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海洋平台桩基设计第一节第一节 桩基分类桩基分类一、按施工方法分类一、按施工方法分类1.打入桩基础（两级套管桩）2.钻孔灌注桩基础3.钟型桩基础l打入桩最简单，费用最低，是海洋工程中优先选用的一种桩基，钻孔灌注桩和钟型桩一般在不得已的情况下采用。l实际工程中采用何种桩基主要考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施工条件等二、按支承性状分类二、按支承性状分类1.摩擦型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由桩侧摩阻力来承受。又可分为纯摩擦桩和端承摩擦桩。2.端承型桩：桩顶竖向荷载由桩端阻力承受。又可分为端承桩和摩擦端承桩。l大多数情况下，桩承载能力主要是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随桩身表面积的增大而增大。因此，摩擦型桩是近海工程桩基常用形式。第二节第二节 单桩轴向承载力计算单桩轴向承载力计算一、受压桩的轴向承载力计算方法一、受压桩的轴向承载力计算方法l受压桩的轴向承载力主要取决于桩本身的材料强度和桩周土壤对桩的支持能力。l桩的承载能力估算方法：静力法静力法、动力法动力法、静静载试桩法载试桩法。1.静力法静力法l桩顶轴向荷载由桩身表面摩擦力和桩端支撑力共同承担：桩顶轴向荷载由桩身表面摩擦力和桩端支撑力共同承担：1）粘性土的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp2）沙性土中的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp2.动力法动力法l动力法包括动力动力法包括动力打桩公式打桩公式、波动方程波动方程和和动力试动力试验验3种方法。目前海洋工程中应用较多的是种方法。目前海洋工程中应用较多的是一一维波动方程法维波动方程法。l打桩公式：打桩公式：l一维波动方程法一维波动方程法3.静载试桩法静载试桩法l静载试桩是在工程现场直接对桩顶加载，测试土对桩的阻力。l基本又可靠的方法。但随着海洋工程向深海发展，规模扩大，海上试桩很难实现，费用很高。确定受压桩承载力方法比较：确定受压桩承载力方法比较：l静载试桩法：最可靠，但费用高，水深大时困难l一维波动方程法：有效，应用广泛。l打桩公式：存在明显缺点，应用很少。l静力法：最常用的一种简单方法。二、打入成层土壤中受压桩的承载力计算二、打入成层土壤中受压桩的承载力计算三、开口钢管桩的桩端闭塞效应三、开口钢管桩的桩端闭塞效应l开口桩打入海床初期土壤随桩的贯入不断进入桩内，由于桩内壁与土壤之间的摩擦力，进入桩内的土壤被压密。当摩擦力增大到超过桩端土的挤入力时，桩内土壤上升非常小，桩端形成闭塞状态。管内土壤像“塞子”一样把桩端堵住，土壤在管内形成的塞子称为“栓塞”，栓塞对桩端阻力的影响称为闭塞效应闭塞效应。考虑开口桩闭塞效应，式（考虑开口桩闭塞效应，式（5-1）改为如下形式：）改为如下形式：四、受拉桩抗拔力计算四、受拉桩抗拔力计算1.单桩的抗拔力计算单桩的抗拔力计算l开口钢管桩，计算受拉时抗拔力一般假定桩端阻力为零，但要考虑桩体有效重量2.拔桩力计算拔桩力计算l上式计算的拔桩力再乘以一个大于1的系数，该系数一般取23，以此作为设计拔桩力。第四节第四节 群桩效应与荷载分布群桩效应与荷载分布l当组成群桩的各个单桩间距较小时，由于相邻的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特征要受到影响，这种影响通常称为群桩效应。一、轴向荷载作用下的群桩效应一、轴向荷载作用下的群桩效应1.承载能力承载能力l群桩的总轴向承载能力可用下式估算群桩的总轴向承载能力可用下式估算l打入砂土中的群桩取打入砂土中的群桩取 ，打入粘土中的群桩取，打入粘土中的群桩取l当桩距当桩距s3D时，必须考虑群桩效应；当时，必须考虑群桩效应；当s3D时，可按时，可按整体深基础计算整体深基础计算2.