海洋平臺樁基設(shè)計(jì)方案

1、樁基設(shè)計(jì)第1頁第五章 樁基設(shè)計(jì)樁基是用來支承甲板荷載和抵抗環(huán)境荷載結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮樁對軸向荷載和水平荷載承載能力。樁對水平荷載承載能力是由樁截面抗彎強(qiáng)度或允許水平變位值決定。樁軸向承載能力來自樁周圍土壤對樁側(cè)表面所產(chǎn)生摩擦阻力和樁底端土壤對樁產(chǎn)生支承阻力。第2頁第一節(jié) 樁基分類一、按施工方法分類打入樁基礎(chǔ)（兩級套管樁）鉆孔灌注樁基礎(chǔ)鐘型樁基礎(chǔ)打入樁最簡單，費(fèi)用最低，是海洋工程中優(yōu)先選取一個(gè)樁基，鉆孔灌注樁和鐘型樁普通在不得已情況下采取。實(shí)際工程中采取何種樁基主要考慮土質(zhì)條件、樁用途、樁承載能力、地基類型及施工條件等第3頁二、按支承性狀分類摩擦型樁：樁頂豎向荷載全部或主要由樁側(cè)摩阻力來承受。又

2、可分為純摩擦樁和端承摩擦樁。端承型樁：樁頂豎向荷載由樁端阻力承受。又可分為端承樁和摩擦端承樁。大多數(shù)情況下，樁承載能力主要是由樁身摩擦阻力提供，其承載能力隨樁身表面積增大而增大。所以，摩擦型樁是近海工程樁基慣用形式。第4頁第二節(jié) 單樁軸向承載力計(jì)算一、受壓樁軸向承載力計(jì)算方法受壓樁軸向承載力主要取決于樁本身材料強(qiáng)度和樁周土壤對樁支持能力。樁承載能力估算方法：靜力法、動(dòng)力法、靜載試樁法。第5頁1. 靜力法樁頂軸向荷載由樁身表面摩擦力和樁端支撐力共同負(fù)擔(dān)：第6頁1）粘性土樁測摩阻力fs和樁端阻力qp2）沙性土中樁測摩阻力fs和樁端阻力qp第7頁2. 動(dòng)力法動(dòng)力法包含動(dòng)力打樁公式、波動(dòng)方程和動(dòng)力試驗(yàn)

3、3種方法。當(dāng)前海洋工程中應(yīng)用較多是一維波動(dòng)方程法。打樁公式：第8頁一維波動(dòng)方程法第9頁3. 靜載試樁法靜載試樁是在工程現(xiàn)場直接對樁頂加載，測試土對樁阻力?；居挚煽糠椒?。但伴隨海洋工程向深海發(fā)展，規(guī)模擴(kuò)大，海上試樁極難實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用很高。第10頁確定受壓樁承載力方法比較：靜載試樁法：最可靠，但費(fèi)用高，水深大時(shí)困難一維波動(dòng)方程法：有效，應(yīng)用廣泛。打樁公式：存在顯著缺點(diǎn)，應(yīng)用極少。靜力法：最慣用一個(gè)簡單方法。第11頁二、打入成層土壤中受壓樁承載力計(jì)算第12頁第13頁三、開口鋼管樁樁端閉塞效應(yīng)開口樁打入海床早期土壤隨樁貫入不停進(jìn)入樁內(nèi)，因?yàn)闃秲?nèi)壁與土壤之間摩擦力，進(jìn)入樁內(nèi)土壤被壓密。當(dāng)摩擦力增大到超出樁

4、端土擠入力時(shí)，樁內(nèi)土壤上升非常小，樁端形成閉塞狀態(tài)。管內(nèi)土壤像“塞子”一樣把樁端堵住，土壤在管內(nèi)形成塞子稱為“栓塞”，栓塞對樁端阻力影響稱為閉塞效應(yīng)。第14頁考慮開口樁閉塞效應(yīng)，式（5-1）改為以下形式：第15頁第16頁第17頁四、受拉樁抗拔力計(jì)算1. 單樁抗拔力計(jì)算開口鋼管樁，計(jì)算受拉時(shí)抗拔力普通假定樁端阻力為零，但要考慮樁體有效重量2. 拔樁力計(jì)算上式計(jì)算拔樁力再乘以一個(gè)大于1系數(shù)，該系數(shù)普通取23，以此作為設(shè)計(jì)拔樁力。第18頁第四節(jié) 群樁效應(yīng)與荷載分布當(dāng)組成群樁各個(gè)單樁間距較小時(shí)，因?yàn)橄噜徬嗷プ饔?，普通群樁承載能力和變形特征要受到影響，這種影響通常稱為群樁效應(yīng)。第19頁一、軸向荷載作用下

