台拖运至海上安装点后，一般可用加入海水压载的方式使平台下沉，下沉速度要精确控制。当巨大的沉箱顶面沉没时，由于平台水线面积变小，稳心高度损失很大，此时平台虽易倾覆。在安装过程中，必须对结构进行监测。,