沉降沉降l轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的群桩，沉降轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的群桩，沉降都大于群桩荷载均布到单桩上引起的沉降量。都大于群桩荷载均布到单桩上引起的沉降量。二、横向荷载作用下的群桩效应二、横向荷载作用下的群桩效应l无论打入沙土中的群桩，还是打入粘土中的群桩，其群桩的变形通常都大于作用于群桩的荷载均分到孤立单桩上引起的单桩的变形。三、群桩的轴向力计算三、群桩的轴向力计算第三节第三节 单桩横向承载力计算单桩横向承载力计算桩的横向承载力与下列因素有关：l桩的入土深度l桩的截面强度和抗弯刚度l桩顶和桩底的嵌固条件l载荷性质l有无轴向载荷同时作用l桩周围土的强度与变形性状l上部结构物特性一般分别按刚性桩和柔性桩计算。一、桩的破坏性状和分类1.横向荷载作用下单桩的破坏性状横向荷载作用下单桩的破坏性状受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产生水平位移和转角，桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。破坏情况：l桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂l桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移过大1）刚性桩的破坏2）半刚性桩的破坏3）柔性桩的破坏弹性桩2.横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长l相对刚度相对刚度：反映桩的刚性特征与土的刚性特征之间的 相对关系；间接反映土抗力模量Es随深度变化的性质。l水平地基系数沿深度为常数的地基，桩的相对刚度系数为：l水平地基系数随深度线性增加的地基，桩的相对刚度系数为：l相对桩长相对桩长：桩打入土中的深度与相对刚度系数的比值：l相对桩长反映桩的刚度特性，可根据相对桩长把桩分为刚性桩或弹性桩。Zmax4为弹性长桩，4 Zmax2.5为中长桩，Zmax3s时，对导管架管节点进行疲劳分析。第二节第二节 设计计算模型设计计算模型l导管架是空间杆系结构，它承受结构本身及工艺设备等垂直荷载和由风、波浪、地震、冰、海流等环境荷载引起的水平荷载。受力分析时，通常选取的结构计算模型有整体分析计算模型和分部分析计算模型。一、整体分析计算模型一、整体分析计算模型l把导管架和桩视为一个整体建立三维空间框架结构的计算模型，编制计算机程序，分析整个结构在海洋环境荷载和使用荷载作用下，并考虑结构-流体-基础相互作用，确定结构的内力。l该方法分析工作复杂，需要高容量的计算机，一般适用于深水结构分析。二、分部分析计算模型二、分部分析计算模型l用于浅水的不太复杂的导管架结构，通常采用简化的分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对泥面以上的导管架和泥面以下的桩基分别建立计算模型进行计算。l泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构，泥面以下部分是埋置于土中的桩。基桩支座是两者的结合点。通过计算和迭代分析，使在泥面处位移和内力相容。两种计算模型的比较：两种计算模型的比较：l整体分析计算模型节点与杆件数目较多，计算工作量大。如考虑桩变位土反力的非线性计算，则工作量更大。l分部分析计算模型节点与杆件数目较少，且采用线性结构分析方法计算工作量小。对桩的分析，如果有些桩截面相同还可大幅度减少计算工作量。l推荐使用分部分析计算模型。第三节第三节 导管架结构静力分析导管架结构静力分析l导管架结构的受力分析是个复杂的过程，工程中广泛采用有限元分析方法，把结构模拟为二维或三维框架结构，用计算机计算结构内力和节点位移。一、有限元方法分析导管架结构的基本概念1.结构分析的基本假定结构分析的基本假定l导管架结构静力分析是基于线弹性理论，假定：（1）材料是线弹性的，单元节点力与节点位移之间保持线性关系（2）各单元或结构变形与整个结构尺寸相比很小，可应用叠加原理。2.基本方程二、导管架结构静力分析二、导管架结构静力分析1.