5、群樁效應(yīng)1. 承載能力群樁總軸向承載能力可用下式估算打入砂土中群樁取 ，打入粘土中群樁取當(dāng)樁距s3D時(shí)，必須考慮群樁效應(yīng)；當(dāng)s3D時(shí)，可按整體深基礎(chǔ)計(jì)算2. 沉降軸向荷載作用下不論打入砂土還是粘土中群樁，沉降都大于群樁荷載均布到單樁上引發(fā)沉降量。第20頁二、橫向荷載作用下群樁效應(yīng)不論打入沙土中群樁，還是打入粘土中群樁，其群樁變形通常都大于作用于群樁荷載均分到孤立單樁上引發(fā)單樁變形。第21頁三、群樁軸向力計(jì)算第22頁第三節(jié) 單樁橫向承載力計(jì)算樁橫向承載力與以下原因相關(guān)：樁入土深度樁截面強(qiáng)度和抗彎剛度樁頂和樁底嵌固條件載荷性質(zhì)有沒有軸向載荷同時(shí)作用樁周圍土強(qiáng)度與變形性狀上部結(jié)構(gòu)物特征普通分別按剛性

6、樁和柔性樁計(jì)算。第23頁一、樁破壞性狀和分類1. 橫向荷載作用下單樁破壞性狀受力情況：樁在橫向荷載作用下樁頂產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角，樁身出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，樁前土體受側(cè)向擠壓。破壞情況：樁身因?yàn)楹奢d產(chǎn)生彎矩過大而斷裂樁周土被擠出，從而造成樁整體轉(zhuǎn)動(dòng)、傾倒或樁頂位移過大1）剛性樁破壞2）半剛性樁破壞3）柔性樁破壞彈性樁第24頁2. 橫向載荷作用下樁相對剛度、相對樁長相對剛度：反應(yīng)樁剛性特征與土剛性特征之間 相對關(guān)系；間接反應(yīng)土抗力模量Es隨深度改變性質(zhì)。水平地基系數(shù)沿深度為常數(shù)地基，樁相對剛度系數(shù)為：水平地基系數(shù)隨深度線性增加地基，樁相對剛度系數(shù)為：相對樁長：樁打入土中深度與相對剛度系數(shù)比值：相對樁長反應(yīng)

7、樁剛度特征，可依據(jù)相對樁長把樁分為剛性樁或彈性樁。Zmax4為彈性長樁，4 Zmax2.5為中長樁， Zmax3s時(shí)，對導(dǎo)管架管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。第49頁第二節(jié) 設(shè)計(jì)計(jì)算模型導(dǎo)管架是空間桿系結(jié)構(gòu)，它承受結(jié)構(gòu)本身及工藝設(shè)備等垂直荷載和由風(fēng)、波浪、地震、冰、海流等環(huán)境荷載引發(fā)水平荷載。受力分析時(shí)，通常選取結(jié)構(gòu)計(jì)算模型有整體分析計(jì)算模型和分部分析計(jì)算模型。第50頁一、整體分析計(jì)算模型把導(dǎo)管架和樁視為一個(gè)整體建立三維空間框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，編制計(jì)算機(jī)程序，分析整個(gè)結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境荷載和使用荷載作用下，并考慮結(jié)構(gòu)-流體-基礎(chǔ)相互作用，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)力。該方法分析工作復(fù)雜，需要高容量計(jì)算機(jī)，普通適合用于深水結(jié)構(gòu)分

8、析。第51頁二、分部分析計(jì)算模型用于淺水不太復(fù)雜導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，通常采取簡化分析方法：把導(dǎo)管架與樁基在泥面處罰開，對泥面以上導(dǎo)管架和泥面以下樁基分別建立計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。泥面以上部分是含有基樁支座空間桿系結(jié)構(gòu)，泥面以下部分是埋置于土中樁。基樁支座是二者結(jié)合點(diǎn)。經(jīng)過計(jì)算和迭代分析，使在泥面處位移和內(nèi)力相容。第52頁兩種計(jì)算模型比較：整體分析計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)與桿件數(shù)目較多，計(jì)算工作量大。如考慮樁變位土反力非線性計(jì)算，則工作量更大。分部分析計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)與桿件數(shù)目較少，且采取線性結(jié)構(gòu)分析方法計(jì)算工作量小。對樁分析，假如有些樁截面相同還可大幅度降低計(jì)算工作量。推薦使用分部分析計(jì)算模型。第53頁第三節(jié) 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

9、靜力分析導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)受力分析是個(gè)復(fù)雜過程，工程中廣泛采取有限元分析方法，把結(jié)構(gòu)模擬為二維或三維框架結(jié)構(gòu)，用計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移。第54頁一、有限元方法分析導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基本概念第55頁結(jié)構(gòu)分析基本假定導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)靜力分析是基于線彈性理論，假定：（1）材料是線彈性，單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間保持線性關(guān)系（2）各單元或結(jié)構(gòu)變形與整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相比很小，可應(yīng)用疊加原理。第56頁2. 基本方程第57頁二、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)靜力分析1. 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型建立（1）單元與節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)：對于泥面以上桿件，凡桿件交叉點(diǎn)、集中荷載作用點(diǎn)、桿件橫截面改變點(diǎn)、樁與泥面交接點(diǎn)普通都應(yīng)設(shè)為節(jié)點(diǎn)。泥面以下樁基上設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置兩

