不同浪向的波浪载荷作用下导管架平台主桩强度分析_吴家鸣.docVIP

不同浪向的波浪载荷作用下导管架平台主桩强度分析_吴家鸣 第33卷第3期 海洋技术学报 Vol.33，No.3Jun，2014 2014年6月 JOURNALOFOCEANTECHNOLOGY 不同浪向的波浪载荷作用下导管架平台主桩强度分析 吴家鸣，刘昊宇 (华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640) 摘要：以包括泥面以下桩基在内的所有杆件所构成的桁架式导管架平台为对象，首先通过数值 模拟计算组成导管架平台的每一构件的波浪载荷，然后以有限元算法建立包含了平台桩基土反力等因素的导管架整体结构的力学模型，将计算所得波浪载荷施加到该有限元力学模型上，以此通过数值计算手段分析平台中包括泥面以下主桩在内所有杆件的最大应力分布以及桩基的位移特征，从而对平台在特定的波浪环境下的平台主桩的安全性问题进行观察。所提出的方法可为导管架平台在波浪环境下主桩的强度特征分析提供一种实用手段。关键词：波浪载荷；桩基；有限元；桩土相互作用；导管架平台中图分类号：TV312 文献标志码：A 文章编号：1003-2029（2014）03-0085-09 导管架平台是一种被广泛应用于近海海洋油气资源开发领域的海洋结构物，在设计这样一类海洋结构物时，需要对其所受波浪载荷作用下结构物的动力响应特性进行数值模拟计算。对这一类桁架式海洋结构物在海洋环境下的动力响应分析通常采用如SACS，SESA，ANSYS，MSC/NASTRAN等商业软件来确定平台的波浪载荷[1-4]，在利用这些软件进行平台在海洋环境载荷作用下平台的强度分析时，对于桩基边界条件通常采取把导管架主桩位于海底泥面处、或泥面以下6倍桩径处直接简化为固结约束模式等方式来处理。据此对平台在海洋环境载荷下的结构强度进行计算。但是对于将导管架平台泥面以上结构连同桩基一起作为一个结构整体来观察它在不同的波浪环境条件下的动力响应，目前还缺乏应有的关注。 本文以各种不同管径杆件组成的桁架结构为主要构成形式的导管架平台为对象，首先逐一计算组成导管架平台的每一杆件的波浪力，然后将计算得到的波浪力以离散分布载荷的形式施加到包含了平台桩基及其土反力等因素的导管架整体结构的有限元力学模型中相应的杆件上，在此基础上分 析在不同的浪向角条件下平台的动力响应，了解考虑了桩基及其土反力因素的导管架平台整体结构有限元模型对波浪环境下外载荷响应的关系，为客观地评估导管架平台在波浪载荷下平台结构强度的状况提供依据。 1导管架平台杆件波浪载荷计算 从所受的波浪载荷计算的角度考虑，平台水下杆件均属于小尺度柱状杆件，目前常采用Morison方程来计算它们所受的波浪力[5]。根据Morison方程，对于与波长相比杆件尺寸较小的导管架平台中任一方向的水下杆件，其垂直于杆件轴线单位长度上的波浪力矢量f的一般形式可用下式表示： π ! ）（1 式中：CD，CM为杆件的法向阻尼系数和附加质 .!!U，U为量系数；D为杆件的直径；ρ为海水密度； w n n 与杆件轴线方向正交的波浪引起的水质点速度与加速度矢量。根据（1）式可以逐一计算出平台上不同杆件在波浪作用下沿杆件长度的波浪载荷分布， 收稿日期：2014-03-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目作者简介：吴家鸣（1957-），男，博士，教授，主要从事海洋工程结构物动力响应研究。E-mail:ctjmwu@scut.edu.cn 86 海洋技术学报 第33卷 然后将这些波浪载荷施加于包括泥面以下桩基在内的导管架平台整体结构有限元模型上，进而可以对平台整体结构在波浪载荷作用下的内力响应进行分析。有关利用式（1）计算导管架平台中杆件波浪载荷的数值计算方法本文作者已经在参考文献[6-7]中做了比较详细的介绍，在此不再详述。 比例系数。有关利用弹性地基反力法计算主桩位移的基本方法可参见参考文献[8]。2.2桩基土反力及土弹簧刚度计算 通过上节的方法计算得到桩基和土体的水平位移y后，再结合p-y曲线法计算桩基土反力和土弹簧刚度。p-y曲线法是目前且较为常用的分析横向受荷桩的方法之一。作为一种非线性分析方法，它描述的是土反力p与桩身水平位移y和桩入土深度x之间的非线性关系，采用p-y曲线法分析桩基土反力的关键是确定所分析桩基的p-y曲线。不同桩基所处的土质不同，其p-y曲线也不同，临界深度的计算也有所差别。p-y曲线法计算过程可参阅文献[9]。本文所采用的土反力及土弹簧刚度计算主要步骤如下： （1）根据经验公式或通过