结构计算模型的建立结构计算模型的建立（1）单元与节点l节点：对于泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横截面变化点、桩与泥面交接点一般都应设为节点。泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，代替桩土的相互作用。l单元：连接两个节点的构件视为一个单元，一般取导管架构件的单元为梁单元，传递轴力、弯矩和剪力。桩一般作为独立的单元，若桩视为若干弹簧支撑，则弹簧视为节点，桩划分为若干单元。（2）坐标系统通常采用两种坐标系统：l整体坐标系（结构坐标系）：空间固定的任意坐标系，用x，y，z表示l局部坐标系（杆件坐标系）：用于表示局部构件的坐标系统，用S1，S2，S3表示l结构整体坐标系与杆件局部坐标系均取为右手坐标系统。l对任意空间杆件，杆端节点有3个线位移和3各角位移共6个位移分量，杆端力也有3个力与3个力矩共6个分量。2.计算刚度矩阵l按分部分析计算模型对导管架和桩分别进行计算，即分别建立杆件坐标系下的桩基刚度矩阵和空间杆件刚度矩阵。1)桩基刚度矩阵2)空间杆件刚度矩阵3.坐标系统转换矩阵坐标系统转换矩阵l前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各杆件刚度矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩阵，需要对杆件坐标系统和结构坐标系统进行转换。l转轴矩阵Tl杆件坐标系下的杆端力与节点位移关系为：l坐标转换：l代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：4.直接刚度法解节点位移与杆端力直接刚度法解节点位移与杆端力每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵Ke求出后，即可汇集成结构总刚度矩阵K，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚度系数相叠加而成的6n6n矩阵。为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵KPH叠加到结构总刚度矩阵K相应位置上，经过约束处理后的结构刚度矩阵为Kr，则：KrD=P式中D为全部节点位移向量，P为节点荷载向量。求结构的节点位移公式为：D=Kr-1P结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：Fe=KeDe杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力：如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端力为：杆件断面要素的确定杆件断面要素的确定l杆件断面要素：杆件横截面面积A，有效剪切面积Ay，Az，截面惯性矩Iy，Iz及极惯性矩Jl型钢截面：截面积和惯性矩查型钢表，工字型截面杆件有效面积可取腹板面积。l圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。l导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假设水泥砂浆只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆按双壁管计算，将内外管各自的断面面积、惯性矩等相加即可。第四节第四节 导管架构件强度校核导管架构件强度校核l规范普遍采用许用应力法l我国海上固定平台入级与建造规范规定，在工作环境条件和施工条件下，构件材料的许用应力值按表6-2选用。在极端环境条件下各种荷载组合后的许用应力可提高1/3；计算地震荷载时，构件的许用应力可提高70%。圆管构件的强度要求和计算公式圆管构件的强度要求和计算公式一、轴向应力（表6-3）二、剪应力（表6-4）三、环向应力（式6-79）四、折算应力（表6-5）第一节第一节 概述概述l圆管构件是一种非常有效的构件型式，它能很好的承受轴向拉力或压力，弯矩或扭矩，内力或外力。