10、個(gè)垂直于樁身彈簧，代替樁土相互作用。單元：連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件視為一個(gè)單元，普通取導(dǎo)管架構(gòu)件單元為梁單元，傳遞軸力、彎矩和剪力。樁普通作為獨(dú)立單元，若樁視為若干彈簧支撐，則彈簧視為節(jié)點(diǎn)，樁劃分為若干單元。第58頁（2）坐標(biāo)系統(tǒng)通常采取兩種坐標(biāo)系統(tǒng)：整體坐標(biāo)系（結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系）：空間固定任意坐標(biāo)系，用x，y，z表示局部坐標(biāo)系（桿件坐標(biāo)系）：用于表示局部構(gòu)件坐標(biāo)系統(tǒng)，用S1，S2，S3表示結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)系與桿件局部坐標(biāo)系均取為右手坐標(biāo)系統(tǒng)。第59頁對任意空間桿件，桿端節(jié)點(diǎn)有3個(gè)線位移和3各角位移共6個(gè)位移分量，桿端力也有3個(gè)力與3個(gè)力矩共6個(gè)分量。第60頁2. 計(jì)算剛度矩陣按分部分析計(jì)算模型對導(dǎo)管架和樁分別

11、進(jìn)行計(jì)算，即分別建立桿件坐標(biāo)系下樁基剛度矩陣和空間桿件剛度矩陣。1)樁基剛度矩陣2)空間桿件剛度矩陣第61頁3. 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣前面計(jì)算了桿件坐標(biāo)系統(tǒng)剛度矩陣，為了把各桿件剛度矩陣聚集成結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系統(tǒng)下剛度矩陣，需要對桿件坐標(biāo)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)軸矩陣T桿件坐標(biāo)系下桿端力與節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系為：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：代入得結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下桿件剛度矩陣：第62頁4. 直接剛度法解節(jié)點(diǎn)位移與桿端力每個(gè)桿單元在結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下剛度矩陣Ke求出后，即可聚集成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣K，它是將各桿件按總自由度編號為下標(biāo)剛度系數(shù)相疊加而成6n6n矩陣。為了求結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力，需將基樁約束剛度矩陣KPH疊加到結(jié)構(gòu)總剛度矩陣K對應(yīng)位置上

12、，經(jīng)過約束處理后結(jié)構(gòu)剛度矩陣為Kr，則：KrD=P式中D為全部節(jié)點(diǎn)位移向量，P為節(jié)點(diǎn)荷載向量。求結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移公式為：D=Kr-1P結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下，節(jié)點(diǎn)位移產(chǎn)生桿端力：Fe=KeDe桿件坐標(biāo)系下，節(jié)點(diǎn)位移產(chǎn)生桿端力：假如桿件上作用有分布荷載，則桿件坐標(biāo)系下桿端力為：第63頁桿件斷面要素確實(shí)定桿件斷面要素：桿件橫截面面積A，有效剪切面積Ay，Az，截面慣性矩Iy，Iz及極慣性矩J型鋼截面：截面積和慣性矩查型鋼表，工字型截面桿件有效面積可取腹板面積。圓管桿件：截面為圓環(huán)，按公式計(jì)算。導(dǎo)管與樁之間環(huán)形空間用水泥砂漿填充情況：假設(shè)水泥砂漿只起連接作用，不參加抵抗荷載，桿按雙壁管計(jì)算，將內(nèi)外管各自斷面面積、

13、慣性矩等相加即可。第64頁第四節(jié) 導(dǎo)管架構(gòu)件強(qiáng)度校核規(guī)范普遍采取許用應(yīng)力法我國海上固定平臺入級與建造規(guī)范要求，在工作環(huán)境條件和施工條件下，構(gòu)件材料許用應(yīng)力值按表6-2選取。在極端環(huán)境條件下各種荷載組合后許用應(yīng)力可提升1/3；計(jì)算地震荷載時(shí)，構(gòu)件許用應(yīng)力可提升70%。第65頁圓管構(gòu)件強(qiáng)度要求和計(jì)算公式一、軸向應(yīng)力（表6-3）二、剪應(yīng)力（表6-4）三、環(huán)向應(yīng)力（式6-79）四、折算應(yīng)力（表6-5）第66頁第一節(jié) 概述圓管構(gòu)件是一個(gè)非常有效構(gòu)件型式，它能很好承受軸向拉力或壓力，彎矩或扭矩，內(nèi)力或外力。本章主要介紹無加強(qiáng)圓管構(gòu)件在各種荷載作用下強(qiáng)度和穩(wěn)定問題，以及按現(xiàn)行平臺規(guī)范計(jì)算方法，以滿足強(qiáng)度和穩(wěn)

14、定性要求。第67頁第68頁一、 圓管構(gòu)件特征1. 優(yōu)點(diǎn)第69頁2. 缺點(diǎn)第70頁二、鋼管材料和類型1. 鋼管材料導(dǎo)管架平臺材料選擇決定于鋼材強(qiáng)度、韌性、抗疲勞、抗腐蝕以及加工和焊接性能。強(qiáng)度：平臺構(gòu)件通常采取普通和中等強(qiáng)度鋼材制造，高強(qiáng)度鋼即使重量輕，不過韌性較差，需采取特殊焊接工藝。近海工程選取鋼材屈服強(qiáng)度小于420MPa。選取鋼材應(yīng)含有良好成形性和可焊性。對設(shè)計(jì)環(huán)境條件含有良好斷裂韌性。鋼材等級選擇，應(yīng)依據(jù)構(gòu)件類別、構(gòu)件厚度和人工設(shè)計(jì)溫度按我國平臺規(guī)范要求選取。各等級鋼材允許使用最大構(gòu)件厚度可依據(jù)構(gòu)件類別和最低設(shè)計(jì)溫度按表8-1確定。第71頁2. 鋼管類型按有沒有焊縫分類：焊接鋼管（有縫管

