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自升式平臺(tái)最早出現(xiàn)于1955年，因其在波浪中運(yùn)動(dòng)幅度較小，故是淺海油田常用的鉆井設(shè)施。根據(jù)底部支撐形式的不同，自升式平臺(tái)可分為：樁靴型和沉墊型，其中沉墊型平臺(tái)適用于軟土地基。自升式平臺(tái)可拖航至不同海域進(jìn)行作業(yè)。在拖航過程中，高達(dá)幾十米的樁腿聳立在主船體之上，受到風(fēng)力、傾斜重力和運(yùn)動(dòng)慣性力的作用，使樁腿根部產(chǎn)生很大的彎矩，因此樁腿根部和固樁架是自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通常關(guān)注的區(qū)域之一但是對于扁平的大體積沉墊在波浪中的變形與強(qiáng)度通常被忽視，也未見到專門的文獻(xiàn)論述這一情況。部分原因在于不能采用簡單而有效的水動(dòng)力理論計(jì)算作用在沉墊上的波浪動(dòng)壓力。由于自升式平臺(tái)其主船體和沉墊非細(xì)長構(gòu)件，因此不能采用Morison公式計(jì)算作用在其上的波浪動(dòng)壓力，同時(shí)沉墊和主船體相距很小，對流場有相互影響，因此不能采用比較成熟的切片理論計(jì)算波浪動(dòng)壓力。本研究針對一艘三樁腿沉墊型自升式平臺(tái)的拖航過程進(jìn)行了波浪載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。
分析對象為樁腿沉墊型自升式平臺(tái)。平臺(tái)主船體主尺度為以寬X高=582mX402mX49m，沉墊呈平頭A字型，尺度為長X寬X高，樁腿長度為77.72m。拖航時(shí)，沉墊上升至距主船體船底457m。采用SESAM軟件系統(tǒng)對這一平臺(tái)建立了一個(gè)三維空間板殼有限元模型，對固樁區(qū)和樁腿等重要區(qū)域采用了細(xì)化模型，以正確反映這些區(qū)域的受力清況。對于自升式平臺(tái)，樁腿與周圍結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)較復(fù)雜。其中樁腿與沉墊甲機(jī)底機(jī)縱橫艙壁之間焊接，可傳遞6個(gè)方向上的載荷，樁腿及固樁區(qū)頂板之間以及與主船體底板之間用固樁鍥塊固定，只傳遞水平力，固樁區(qū)插銷與樁腿之間，只傳遞垂向力。樁腿與其他結(jié)構(gòu)均無連接，不存在直接的相互作用。對這些構(gòu)件的相互作用，均需在計(jì)算模型中按實(shí)際模擬，才能正確反映固樁區(qū)和樁腿局部受力。
平臺(tái)在拖航狀態(tài)中，受到以下幾種載荷同時(shí)作用：靜水載荷(包括重力與靜水壓力)、波浪動(dòng)壓力、運(yùn)動(dòng)慣性力、纜繩拖力、水阻力、風(fēng)力等。對平臺(tái)做總體強(qiáng)度分析時(shí)，通常只考慮靜水載荷、波浪動(dòng)壓力和慣性力。波浪動(dòng)壓力和運(yùn)動(dòng)慣性力的計(jì)算在選定的設(shè)計(jì)波上進(jìn)行，設(shè)計(jì)波應(yīng)滿足平臺(tái)拖航時(shí)所遇到的最危險(xiǎn)載荷。為了選定設(shè)計(jì)波，以重心所在橫截面上的扭矩垂直彎矩以及中縱截面上的垂直彎矩為主要控制參數(shù)，計(jì)算平臺(tái)在一系列規(guī)則波上的傳遞函數(shù)，選取使上述3個(gè)控制參數(shù)分別達(dá)到最大值時(shí)3個(gè)波浪的浪向與頻率作為設(shè)計(jì)波參數(shù)。設(shè)計(jì)波波高則根據(jù)航線上的統(tǒng)計(jì)資料取定。
由于平臺(tái)在主船體下面存在一個(gè)開口的大體積沉墊，而且在拖航狀態(tài)中，沉墊與主船體相距很小，對流場有相互影響。因此，本研究采用的是勢流理論，考慮輻射和繞射影響，計(jì)算平臺(tái)在拖航狀態(tài)的波浪力。對于所有的設(shè)計(jì)波，均計(jì)算出相應(yīng)的波浪動(dòng)壓力，并施加于結(jié)構(gòu)上進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。作為一個(gè)示例，圖為計(jì)算得到的沉墊甲板在斜浪特定相位作用下的波動(dòng)壓力，將其與平臺(tái)結(jié)構(gòu)變形結(jié)合起來，可看到波動(dòng)壓力是造成沉墊扭轉(zhuǎn)的主要因素。波浪對平臺(tái)的作用包括主船體與沉墊兩部分，計(jì)算表明，兩者之間的分配比例是隨著浪向變化的。
在橫浪情況下，主船體受到的波浪誘導(dǎo)載荷大于沉墊所受到的波浪誘導(dǎo)載荷，在斜浪和迎浪作用下，平臺(tái)受到的波浪誘導(dǎo)載荷主要由沉墊承受。將重力、靜水壓力、波浪動(dòng)壓力和運(yùn)動(dòng)慣性力同時(shí)施加于平臺(tái)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力計(jì)算，可得到各個(gè)工況下的應(yīng)力詳細(xì)分布情況。匯總所有的計(jì)算結(jié)果，可以查明平臺(tái)拖航過程中出現(xiàn)高應(yīng)力的區(qū)域。列出了船體甲板和沉墊底板最大應(yīng)力(不計(jì)角隅應(yīng)力集中)。從表中可知，沉墊受到的應(yīng)力遠(yuǎn)高于主船體甲板的應(yīng)力，說明在拖航過程中，沉墊強(qiáng)度是作業(yè)的制約因素。圖為沉墊底板在設(shè)計(jì)波下的高應(yīng)力分布區(qū)。由圖可見，在斜浪作用下沉墊橫檔出現(xiàn)大面積高應(yīng)力，而在迎字良橫浪情況下沉墊橫擋受力均較小，這是由于沉墊橫檔作為主要的抗扭構(gòu)件，承受較大的扭矩作用。
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