自升自航式船與地基土相互作用研究.pdf

1、自升自航式船是一種機動、高效、作業(yè)穩(wěn)定的海上工程船，即能自升，又能自航。它具有性能好、功能強、通用性好等優(yōu)點，近50年來被廣泛用于海上平臺的建造和維護、海底管線的鋪設和維修、海上油井的修理等許多海上石油工程。目前，世界各海域正在使用的自升自航式船超過230艘，其中，大多數(shù)集中在美國的墨西哥灣，約有200艘。 自升自航式船與其它海洋工程結(jié)構物一樣，其安全、穩(wěn)定作業(yè)，很大程度上依賴于穩(wěn)定的海底地基。其機動、高效特點的發(fā)揮，更多地依賴

2、于對自升自航式船與地基相互作用的認識。只有認真研究自升自航式船作業(yè)的海底地基特性，將自升自航式船的主體結(jié)構、樁靴和地基土視為一個整體，系統(tǒng)地研究自升自航式船與地基之間的相互作用關系，才能較好地掌握自升自航式船結(jié)構特點的本質(zhì)，得出科學合理的分析結(jié)果。只有在科學分析的基礎上，才能做到自升自航式船的合理設計和合理使用，才能進一步對自升自航式船進行優(yōu)化設計，開發(fā)出更加先進的、適合我國國情的自升自航式船。 國外在自升自航式船的應用方面積累

3、了豐富的經(jīng)驗，同時，從上世紀90年代開始，對自升自航式船的總體強度和總體性能方面展開了研究。如美國海岸警衛(wèi)隊2000年5月頒布與自升自航式船相關的規(guī)定，對自升自航式船樁腿強度校核、環(huán)境載荷選取、總體布置方面都做出具體規(guī)定。然而，對于自升自航式船與地基的相互作用問題的研究很少，美國Steward技術公司為美國海岸警衛(wèi)隊提交的研究報告中也涉及自升自航式船與地基的相互作用問題。該報告將地基簡化為線性彈簧，但線性彈簧不完全符合地基的實際特性，模

4、型中土的剪切模量的選取依賴于經(jīng)驗。分析中，三只樁靴承受同樣大小水平的載荷假設也不合理。 自升自航式船可用于我國海洋石油開發(fā)和其他海上施工，完全能在渤海灣、杭州灣和長江口等海域的環(huán)境條件下作業(yè)。目前為止，還沒有檢索到國內(nèi)使用和建造自升自航式船的相關報道。上海交通大學于2002年完成了一艘“自升自航式石油工程船”的方案設計，相應的研究工作在逐步開展。 本文在總結(jié)自升自航式船結(jié)構特點和海底土特點的基礎上，綜合利用經(jīng)典土力學理論

5、、有限元數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗三種研究手段，比較系統(tǒng)地研究自升自航式船與地基的相互作用。研究的內(nèi)容主要包括：地基穩(wěn)定性分析，入泥深度分析，拔樁能力分析，抗滑能力分析，固定性分析，模態(tài)和動態(tài)響應分析等。鑒于土特性的復雜性，對于不同的研究內(nèi)容，本文采用不同的方法組合。 理論研究中，綜合應用挪威船級社推薦的海上結(jié)構物地基分析方法“DnVClassficationNo.30.4〈Foundation〉”和“Skempton”、“Ters

6、aghi”、和“Prantl”的土力學極限承載力理論進行分析。室內(nèi)模型試驗研究中，采用上海交通大學自行設計的自升自航式石油工程船為母型船，模型與母型船的比例為1：40。有限元數(shù)值模擬分析中，考慮自升自航式船與海底地基土相互作用的非線性特性，采用大型有限元通用軟件“ABAQUS”，地基土材料本構模型選用工程中常用的與Mohr-Coulumb相匹配Drucker-Prager模型，有限元數(shù)值計算模型與試驗室的實物模型尺寸完全一致。具體研究內(nèi)

7、容包括以下六個方面： 1、收集、整理國外自升自航式船的相關資料，進一步深入分析國內(nèi)、外自升式平臺已有的研究成果，明確研究的內(nèi)容、目的和方法。 2、歸納、總結(jié)自升自航式船的技術特點和海洋工程地質(zhì)的基本特點。把握自升自航式船的總體性能特征，特別是自升自航式船的載荷特點和樁靴形狀特點，把握海洋工程地質(zhì)的特性，特別是可能首先使用自升自航式船的國內(nèi)典型海域的海洋地質(zhì)情況，更加全面地認識兩個主要研究的對象，自升自航式船和海底土。

8、 3、研究自升自航式船地基承載能力，分析自升自航式船的結(jié)構和入泥深度的特點，研究認為：自升自航式船具有淺基礎的典型特征，可以使用土力學淺基礎理論和挪威船級社推薦的海上結(jié)構物地基分析方法。 分別采用土力學極限承載能力理論和有限元數(shù)值計算兩種方法研究地基承載能力。垂直承載能力研究表明，用數(shù)值方法和經(jīng)典土力學理論方法計算得到的結(jié)果比較接近。 采用有限元數(shù)值方法，分別計算分析三種載荷條件下的地基承載能力。三種載荷條件分別是：

9、垂直載荷，水平與垂直載荷組合以及水平、垂直載荷和相互作用力矩組合。計算結(jié)果表明：水平載荷和相互作用力矩都明顯降低地基的垂直承載能力。 采用土力學極限承載能力理論分析表明，自升自航式船對地基土的強度要求比較小，自升自航式船可以在承載能力較弱的粘性系數(shù)較小的粘土海底地基上安全作業(yè)。 4、采用了極限承載能力理論研究自升自航式船樁靴的入泥深度，嘗試采用經(jīng)驗和力學分析方法研究自升自航式船拔樁能力，采用中國船級社《海上移動式平臺入級