15、）和無縫鋼管按斷面形狀分類：圓管、異形管圓管和圓形實(shí)心柱 1）無縫鋼管熱軋無縫鋼管：適合大直徑鋼管，精度低，成本低冷軋無縫鋼管：適合小直徑鋼管，精度高，成本高應(yīng)力應(yīng)變曲線區(qū)分2）焊接鋼管用鋼帶貨鋼板彎曲變形為圓形、方形等形狀后再焊接成表面有焊縫鋼管。依據(jù)焊接方法可分為：電弧焊管、電阻焊管、摩擦焊管、氣焊管、爐焊管等。按焊縫形狀分為直縫焊管和螺旋焊管直縫焊管：生產(chǎn)工藝簡單、效率高、成本低，適合小直徑鋼管螺旋焊管：強(qiáng)度高、能生產(chǎn)不一樣直徑焊管、焊縫長，生產(chǎn)速度低，適合大直徑鋼管。第72頁三、圓管構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算方法1. 安全系數(shù)和允許應(yīng)力平臺規(guī)范要求采取允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。允許應(yīng)力法是以鋼材屈服強(qiáng)度除以安

16、全系數(shù)作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。安全系數(shù)確實(shí)定分工作環(huán)境條件和極端環(huán)境條件兩種工況。工作環(huán)境條件下安全系數(shù)要求見表8-2極端環(huán)境條件下安全系數(shù)可降低25%，也就是允許應(yīng)力可提升1/3。焊縫允許應(yīng)力：工作環(huán)境下，對接焊縫允許應(yīng)力取母體金屬允許應(yīng)力，即抗拉和抗壓為 ，抗剪為 ，貼角焊縫不論抗拉、抗壓或抗剪均為 。 第73頁2. 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)1）強(qiáng)度條件：承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)除計(jì)算靜強(qiáng)度外，還應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度演算。普通表面光滑構(gòu)件不需演算疲勞強(qiáng)度，但高強(qiáng)度鋼疲勞強(qiáng)度比屈服點(diǎn)低，需要演算疲勞強(qiáng)度。2）穩(wěn)定條件整體穩(wěn)定性：局部穩(wěn)定性：大直徑薄壁鋼管當(dāng)D/t60時(shí)，需考慮局部穩(wěn)定3）變形和剛度條件受彎構(gòu)件剛度用撓度衡量，結(jié)

17、構(gòu)振動(dòng)用自振周期衡量，軸向受力桿件剛度用長細(xì)比控制。第74頁第二節(jié) 圓管構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算圓管構(gòu)件按其受力性質(zhì)可分為：軸向受力構(gòu)件受彎構(gòu)件偏心受力構(gòu)件同時(shí)承受外水壓力及受扭構(gòu)件第75頁一、強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則1. 鋼材單向受拉主要性能2. 鋼材破壞形式： 塑性破壞和脆性破壞3. 復(fù)雜應(yīng)用狀態(tài)屈服條件實(shí)際結(jié)構(gòu)中，鋼材常受到雙向平面或三向立體應(yīng)力作用。在多向應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材向塑性階段轉(zhuǎn)化并不取決于一個(gè)應(yīng)力而取決于某個(gè)應(yīng)力函數(shù)，即折算應(yīng)力第76頁二、圓管構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算1. 軸心受力桿件強(qiáng)度計(jì)算軸心受力桿件：受有軸向力作用而無彎矩桿件。軸心力能夠是拉力或壓力。軸心受力桿件截面上應(yīng)力均勻分布，其強(qiáng)度條件是截面上平均應(yīng)力

18、不得超出允許應(yīng)力，其強(qiáng)度計(jì)算公式為：第77頁2. 受彎構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算正應(yīng)力：離中和軸最遠(yuǎn)處彎曲正應(yīng)力最大。我國平臺規(guī)范要求將基本允許彎曲應(yīng)力提升10%，所以圓管桿件受彎時(shí)強(qiáng)度計(jì)算公式：剪應(yīng)力：最大剪應(yīng)力在中和軸上，其值等于圓管截面平均剪應(yīng)力2倍，抗剪強(qiáng)度條件為：當(dāng)圓管桿件承受作用在兩個(gè)主軸平面彎矩時(shí)，彎矩可矢量相加，得合成彎矩，故強(qiáng)度計(jì)算公式為：對應(yīng)剪力計(jì)算公式為：第78頁3. 偏心受力桿件強(qiáng)度計(jì)算偏心受力桿件：軸向力不經(jīng)過截面形心桿件或同時(shí)受軸向力和橫向力桿件。強(qiáng)度條件是截面邊緣處最大應(yīng)力不得超出允許應(yīng)力，強(qiáng)度計(jì)算公式為：對于軸心受力并在兩個(gè)主軸平面內(nèi)受彎圓管桿件，其強(qiáng)度計(jì)算公式為：第79頁4

