海洋平台结构与强度-第4章-自升式海洋平台强度分析-1

自升式海洋平台强度分析海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析2海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析3平台型式：自升式钻井平台设计：中船总上海708研究所建造：大连造船新厂建造时间：1998年船级：CCS5/5Self-elevatingDrillingUnit海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析4海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析5海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析64.1自升式平台的典型工况4.2着底工况下的平台总体强度4.3桩腿局部强度计算4.4拖航状态下桩腿的动力分析4.5实例分析本章主要内容海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析74.1自升式平台的典型工况•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•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，所以在计算平台结构强度时就必须考虑各种不同的工作状态，才能保证安全海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析8【CCS】海上移动平台入级与建造规范(2005)4.2.1设计工况4.2.1.1自升式平台的强度分析应至少考虑以下设计工况：正常作业工况、迁移工况、升降工况和自存工况。必要时，还应对事故工况予以特殊考虑。设计时，应对迁移工况、升降工况和自存工况予以特别关注。4.2.1.2正常作业工况系指在规定的环境条件下，自升式平台满载并升到预定标高进行正常作业时的状态。4.2.1.3迁移工况系指自升式平台进行迁移过程中的状态，可分为油田内迁移工况和远洋迁移工况。4.2.1.4升降工况系指自升式平台升降桩腿，预压及升、降平台主体时的状态。4.2.1.5自存工况系指极端环境条件下，自升式平台不能继续作业，但可通过调整可变载荷或放弃部分载荷以及其他措施以达到某种较为安全的状态。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析94.2.2设计载荷4.2.2.1每种设计工况均应考虑静载工况和静载荷与环境载荷相组合的工况。【CCS】海上移动平台入级与建造规范(2005)4.2.2设计载荷海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析10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.着底状态迁移工况升降工况正常作业工况自存工况海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析11海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析12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，这时船体漂浮在海面上，桩腿升到船体之上，由于受到风浪的作用，船体也将如船舶一样产生摇摆运动。•这时船体受到重力，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，当船体的纵摇或横摇的角度较大时桩腿因倾斜又对根部产生根大的桩腿重力力矩。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析13放桩和提桩状态•放桩是指桩腿伸向海底下方，提桩是指桩腿拔出海底之后向上提升，这时船体仍飘浮在海面上•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摇摆时，桩腿也随着摇摆使桩腿上部（接近船底底部）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，桩腿根部也将产生较大的动应力。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析14插桩和拔桩状态•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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析15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•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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析16着底状态•着底状态包括满载风暴不作业（自存）和满载作业（正常作业工况）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。•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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析17自升式平台强度校核内容•原则：根据不同工况下平台的受力特点，选取总体和局部结构（船体、桩腿及固桩区）在最不利的工况下进行强度校核海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析18•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•如在着底状态中有满载风暴工况和满载作业工况。由于前者条件更为严重，一般就以这个工况作为设计工况•拖航状态也有满载拖航和轻载拖航•在设计工况的选取中对甲板变动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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析194.2着底工况下的平台总体强度•平台着底状态的总体强度计算是基本的强度计算•需要确定桩腿可能受到的最大载荷，平台着底的整体稳定性•确定平台的侧向位移，并进行船体弯曲强度和桩腿的整体屈曲强度的计算着底状态正常作业工况自存工况海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析204.2.2.2正常作业工况：（1）静载荷包括平台重量、所有固定装置、供应品和压载重量以及作业载荷；（2）环境载荷取操作手册中正常作业允许的最大风、波浪、海流要素或载荷以及海床支承力。【CCS】海上移动平台入级与建造规范(2005)4.2.2设计载荷4.2.2.5自存工况：（1）静载荷为适应自存状态的平台重量、固定装置、供应品和压载重量等；（2）环境载荷取操作手册中规定的平台自存时的最大风暴条件。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析21（1）平台的结构理想化•整个平台理想化为空间刚架•船体：板架处理；有时候也处理为箱型梁（梁元）或平面板架（梁元）或空间薄壁结构（板膜元）•桩腿（圆柱壳桁架型）：相当杆件（梁元）•边界：桩体上端与船体刚性连接，下端为铰支或弹性支承海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析22空间刚架模型及下端边界海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析23桩腿下端边界条件的处理•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•偏于保守（桩腿的弯矩全部集中于桩腿与船体的连接处）•实际：海底基础对桩腿是有转动约束，这种约束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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析24海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析25•海底基础对桩腿的转动约束可用一个转动弹簧来表示•转动弹簧的刚度系数取决于：海底土壤的特性，插桩深度和桩脚箱的形状等海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析26（2）环境载荷计算•设计工况：满载风暴工况(不钻井)•环境载荷的搜索原因：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目的：确定最大的环境载荷，并以此环境载荷和甲板载荷叠加，进行总强度计算海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析27风载荷•计算受风构件在不同风向的投影面积、形状系数、高度系数、风压值、风力作用高度•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度到180度之间取6至7个风向角进行计算海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析28波浪载荷•考虑不同的波向角•选定不同的波峰位置(波峰相对于平台总坐标的位置)•选取若干个波向角，而对每一波向角又取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•风力与波浪力进行合成，确定出最大的环境载荷海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析29“南海一号”自升式平台风和波浪引起的水平力和倾覆力矩环境条件是风速59m／s(115kn),浪高16.6m，波浪周期13s，流速1.4m／s海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析30海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析31海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析32海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析33海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析34思考题1、请画出单根锚链的静力图，并写出悬链线方程（不要求推导）。2、请解释自升式平台正常作业工况、迁移工况、升降工况和自存工况的含义。3、自升式平台的工作状态有哪些？海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析35上节内容回顾悬链线分析法悬链线是指一种具有均质，完全柔性而无延伸的链或索自由悬挂于两个定点时所形成的曲线一般移动式平台的锚链，由于本身有拉伸和受到海流力的作用，与理论上的悬链线并不完全吻合实用上仍常用悬链线来描述链的特性而略去流力和弹性伸长的影响。在初步设计时有足够的正确性海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析36上节内容回顾海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析37上节内容回顾TTTTTwldhdsHOVcossintanaldsdhwTaOdudsau112udhdssinh1usadhdssasinhhasacosh1悬链线基本方程的导出过程halasasa(cosh)sinh1悬链线方程海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析38上节内容回顾•根据上式，并通过力的平衡条件可得给定状态下锚链各状态参数之间的关系式在水深h和锚链的单位长度重量给定下，给出悬链线参数a便可决定全部锚链状态！海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析39上节内容回顾计算模型•每根锚链可看作是连接在平台着链点上的一根非线性弹簧•整个锚泊平台系统的计算模型可看作为由若干按一定方向布置的非线性弹簧支持的刚体平面运动体系•考虑水平力锚泊力的静力计算海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析40上节内容回顾建立平台锚泊系统的刚度方程思路：海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析41上节内容回顾开始读入原始数据计算在水深H的基本悬链曲线计算锚泊系统地刚度矩阵计算平台参考点位移增量确定平台新的位置计算各链的位移计算各链的悬链特性计算系泊力合力与外力的误差系泊力合力及力矩累加误差EPS计算新平衡状态的悬链状态特性输出悬链状态特性结束锚链根数循环锚泊力静力计算框图海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第四章自升式平台强度分析42上节内容回顾自升式平台的强度分析应至少考虑以下设计工况：正常作业工