10、與建造規(guī)范》和挪威船級社DnVClassficationNotsNo.30.4〈Foundation〉推薦的抗滑能力計算方法分析自升自航式船抗滑能力。 入泥深度的研究重點是粘土地基。 研究不同樁靴尺度在不同入泥深度下的拔樁能力。結(jié)果表明，入泥深度和拔樁能力緊密相連，可以通過分析選擇海底地基條件來控制樁靴的入泥深度，在控制入泥深度比較小的條件下，拔樁能力有保障。拔樁能力研究表明，控制入泥深度小于1.5米可能是自升自航式船的

11、較佳選擇。 抗滑能力研究中，分析比較兩種方法的特點，得出自升自航式船抗滑能力的初步規(guī)律，研究認為，在垂直承載能力足夠的條件下，抗滑能力有保障。 5、采用有限元數(shù)值模擬和試驗室模型試驗兩種方法，研究自升自航式船的固定性。在有限元數(shù)值模擬中，將砂箱砂土、主體和樁靴同時建立在一個三維有限元模型中。三維有限元模型與試驗室的試驗模型的尺寸、載荷完全一致。三維有限元模型中，地基土的材料采用D-P彈塑性模型，外載荷和邊界條件不做任何簡

12、化。數(shù)值計算結(jié)果可直接與試驗室模型試驗結(jié)果比較分析。 模型研究表明，數(shù)值計算的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好；地基土對樁靴有較大的約束力矩作用，數(shù)值模擬和模型試驗計算出的固定性均大于40﹪。由此，在自升自航式船的結(jié)構分析和強度計算中，采用一般的自升式平臺規(guī)范，將樁腿的底端簡化為鉸支可能過于保守，建議在自升自航式船的計算分析中考慮地基的約束作用。 在數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好的基礎上，進一步分析樁靴尺寸、地基土彈性模量的變化對固定

13、性的影響。為設計過程中合理確定樁靴尺寸提供參考依據(jù)。研究表明，在特定海域，樁靴可能有最佳尺寸的選擇。 6、采用有限元數(shù)值模擬方法，分別分析了上海交通大學設計的“自升自航式石油工程船”和“試驗模型”的模態(tài)，并研究了“試驗模型”的動態(tài)響應。 采用ABAQUS程序，通過建立三維數(shù)值模型進行模態(tài)分析。分別提取樁腿的底端為鉸支和固支兩種狀態(tài)的模態(tài)，總結(jié)模態(tài)頻率的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明，“自升自航式石油工程船”兩種支撐狀態(tài)的一階模態(tài)

14、的頻率接近，二階頻率相差較大。 通過建立“試驗模型”的兩維數(shù)值模型進行動態(tài)響應的研究。分別分析“試驗模型”的樁腿底端為鉸支、固支和支撐在砂土地基上三種狀態(tài)。采用瞬態(tài)載荷保持不變、短時載荷0.2秒后卸載、循環(huán)動載荷三種方式施加水平動載荷。本模型研究表明，彈塑性地基土對結(jié)構的水平位移振蕩有明顯的阻尼作用，地基的彈性模量越大，阻尼越大；動載荷作用下的最大水平位移明顯大于靜載荷作用下的最大水平位移；鉸支和固支兩種狀態(tài)，動載荷和靜載荷產(chǎn)生

15、的最大水平位移變化小于支撐在彈塑性地基上的變化；在循環(huán)動載荷作用下，一階頻率的循環(huán)動載荷使鉸支、固支狀態(tài)的模型發(fā)生共振，隨著時間的延長，水平位移振幅不斷增大；在循環(huán)動載荷作用下，支撐在彈塑性地基上的模型水平位移循環(huán)變化，逐漸增大，但在6秒后，水平位移的變化比較小，基本穩(wěn)定。 本研究中，對承載能力的評估，入泥深度的控制，拔樁能力校核，抗滑能力計算以及突然穿透可能性分析等幾個方面是不可能完全獨立的，它們之間存在著相互聯(lián)系。經(jīng)典土力學

16、的理論分析和計算是模型試驗和有限元數(shù)值模擬的重要基礎和有益補充。 本文將自升自航式船與地基作為統(tǒng)一有機整體，采用模型試驗和有限元數(shù)值計算兩種方法，分析研究自升自航式船與地基的相互作用，以及相互作用對固定性的影響；采用有限元數(shù)值計算方法分析研究地基土對自升自航式船動態(tài)響應的影響，本研究方法和研究內(nèi)容未檢索到相關文獻，是本研究的創(chuàng)新點之一。 自升自航式船的樁靴入泥深度通常小于樁靴寬度，屬于淺基礎。在淺基礎條件下，同時考慮垂直

17、載荷、水平載荷和相互作用力矩共同作用，采用經(jīng)典土力學極限承載力理論和有限元數(shù)值計算兩種方法，分析研究自升自航式船的地基承載能力和地基響應，本研究方法和研究內(nèi)容未檢索到相關文獻，是本研究的創(chuàng)新點之一。 本研究得出了自升自航式船與地基相互作用的初步規(guī)律，為進一步研究自升自航式船動態(tài)響應、疲勞分析以及全面把握自升自航式船的總體性能打下重要的基礎，對自升自航式船的設計和使用有一定的參考價值，為我國開發(fā)、使用自升自航式船提供良好的技術儲備