19、. 靜水壓力下軸向受力桿件強(qiáng)度計(jì)算靜水壓力下，圓管管壁在環(huán)向受到壓應(yīng)力為：環(huán)向受壓允許應(yīng)力為：故圓管管壁環(huán)向受壓強(qiáng)度安全條件為：第80頁5. 圓管桿件抗扭強(qiáng)度計(jì)算圓管抗扭能力最好。在扭矩作用下，圓管受到純扭矩產(chǎn)生剪應(yīng)力為：第81頁第三節(jié) 圓管構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算穩(wěn)定性包含：整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性影響圓管構(gòu)件穩(wěn)定性原因很多，穩(wěn)定性計(jì)算方法是基于大量模型試驗(yàn)所得出規(guī)律性結(jié)果。無加強(qiáng)圓管構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算，主要是正確選擇殼體長度L、直徑D和壁厚t等幾何尺寸，以確保在工作和極端條件荷載作用下含有整體和局部穩(wěn)定性。主要介紹無加強(qiáng)圓管構(gòu)件在軸向壓力、彎矩、壓彎聯(lián)合作用下局部和整體屈曲，在靜水壓力作用下環(huán)向屈曲以及軸

20、向拉力或壓力共同作用下屈曲計(jì)算方法。對每一個(gè)屈曲給出計(jì)算彈性或非彈性臨界應(yīng)力公式。第82頁一、軸向壓力作用下圓管構(gòu)件屈曲圓管構(gòu)件在軸壓作用下，既可能發(fā)生局部屈曲，又可能發(fā)生整體屈曲，判斷標(biāo)準(zhǔn)是徑厚比D/t和長徑比L/D。整體屈曲由長徑比控制，局部屈曲由徑厚比控制。L/D很大而D/t很小，則只有整體屈曲，沒有局部屈曲。D/t較大，則現(xiàn)有整體屈曲，又有局部屈曲。我國平臺規(guī)范要求：當(dāng)D/t60時(shí)要計(jì)算局部穩(wěn)定性。第83頁1. 軸壓作用下圓管構(gòu)件局部屈曲我國平臺規(guī)范要求，采取下式計(jì)算彈性局部屈曲臨界應(yīng)力：采取下式計(jì)算非彈性局部屈曲臨界應(yīng)力：第84頁2. 圓管構(gòu)件在軸向壓力作用下整體屈曲第85頁3. 構(gòu)

21、件有效長度和允許長細(xì)比第86頁第87頁第88頁4. 局部屈曲和整體屈曲相互影響第89頁二、圓管構(gòu)件在彎矩作用下局部屈曲第90頁三、軸向壓力和彎矩聯(lián)合作用彎矩和軸向壓力共同作用下圓管構(gòu)件，現(xiàn)有強(qiáng)度問題，又有穩(wěn)定問題，所以應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩項(xiàng)校核。1. 強(qiáng)度驗(yàn)算受拉或受壓并在兩個(gè)平面內(nèi)受彎圓管構(gòu)件按下式進(jìn)行強(qiáng)度校核：第91頁2. 壓彎圓管構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算我國平臺規(guī)范壓彎圓管構(gòu)件穩(wěn)定驗(yàn)算公式為：第92頁3. 鋼管樁穩(wěn)定計(jì)算第93頁四、圓管構(gòu)件在水壓和軸力作用下破壞1. 圓管構(gòu)件在靜水壓力作用下環(huán)向屈曲彈性環(huán)向屈曲應(yīng)力為：非彈性階段采取塑性折減來考慮非彈性影響，所以環(huán)向屈曲臨界應(yīng)力公式為：第94頁2.

22、 軸向拉力和外水壓力相互作用第95頁3. 軸向壓力和外水壓力相互作用第96頁第一節(jié) 管節(jié)點(diǎn)型式與術(shù)語第97頁一、管節(jié)點(diǎn)類型第98頁簡單節(jié)點(diǎn)：直接把撐桿（支管）焊在弦桿（主管）上，撐桿間不搭接、不用節(jié)點(diǎn)板、隔板或加筋板節(jié)點(diǎn)。搭接節(jié)點(diǎn)：撐桿相互重合焊在弦桿上節(jié)點(diǎn)。加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)：采取加強(qiáng)辦法，如設(shè)置節(jié)點(diǎn)板、內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)、加隔板等，以增強(qiáng)弦桿管壁剛度。擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)：將弦桿段部分截面擴(kuò)大，以改進(jìn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力情況。第99頁二、管節(jié)點(diǎn)各部分符號及名稱1. 管節(jié)點(diǎn)各部分符號第100頁2. 管節(jié)點(diǎn)特征參數(shù)（1） 撐桿半徑與弦桿半徑之比，它是荷載傳遞和應(yīng)力分布指標(biāo)。（2） 弦桿半徑與弦桿壁厚之比，它是弦桿徑向柔度指標(biāo)。（3）