本章主要介绍无加强圆管构件在各种荷载作用下的强度和稳定问题，以及按现行平台规范的计算方法，以满足强度和稳定性的要求。一、一、圆管构件特性圆管构件特性1.优点2.缺点二、钢管材料和类型二、钢管材料和类型1.钢管材料钢管材料l导管架平台材料的选择决定于钢材的强度、韧性、抗疲劳、抗腐蚀以及加工和焊接性能。l强度：平台构件通常采用普通和中等强度的钢材制造，高强度钢虽然重量轻，但是韧性较差，需采用特殊焊接工艺。近海工程选用的钢材屈服强度小于420MPa。l选用的钢材应具有良好的成形性和可焊性。对设计的环境条件具有良好的断裂韧性。l钢材等级的选择，应根据构件的类别、构件厚度和人工设计温度按我国平台规范规定选用。l各等级钢材允许使用的最大构件厚度可根据构件类别和最低设计温度按表8-1确定。2.钢管类型钢管类型按有无焊缝分类：焊接钢管（有缝管）和无缝钢管按断面形状分类：圆管、异形管圆管和圆形实心柱 1）无缝钢管无缝钢管热轧无缝钢管：适合大直径钢管，精度低，成本低冷轧无缝钢管：适合小直径钢管，精度高，成本高应力应变曲线的区别2）焊接钢管焊接钢管用钢带货钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成的表面有焊缝的钢管。根据焊接方法可分为：电弧焊管、电阻焊管、摩擦焊管、气焊管、炉焊管等。按焊缝形状分为直缝焊管和螺旋焊管直缝焊管：生产工艺简单、效率高、成本低，适合小直径钢管螺旋焊管：强度高、能生产不同直径的焊管、焊缝长，生产速度低，适合大直径钢管。三、圆管构件设计计算方法三、圆管构件设计计算方法1.安全系数和容许应力安全系数和容许应力l平台规范规定采用容许应力设计法。l容许应力法是以钢材的屈服强度除以安全系数作为结构的强度标准。l安全系数的确定分工作环境条件和极端环境条件两种工况。l工作环境条件下安全系数规定见表8-2l极端环境条件下安全系数可降低25%，也就是容许应力可提高1/3。l焊缝的容许应力：工作环境下，对接焊缝的容许应力取母体金属的容许应力，即抗拉和抗压为 ，抗剪为 ，贴角焊缝不论抗拉、抗压或抗剪均为 。2.计算原则1）强度条件：承受动力荷载的结构除计算静强度外，还应进行疲劳强度演算。一般表面光滑的构件不需演算疲劳强度，但高强度钢的疲劳强度比屈服点低，需要演算疲劳强度。2）稳定条件整体稳定性：局部稳定性：大直径薄壁钢管当D/t60时，需考虑局部稳定3）变形和刚度条件l受弯构件的刚度用挠度衡量，结构振动用自振周期衡量，轴向受力杆件的刚度用长细比控制。第二节第二节 圆管构件的强度计算圆管构件的强度计算圆管构件按其受力性质可分为：l轴向受力构件l受弯构件l偏心受力构件l同时承受外水压力及受扭的构件一、强度破坏准则1.钢材单向受拉的主要性能2.钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏3.复杂应用状态的屈服条件l实际结构中，钢材常受到双向平面或三向立体应力的作用。在多向应力状态下，钢材向塑性阶段转化并不取决于一种应力而取决于某个应力函数，即折算应力二、圆管构件的强度计算二、圆管构件的强度计算1.轴心受力杆件的强度计算l轴心受力杆件：受有轴向力作用而无弯矩的杆件。l轴心力可以是拉力或压力。l轴心受力杆件截面上的应力均匀分布，其强度条件是截面上的平均应力不得超过容许应力，其强度计算公式为：2.受弯构件的强度计算受弯构件的强度计算l正应力：离中和轴最远处的弯曲正应力最大。我国平台规范规定将基本容许弯曲应力提高10%，因此圆管杆件受弯时的强度计算公式：l剪应力：最大剪应力在中和轴上，其值等于圆管截面平均剪应力的2倍，抗剪强度条件为：l当圆管杆件承受作用在两个主轴平面的弯矩时，弯矩可矢量相加，得合成弯矩，故强度计算公式为：l相应的剪力计算公式为：3.偏心受力杆件的强度计算偏心受力杆件的强度计算l偏心受力杆件：轴向力不通过截面形心的杆件或同时受轴向力和横向力的杆件。l强度条件是截面边缘处的最大应力不得超过容许应力，强度计算公式为：l对于轴心受力并在两个主轴平面内受弯的圆管杆件，其强度计算公式为：4.静水压力下轴向受力杆件的强度计算静水压力下轴向受力杆件的强度计算l静水压力下，圆管管壁在环向受到的压应力为：l环向受压的容许应力为：l故圆管管壁环向受压强度安全条件为：5.圆管杆件的抗扭强度计算圆管杆件的抗扭强度计算l圆管抗扭能力最好。