23、 撐桿壁厚與弦桿壁厚之比，它是撐桿與弦桿相對彎曲剛度指標(biāo)。第101頁三、管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求防止焊縫立體交叉和過分集中，焊縫布置盡可能對稱于構(gòu)件中心軸線。盡可能減小因?yàn)楹缚p和鄰近母材冷卻收縮產(chǎn)生應(yīng)力。盡可能不采取加筋板來加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)，若用內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)則應(yīng)防止應(yīng)力集中。普通受拉和受壓構(gòu)件端部連接應(yīng)到達(dá)設(shè)計(jì)荷載所要求強(qiáng)度。對于簡單管節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)滿足：第102頁第二節(jié) 管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析由平臺總強(qiáng)度分析計(jì)算出各管狀構(gòu)件總應(yīng)力稱為名義應(yīng)力，包含軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，對撐桿來說主要應(yīng)力是軸向應(yīng)力。所以管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析只考慮撐桿受軸向應(yīng)力。因?yàn)閹缀螐?fù)雜和加工缺點(diǎn)引發(fā)應(yīng)力集中，局部應(yīng)力有時(shí)會(huì)高達(dá)名義應(yīng)力10倍以上。第

24、103頁一、管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布導(dǎo)管架設(shè)計(jì)普遍采取簡單管節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)主要討論T型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布。第104頁二、熱點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)力集中系數(shù)理論上熱點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生在弦桿和撐桿交接線最低點(diǎn)，但實(shí)際節(jié)點(diǎn)幾何形狀和加載條件與理論上有區(qū)分，熱點(diǎn)位置也不一樣于理論熱點(diǎn)位置。應(yīng)力集中系數(shù)SCF定義為管節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值（熱點(diǎn)應(yīng)力）與計(jì)算名義應(yīng)力值之比：管節(jié)點(diǎn)幾何形狀不一樣，應(yīng)力集中系數(shù)也不一樣。應(yīng)力集中系數(shù)是研究管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度主要指標(biāo)之一。第105頁第三節(jié) 管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析靜力強(qiáng)度分析目標(biāo)是預(yù)測熱點(diǎn)處應(yīng)力水平和節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)極限荷載，方便進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)和疲勞分析。對管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析主要有兩種方法：理論分析法和試驗(yàn)研究法。實(shí)際設(shè)計(jì)中廣泛采

25、取是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合理論分析一些結(jié)果，給出半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。第106頁一、沖剪應(yīng)力法1. 沖剪應(yīng)力沖剪法是假定節(jié)點(diǎn)破壞出現(xiàn)在弦桿管壁上，且破壞是因?yàn)閾螚U沖剪荷載在弦桿沖剪面積上沖剪應(yīng)力超出了弦桿材料強(qiáng)度，使得弦桿沿?fù)螚U焊邊剪斷。假定撐桿作用名義荷載為P，撐桿與弦桿軸線交角為 ，則作用于弦桿管壁沖剪荷載可表示為：第107頁因?yàn)闆_剪荷載作用，在撐桿與弦桿接線處，弦桿沖剪面上沖剪應(yīng)力為：假定弦桿與撐桿交接線近似為標(biāo)準(zhǔn)橢圓，得：API近年來對此式做了修改為：第108頁2. 許用沖剪應(yīng)力API給出許用沖剪應(yīng)力為：第109頁二、名義荷載法淺海固定平臺建造與檢驗(yàn)規(guī)范要求：以撐桿名義荷載計(jì)算節(jié)點(diǎn)軸向和彎

26、矩許用承載能力P和M按下式計(jì)算，在極端環(huán)境條件下可增大1/3。第110頁第四節(jié) 管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要是確定弦桿、撐桿管段管壁厚度與尺寸，選擇節(jié)點(diǎn)使用鋼材，校核管壁強(qiáng)度。本節(jié)主要討論采取靜力強(qiáng)度法對管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)方法。第111頁一、簡單管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡單管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法主要有沖剪應(yīng)力法和名義荷載法。其中，沖剪應(yīng)力法最有權(quán)威性，如API，DNV以及我國平臺規(guī)范普遍采取此法。名義荷載法是經(jīng)過名義荷載來表示荷載強(qiáng)度，只要荷載準(zhǔn)確，安全系數(shù)選擇恰當(dāng)，該法被認(rèn)為是比價(jià)可靠和安全。第112頁1. 沖剪應(yīng)力設(shè)計(jì)法1）撐桿沖剪應(yīng)力計(jì)算2）弦桿許用沖剪應(yīng)力3）強(qiáng)度校核當(dāng)撐桿受到軸力和彎矩聯(lián)合作用時(shí)，應(yīng)滿足下式：第1

27、13頁2. 名義荷載法1）確定節(jié)點(diǎn)許用承載力2）節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核作用在撐桿上軸向力及彎矩應(yīng)分別滿足下式：當(dāng)撐桿受到軸力和彎矩聯(lián)合作用時(shí)，應(yīng)滿足下式：第114頁二、搭接管節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法第115頁1. 沖剪應(yīng)力法搭接撐桿垂直于弦桿分力PV應(yīng)不超出PV2. 名義荷載法搭接節(jié)點(diǎn)所能承受荷載PV由下式計(jì)算：第116頁三、管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求簡單管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)要求搭接管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)要求第117頁第五節(jié) 管節(jié)點(diǎn)疲勞分析一、疲勞破壞概念1. 疲勞破壞材料或結(jié)構(gòu)某點(diǎn)或一些點(diǎn)在重復(fù)交變應(yīng)力作用下逐步產(chǎn)生永久結(jié)構(gòu)改變，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或繼續(xù)擴(kuò)展直到完全斷裂，材料或構(gòu)件這種破壞稱為疲勞破壞，其中呈周期性改變應(yīng)力稱為