l在扭矩作用下，圆管受到纯扭矩产生的剪应力为：第三节第三节 圆管构件的稳定性计算圆管构件的稳定性计算l稳定性包括：整体稳定性和局部稳定性l影响圆管构件稳定性的因素很多，稳定性计算方法是基于大量模型试验所得出的规律性结果。l无加强圆管构件的稳定性计算，主要是正确选择壳体长度L、直径D和壁厚t等几何尺寸，以保证在工作和极端条件荷载作用下具有整体和局部稳定性。l主要介绍无加强圆管构件在轴向压力、弯矩、压弯联合作用下的局部和整体屈曲，在静水压力作用下的环向屈曲以及轴向拉力或压力共同作用下的屈曲计算方法。对每一种屈曲给出计算弹性或非弹性临界应力公式。一、轴向压力作用下圆管构件的一、轴向压力作用下圆管构件的屈曲屈曲l圆管构件在轴压作用下，既可能发生局部屈曲，又可能发生整体屈曲，判断标准是径厚比D/t和长径比L/D。整体屈曲由长径比控制，局部屈曲由径厚比控制。L/D很大而D/t很小，则只有整体屈曲，没有局部屈曲。D/t较大，则既有整体屈曲，又有局部屈曲。l我国平台规范规定：当D/t60时要计算局部稳定性。1.轴压作用下圆管构件的局部屈曲轴压作用下圆管构件的局部屈曲l我国平台规范规定，采用下式计算弹性局部屈曲临界应力：l采用下式计算非弹性局部屈曲临界应力：2.圆管构件在轴向压力作用下的整体屈曲圆管构件在轴向压力作用下的整体屈曲3.构件有效长度和容许长细比构件有效长度和容许长细比4.局部屈曲和整体屈曲的相互影响二、圆管构件在弯矩作用下的局部屈二、圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲曲三、轴向压力和弯矩的联合作用三、轴向压力和弯矩的联合作用l弯矩和轴向压力共同作用下的圆管构件，既有强度问题，又有稳定问题，所以应该进行强度和稳定性两项校核。1.强度验算强度验算l受拉或受压并在两个平面内受弯的圆管构件按下式进行强度校核：2.压弯圆管构件的稳定计算压弯圆管构件的稳定计算我国平台规范压弯圆管构件的稳定验算公式为：3.钢管桩的稳定计算四、圆管构件在水压和轴力作用下的破四、圆管构件在水压和轴力作用下的破坏坏1.圆管构件在静水压力作用下的环向屈曲圆管构件在静水压力作用下的环向屈曲l弹性环向屈曲应力为：弹性环向屈曲应力为：l非弹性阶段采用塑性折减来考虑非弹性的影响，因此环向屈曲临非弹性阶段采用塑性折减来考虑非弹性的影响，因此环向屈曲临界应力公式为：界应力公式为：2.轴向拉力和外水压力相互作用轴向拉力和外水压力相互作用3.轴向压力和外水压力相互作用轴向压力和外水压力相互作用第一节第一节 管节点的型式与术语管节点的型式与术语一、管节点的类型l简单节点简单节点：直接把撑杆（支管）焊在弦杆（主管）上，撑杆间不搭接、不用节点板、隔板或加筋板的节点。l搭接节点搭接节点：撑杆相互重叠焊在弦杆上的节点。l加强管节点加强管节点：采取加强措施，如设置节点板、内外加强环、加隔板等，以增强弦杆管壁刚度。l扩大节点扩大节点：将弦杆段部分截面扩大，以改善节点的应力状况。二、管节点各部分符号及名称1.管节点各部分的符号管节点各部分的符号2.管节点的特性参数管节点的特性参数（1）撑杆半径与弦杆半径之比，它是荷载传递和应力分布的指标。（2）弦杆半径与弦杆壁厚之比，它是弦杆径向柔度指标。（3）撑杆壁厚与弦杆壁厚之比，它是撑杆与弦杆的相对弯曲刚度指标。三、管节点的设计要求三、管节点的设计要求l避免焊缝立体交叉和过度集中，焊缝布置尽可能对称于构件中心轴线。l尽量减小由于焊缝和邻近母材冷却收缩产生的应力。l尽量不采用加筋板来加强管节点，若用内部加强环则应避免应力集中。l一般受拉和受压构件的端部连接应达到设计荷载所要求的强度。对于简单管节点的连接应满足：第二节第二节 管节点的应力分析管节点的应力分析l由平台总强度分析计算出的各管状构件的总应力称为名义应力，包括轴向应力、弯曲应力和扭转应力，对撑杆来说主要应力是轴向应力。因此管节点的应力分析只考虑撑杆受轴向应力。l由于几何复杂和加工缺陷引起的应力集中，局部应力有时会高达名义应力的10倍以上。一、管节点应力分布l导管架设计普遍采用简单管节点。现主要讨论T型管节点的应力分布。二、热点应力与应力集中系数l理论上热点应力发生在弦杆和撑杆交接线的最低点，但实际节点的几何形状和加载条件与理论上有区别，热点位置也不同于理论热点位置。