28、交變應(yīng)力。2. 疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度疲勞壽命：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)某點(diǎn)到達(dá)疲勞破壞時(shí)交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)或時(shí)間。疲勞強(qiáng)度：金屬材料在無限屢次交變荷載作用下而不破壞最大應(yīng)力。普通要求鋼經(jīng)受106次，非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受108次交變荷載作用。第118頁3. 影響疲勞強(qiáng)度主要原因1）應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)2）殘余應(yīng)力3）材料缺點(diǎn)4）海洋環(huán)境影響5）SN曲線以應(yīng)力幅為縱坐標(biāo)，許用荷載循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)繪制疲勞曲線。第119頁二、簡單疲勞分析法要求一個(gè)管節(jié)點(diǎn)許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，認(rèn)為符合一定海況條件海洋平臺，滿足許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)就能確保平臺管節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度。自振周期低于3s，水深小于122m超靜定結(jié)構(gòu)，并選取延性鋼材導(dǎo)管架平臺，其

29、管節(jié)點(diǎn)可用簡單疲勞分析法，此法應(yīng)對結(jié)構(gòu)中全部管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，使它們在疲勞設(shè)計(jì)波浪下熱點(diǎn)應(yīng)力峰值不超出許用熱點(diǎn)應(yīng)力峰值：第120頁三、詳細(xì)疲勞分析法詳細(xì)疲勞分析法又分確定性法和譜分析法，這兩種方法共同之處是基于SN曲線，用邁納疲勞累積損傷規(guī)則來估算節(jié)點(diǎn)疲勞壽命，而其主要區(qū)分在于對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)處理。第121頁第122頁母型設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)10-1 平臺設(shè)計(jì)方法和要求一、設(shè)計(jì)方法第123頁母型設(shè)計(jì)母型設(shè)計(jì)也叫仿型設(shè)計(jì)，即仿照母型平臺設(shè)計(jì)。它是選擇一個(gè)或兩、三個(gè)已建成并使用成功平臺作為母型進(jìn)行設(shè)計(jì)。要設(shè)計(jì)平臺應(yīng)與母型平臺使用技術(shù)條件和海洋環(huán)境條件等相近。 規(guī)范設(shè)計(jì) 規(guī)范設(shè)計(jì)是按照各國船舶檢驗(yàn)局

30、或船級社規(guī)范要求而進(jìn)行設(shè)計(jì)。第124頁強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法是建立在結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性理論等基礎(chǔ)理論和當(dāng)代計(jì)算技術(shù)理論分析方法上，結(jié)合平臺結(jié)構(gòu)詳細(xì)情況，依據(jù)給定環(huán)境條件和設(shè)計(jì)工況進(jìn)行平臺強(qiáng)度計(jì)算。對復(fù)雜空間整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)以及新型結(jié)構(gòu)均采取這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。普通綜合采取上述幾個(gè)方法。比如，在選擇平臺主尺度時(shí)用母型設(shè)計(jì)方法；在確定普通構(gòu)件尺寸時(shí)用規(guī)范設(shè)計(jì)方法；對復(fù)雜局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取強(qiáng)度理論分析方法。第125頁 二、設(shè)計(jì)要求1.安全性：設(shè)計(jì)中要確保平臺結(jié)構(gòu)安全可靠，確保生產(chǎn)和人員安全。2.適用性：在設(shè)計(jì)中要考慮海上作業(yè)特點(diǎn)和需要，方便利生產(chǎn)，方便生活。3.先進(jìn)性：要采取先進(jìn)技術(shù)，使技術(shù)性能指標(biāo)到

31、達(dá)先進(jìn)水平。4.經(jīng)濟(jì)性：要尤其考慮經(jīng)濟(jì)效益，使投資省，收效大，建成平臺含有良好經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。5.工藝性：設(shè)計(jì)中應(yīng)依據(jù)海上施工特點(diǎn)考慮平臺建造及維修方案，力爭降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升勞動(dòng)生產(chǎn)率。第126頁10-2 平臺結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)型式選擇一、平臺結(jié)構(gòu)組成1.下部船體結(jié)構(gòu)它為活動(dòng)式平臺在轉(zhuǎn)移或作業(yè)時(shí)提供浮力，以滿足平臺在漂浮、半潛等狀態(tài)時(shí)浮性和穩(wěn)性要求。2.上部平臺結(jié)構(gòu)它為活動(dòng)式平臺提供足夠工作場所和生活設(shè)施。3.中間支撐結(jié)構(gòu)它支撐平臺，使平臺形成一個(gè)整體，以滿足平臺整體性能和整體強(qiáng)度要求。4.錨索結(jié)構(gòu)它是為確保平臺海上定位、就位及安全停泊而設(shè)置。第127頁二、平臺結(jié)構(gòu)型式選擇1平臺結(jié)構(gòu)類型選擇通常應(yīng)