l应力集中系数SCF定义为管节点的最大应力值（热点应力）与计算名义应力值之比：l管节点的几何形状不同，应力集中系数也不同。应力集中系数是研究管节点强度的重要指标之一。第三节第三节 管节点的强度分析管节点的强度分析l静力强度分析的目的是预测热点处的应力水平和节点破坏时的极限荷载，以便进行强度设计和疲劳分析。l对管节点进行静力强度分析主要有两种方法：理论分析法和试验研究法。l实际设计中广泛采用的是以试验数据为依据，结合理论分析的某些结果，给出半经验半理论方法。一、冲剪应力法1.冲剪应力冲剪应力l冲剪法是假定节点破坏出现在弦杆管壁上，且破坏是由于撑杆的冲剪荷载在弦杆冲剪面积上的冲剪应力超过了弦杆材料强度，使得弦杆沿撑杆焊边剪断。l假定撑杆作用的名义荷载为P，撑杆与弦杆轴线交角为 ，则作用于弦杆管壁的冲剪荷载可表示为：l由于冲剪荷载作用，在撑杆与弦杆接线处，弦杆冲剪面上的冲剪应力为：l假定弦杆与撑杆交接线近似为标准椭圆，得：lAPI近年来对此式做了修改为：2.许用冲剪应力许用冲剪应力API给出的许用冲剪应力为：二、名义荷载法l浅海固定平台建造与检验规范规定：以撑杆名义荷载计算的节点轴向和弯矩许用承载能力P和M按下式计算，在极端环境条件下可增大1/3。第四节第四节 管节点的设计管节点的设计l管节点的设计主要是确定弦杆、撑杆管段管壁厚度与尺寸，选择节点使用的钢材，校核管壁强度。本节主要讨论采用静力强度法对管节点进行设计的方法。一、简单管节点的设计l简单管节点的设计方法主要有冲剪应力法和名义荷载法。其中，冲剪应力法最有权威性，如API，DNV以及我国平台规范普遍采用此法。名义荷载法是通过名义荷载来表示荷载强度，只要荷载准确，安全系数选择恰当，该法被认为是比价可靠和安全的。1.冲剪应力设计法冲剪应力设计法1）撑杆冲剪应力计算2）弦杆许用冲剪应力3）强度校核当撑杆受到轴力和弯矩联合作用时，应满足下式：2.名义荷载法名义荷载法1）确定节点许用承载力2）节点强度校核作用在撑杆上轴向力及弯矩应分别满足下式：当撑杆受到轴力和弯矩联合作用时，应满足下式：二、搭接管节点静力强度设计方法二、搭接管节点静力强度设计方法1.冲剪应力法搭接撑杆垂直于弦杆的分力PV应不超过PV2.名义荷载法搭接节点所能承受的荷载PV由下式计算：三、管节点设计构造要求三、管节点设计构造要求1.简单管节点的构造要求2.搭接管节点的构造要求第五节第五节 管节点疲劳分析管节点疲劳分析一、疲劳破坏的概念一、疲劳破坏的概念1.疲劳破坏l材料或结构的某点或某些点在重复交变应力作用下逐渐产生永久的结构变化，并在一定的循环次数后形成裂纹或继续扩展直到完全断裂，材料或构件的这种破坏称为疲劳破疲劳破坏坏，其中呈周期性变化的应力称为交变应力交变应力。2.疲劳寿命和疲劳强度l疲劳寿命疲劳寿命：结构或结构的某点达到疲劳破坏时的交变应力循环次数或时间。l疲劳强度疲劳强度：金属材料在无限多次交变荷载作用下而不破坏的最大应力。一般规定钢经受106次，非铁（有色）金属材料经受108次交变荷载作用。3.影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素1）应力幅与应力循环次数2）残余应力3）材料的缺陷4）海洋环境影响5）SN曲线l以应力幅为纵坐标，许用的荷载循环次数为横坐标绘制的疲劳曲线。二、简单疲劳分析法二、简单疲劳分析法l规定一个管节点的许用应力标准值，认为符合一定海况条件的海洋平台，满足许用应力标准就能保证平台管节点的疲劳强度。l自振周期低于3s，水深小于122m的超静定结构，并选用延性钢材的导管架平台，其管节点可用简单疲劳分析法，此法应对结构中全部管节点进行设计计算，使它们在疲劳设计波浪下的热点应力峰值不超过许用热点应力峰值：三、详细疲劳分析法三、详细疲劳分析法l详细疲劳分析法又分确定性法和谱分析法，这两种方法的共同之处是基于SN曲线，用迈纳的疲劳累积损伤规则来估算节点的疲劳寿命，而其主要区别在于对海洋环境数据的处理。l母型设计母型设计母型设计母型设计l规范设计规范设计规范设计规范设计l强度设计强度设计强度设计强度设计10-1 10-1 平台设计方法和要求平台设计方法和要求一、设计方法一、设计方法l l母型设计母型设计母型设计母型设计l母型设计也叫仿型设计，即仿照母型平台设计。它是选择一个或两、三个已建成并使用成功的平台作为母型进行设计。要设计的平台应与母型平台的使用技术条件和海洋环境条件等相近。l l规范设计规范设计规范设计规范设计l 规范设计是按照各国船舶检验局或船级社的规范要求而进行的设计。l l强度设计强度设计强度设计强度设计l强度设计设计方法是建立在结构力学、弹性理论等基础理论和现代计算技术的理论分析方法上，结合平台结构具体情况，根据给定的环境条件和设计工况进行平台强度计算。对复杂的空间整体结构和局部结构以及新型结构均采用这种方法进行设计。一般综合采用上述几种方法。例如，在选择平台主尺度时用母型设计方法；在确定一般构件尺寸时用规范设计方法；对复杂的局部结构设计时采用强度理论分析方法。二、设计要求1.安全性：设计中要确保平台结构安全可靠，保证生产和人员的安全。2.适用性：在设计中要考虑海上作业的特点和需要，以便利生产，方便生活。3.先进性：要采用先进技术，使技术性能指标达到先进水平。4.经济性：要特别考虑经济效益，使投资省，收效大，建成的平台具有良好的经济性能指标。5.工艺性：设计中应根据海上施工特点考虑平台的建造及维修方案，力求降低劳动强度，提高劳动生产率。10-2 平台结构组成与结构型式选择一、平台结构组成一、平台结构组成1.1.下部船体结构下部船体结构l它为活动式平台在转移或作业时提供浮力，以满足平台在漂浮、半潜等状态时的浮性和稳性要求。2.2.上部平台结构上部平台结构l它为活动式平台提供足够的工作场所和生活设施。3.3.中间支撑结构中间支撑结构l它支撑平台，使平台形成一个整体，以满足平台整体性能和整体强度的要求。4.4.锚索结构锚索结构l它是为保证平台海上定位、就位及安全停泊而设置的。二、平台结构型式选择1 1平台结构类型选择平台结构类型选择l通常应根据工作海域水深、海洋环境条件和海底地质状况等加以选择。l坐底式平台工作水深是有限的，水深超过30m，建造费用急剧上升，并且操作和移位都很困难，故该种型式的平台都在浅水地区使用。l自升式平台最大工作水深可达百米以上，但一般多用于水深为3090m。自升式平台桩腿的型式很多，它根据不同的工作水深、海底地基等条件，采用壳体式(封闭型桩腿如圆形、方形)或桁架式桩腿。圆形或方形一般适用于60m以内的水深范围，超过该水深采用桁架式桩腿。l浮船式适应工作水深为10600m。航行阻力小，适航性能和稳性好，但抗风浪性能差，与其他型式相比有效工作日少。l半潜式平台采用锚泊定位，最大工作水深一般为1500m，超过1500m采用动力定位。半潜式平台作业水深大、运动性能好。l张力腿平台移位不便，不宜用于勘探平台，可用作生产平台。2.2.平台结构型式选择平台结构型式选择（1）选择平台大的类型）选择平台大的类型l根据工作水深、海底地基和海洋水文确定；如选择坐底式、自升式或半潜式等等（2）确定下部结构）确定下部结构l根据海底地基情况确定；l插桩式：坚硬海底或倾斜较大的海底；l沉垫式：软弱平坦海底。（3）确定上部平台）确定上部平台l形状：三角形、矩形、五角形l面积：由使用要求和工艺布置确定l层数：单层或多层；l结构形式：单层甲板采用桁架板梁式结构、多层采用箱型10-3平台排水量的确定l平台处于漂浮状态时，在某一载荷工况下的总重量，称为重量排水量，简称排水量。平台设计中典型荷载工况的排水量一般分成空船、轻载和满载3种情况。l空船排水量指整个平台连同其安装的机械、设备和舾装，包括固定压载、平台上备件以及机械和管路中至正常工作水平面的各种液体的重量，但不包括贮存在供应舱里的液体、消耗品、可变载荷、贮存物品、船员和行季的重量。l轻载排水量等于空船重量加一定数量的设备、可变载荷、船员、备品等等的重量。l满载排水量等于空船重量及全部设备、可变载荷、船员、备品等等的重量。l作业排水量：如半潜式平台，作业时常需增加压载，获得最大作业排水量，以减小平台升沉运动，提高作业效率。l风暴排水量：当遇风暴平台不能作业时，为取得最大干舷，以防平台上浪或遭受波浪拍击，常采用抛载减小排水量的办法，使平台上浮，以确保平台安全。此抵抗风暴时的排水量即为风暴排水量。设计排水量设计排水量l通常规定满载排水量为设计排水量。l为确定设计排水量，应首先确定荷载重量，特别是其中的甲板变载。载重量中的钻井设备重量和可变重量要根据使用单位(业主)要求制定，对于个别不确定的项目也可根据型船选取。