32、依據(jù)工作海域水深、海洋環(huán)境條件和海底地質(zhì)情況等加以選擇。 坐底式平臺工作水深是有限，水深超出30m，建造費(fèi)用急劇上升，而且操作和移位都很困難，故該種型式平臺都在淺水地域使用。自升式平臺最大工作水深可達(dá)百米以上，但普通多用于水深為3090m。自升式平臺樁腿型式很多，它依據(jù)不一樣工作水深、海底地基等條件，采取殼體式(封閉型樁腿如圓形、方形)或桁架式樁腿。圓形或方形普通適合用于60m以內(nèi)水深范圍，超出該水深采取桁架式樁腿。第128頁浮船式適應(yīng)工作水深為10600m。航行阻力小，適航性能和穩(wěn)性好，但抗風(fēng)浪性能差，與其它型式相比有效工作日少。半潛式平臺采取錨泊定位，最大工作水深普通為1500m，超出15

33、00m采取動(dòng)力定位。半潛式平臺作業(yè)水深大、運(yùn)動(dòng)性能好。 張力腿平臺移位不便，不宜用于勘探平臺，可用作生產(chǎn)平臺。第129頁第130頁2.平臺結(jié)構(gòu)型式選擇（1）選擇平臺大類型依據(jù)工作水深、海底地基和海洋水文確定；如選擇坐底式、自升式或半潛式等等（2）確定下部結(jié)構(gòu)依據(jù)海底地基情況確定；插樁式：堅(jiān)硬海底或傾斜較大海底；沉墊式：軟弱平坦海底。（3）確定上部平臺形狀：三角形、矩形、五角形面積：由使用要求和工藝布置確定層數(shù)：單層或多層；結(jié)構(gòu)形式：單層甲板采取桁架板梁式結(jié)構(gòu)、多層采取箱型第131頁10-3平臺排水量確定平臺處于漂浮狀態(tài)時(shí)，在某一載荷工況下總重量，稱為重量排水量，簡稱排水量。平臺設(shè)計(jì)中經(jīng)典荷載工

34、況排水量普通分成空船、輕載和滿載3種情況?？沾潘恐刚麄€(gè)平臺連同其安裝機(jī)械、設(shè)備和舾裝，包含固定壓載、平臺上備件以及機(jī)械和管路中至正常工作水平面各種液體重量，但不包含貯存在供給艙里液體、消耗品、可變載荷、貯存物品、船員和行季重量。輕載排水量等于空船重量加一定數(shù)量設(shè)備、可變載荷、船員、備品等等重量。 滿載排水量等于空船重量及全部設(shè)備、可變載荷、船員、備品等等重量。 第132頁作業(yè)排水量：如半潛式平臺，作業(yè)時(shí)常需增加壓載，取得最大作業(yè)排水量，以減小平臺升沉運(yùn)動(dòng)，提升作業(yè)效率。風(fēng)暴排水量：當(dāng)遇風(fēng)暴平臺不能作業(yè)時(shí)，為取得最大干舷，以防平臺上浪或遭受波浪拍擊，常采取拋載減小排水量方法，使平臺上浮，以確

35、保平臺安全。此抵抗風(fēng)暴時(shí)排水量即為風(fēng)暴排水量。 第133頁設(shè)計(jì)排水量通常要求滿載排水量為設(shè)計(jì)排水量。為確定設(shè)計(jì)排水量，應(yīng)首先確定荷載重量，尤其是其中甲板變載。載重量中鉆井設(shè)備重量和可變重量要依據(jù)使用單位(業(yè)主)要求制訂，對于個(gè)別不確定項(xiàng)目也可依據(jù)型船選取。各種平臺鉆井設(shè)備重量差異不大，約在7001000噸。可變重量因工作水深、鉆井深度、自持能力不一樣，而有較大改變。排水量中除載重量外，還包含動(dòng)力裝置及系泊系統(tǒng)重量。動(dòng)力裝置和錨泊系統(tǒng)要依據(jù)任務(wù)書要求進(jìn)行確定，參考型船估算其重量。在初估結(jié)構(gòu)重量時(shí)，可依據(jù)平臺類型及主尺度選取母型船資料或采取重量系數(shù)估算。第134頁10-4 平臺主尺度一、平臺長度L1.平臺長度定義 (1)自升式鉆井平臺和駁船式鉆井船L是在殼體中縱剖面上，在0.85D(型深)處首尾殼板內(nèi)緣之間距離，但不計(jì)井口槽存在影響。假如殼體線型近似于船型，則L不應(yīng)小于夏季水線長度96%。（2）半潛式鉆井平臺和坐底式鉆井平臺 L為沿長度方向從結(jié)構(gòu)前端到后端投影最大尺度。第135頁 2.影響平臺長度原因 (1)生產(chǎn)工藝布置上部平臺本體普通為兩層甲板。要把生活區(qū)和作業(yè)區(qū)嚴(yán)格分隔開。這些分區(qū)以及設(shè)備合理布置控制著平臺總長度。(2)平臺水力特征上部平臺或下船體長度配合其它尺度(寬度、吃水)以及支撐結(jié)構(gòu)尺度