各种平台的钻井设备重量差别不大，约在7001000吨。可变重量因工作水深、钻井深度、自持能力的不同，而有较大的变化。l排水量中除载重量外，还包括动力装置及系泊系统的重量。动力装置和锚泊系统要根据任务书要求进行确定，参照型船估算其重量。在初估结构重量时，可根据平台的类型及主尺度选用母型船资料或采用重量系数估算。10-4 平台主尺度一、平台长度一、平台长度L L1.1.平台长度定义平台长度定义(1)自升式钻井平台和驳船式钻井船lL是在壳体中纵剖面上，在0.85D(型深)处首尾壳板内缘之间的距离，但不计井口槽存在的影响。如果壳体线型近似于船型，则L不应小于夏季水线长度的96%。（2）半潜式钻井平台和坐底式钻井平台l L为沿长度方向从结构前端到后端投影的最大尺度。2.2.影响平台长度的因素影响平台长度的因素(1)(1)生产工艺布置生产工艺布置l上部平台本体一般为两层甲板。要把生活区和作业区严格分隔开。这些分区以及设备的合理布置控制着平台的总长度。(2)(2)平台水力特性平台水力特性l上部平台或下船体的长度配合其它尺度(宽度、吃水)以及支撑结构尺度共同组成平台的浸水面积、排水体积，以给整个平台提供必要的浮力，满足浮性、稳性要求。(3)(3)地基承载能力地基承载能力l平台坐底时，全部载荷将通过下船体传给海底地基，因而坐底面积上的平均压力应小于海底地基所能承受的平均压力，否则平台不稳定。(4)(4)坞修能力坞修能力 l坞长限制平台长度，而基地的航道、停泊港池、码头岸线等条件也影响平台长度的选取。(5)(5)其它因素其它因素l合理的设计长度可减小平台在拖航中的兴波阻力，减少平台在拖航中的纵摇。二、平台宽度二、平台宽度B B1.1.平台宽度定义平台宽度定义(1)自升式钻井平台，浮船式钻井船和驳船式钻井船lB为沿垂直于纵剖面的直线量得的两舷壳板内侧的最大水平宽度。(2)半潜式钻井平台、坐底式钻并平台lB为沿垂直于纵剖面的直线量得的最大总宽度。2.影响平台宽度的因素(1)(1)生产工艺布置生产工艺布置l以钻井平台为例。上部平台除布置井架、井场、泥桨循环系统外，还要在宽度上留出布置边缘设备的面积。边缘设备有两舷起重机、锚机以及可以选择风向的试油燃烧架等。(2)(2)着底稳性着底稳性l平台着底时，一般横倾力矩大于纵倾力矩，平台横向抗倾稳性主要取决于平台的总有效重量，以及下船体宽度或桩腿间距。后者直接影响平台宽度。(3)(3)漂浮稳性漂浮稳性l当长度与吃水一定时，平台的浮性及稳性都与平台的宽度有关。选取的平台宽度应至少满足规范对漂浮状态时的浮性、稳性要求。(4)(4)其它因素其它因素l平台宽度增大，使拖航中波浪变形增大，波增高，增加了风浪中的阻力；同时因宽度增大，长与宽的比值缩小，影响拖航时航向稳定性。航道、船闸、码头岸线和坞门尺寸等也会影啊平台的设计宽度。三、型深三、型深D D1.1.型深定义型深定义(1)自升式钻井平台、浮船式钻井船和驳船式钻井船lD为沿船侧在船长中点处从基线量至干舷甲板梁上表面的垂直距离。(2)半潜式钻井平台和坐底式钻井平台lD为自基线量至最上层连续甲板梁上表面的垂直距离。对于底部有裙板的坐底式钻井平台，应另加裙板高度。2影响型深的因素l上部平台或下船体选取的型深，必须满足干舷的要求。型深除满足抗沉性和稳性之外，还须满足油仓、水仓和压载仓的仓容要求。l平台长度、宽度与型深之间，不是互相独立，而是有联系的。平台吃水与型深之比一般在0.650.75之间，在型深选定的条件下，可求出吃水。一旦吃水确定，可假定平台宽度，依据初估的平台排水体积，便可求出平台长度：L=V/BT 四、主甲板距基线高度HlH=h1+h2+h3+h4 五、立柱尺度l从结构方面来看，立柱数目多，结构重量增大，但对甲板的支承条件有利，可使甲板某些构件跨距减小，从而使这些构件的尺寸减少。同时，立柱多则直径可小，直径小使内部水密分隔也少，因而其内部结构的重量减轻。l 立柱数目对平台固有周期以及平台所受扰动力影响不大，但对阻力的影响显著。阻力几乎随立柱数目成正比例增加，立柱间有相互干涉效应。l 从稳性来看，立柱数目只要不少于三根均可满足要求，但立柱数目少，对破损稳性有影响。立柱数目适当多些，对破损稳性是有利的。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