吳 靚 蔣秋申 李麗紅 李衛(wèi)華

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

“津平1號”是我國第一艘首次成型的帶樁腿提升自升平臺的高精度深水拋石整平船，為港珠澳大橋工程量身定制，進行沉管隧道基礎(chǔ)施工，負責(zé)鋪設(shè)水深10～40 m范圍內(nèi)所有沉管關(guān)節(jié)（包括EPS）的碎石墊層。在不移動船身的情況下，碎石鋪設(shè)整平作業(yè)范圍可達48 m×25 m。

對于自升式平臺，站立狀態(tài)下總體性能分析是平臺作業(yè)的重要基礎(chǔ)［1］，主要包括：樁腿強度，平臺抗傾覆穩(wěn)性，鎖緊裝置能力及樁腿最大支反力。其計算方法依據(jù)為中國船舶檢驗局《海上移動平臺安全規(guī)則（1992）》和中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范（2005）》。

1 總體布置及結(jié)構(gòu)形式

拋石整平平臺（以下簡稱“平臺”）的主要功能為拋石整平。其設(shè)置有：抬升系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、石料傳送系統(tǒng)、大車、小車、拋石管及其控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、定位錨絞車和系泊絞車等設(shè)備。頂甲板四角布置有4根采用齒輪齒條形式驅(qū)動的圓柱形樁腿；中間月池上部設(shè)置1臺縱向移動的大車，大車上設(shè)置帶有拋石管的小車，小車可以沿大車橫梁橫向移動。船上還配置了供給料皮帶機、柴油發(fā)電機組、壓艙注排水系統(tǒng)等各種輔助設(shè)備。

平臺船體分為主船體和上層建筑兩部分。兩者均呈75.8 m×46 m（垂線間長×型寬）的“回”字形。主船體型深5.5 m，分布有壓載艙、泵艙、海水緩沖艙、燃油艙、淡水艙、污水艙及輔機艙等；上層建筑在距船底12 m的頂甲板上下分別為首（尾）部甲板室與首（尾）部連接橋，分布有居住艙室、餐廳、廚房、應(yīng)急發(fā)電機室、機艙集控室、機艙、機修間、CO2站室、會議室及變頻驅(qū)動站等。主船體與上層建筑之間以“工”字型支柱相連接?！盎亍弊中沃虚g為59 m×30 m的月池開口，可供拋石管行走作業(yè)。平臺總布置如圖1所示。

平臺工作水深最大為40 m，對沿海海區(qū)，圓柱形樁腿已足夠滿足使用要求。樁腿結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 拋石整平平臺總布置圖

圖2 樁腿結(jié)構(gòu)圖

齒輪齒條式升降裝置安裝在船體與樁腿的交接處，驅(qū)動升降裝置使船體和樁腿作相對的上下運動。當(dāng)平臺處于站立狀態(tài)時，鎖緊裝置將船體固定于樁腿某一位置，此時升降裝置（鎖緊裝置）主要承受垂向力，水平力則由固樁裝置傳遞。船體與樁腿的連接及各部件作用如圖3與表1所示。

圖3 船體與樁腿連接示意圖

表1 船體與樁腿的連接及各部件作用

2 有限元模型

平臺站立狀態(tài)的總體性能分析使用了SACS軟件。該軟件是廣泛用于海洋平臺及一般陸地結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，為各船級社所認可。

平臺除了承受自身固定重量和可變載荷外，還受到環(huán)境載荷（風(fēng)、浪、流）的影響，以及平臺水平位移引起的P-Delta效應(yīng)和慣性運動引起的動態(tài)響應(yīng)幅值載荷。樁腿圍阱區(qū)域是自升式平臺的主要受力區(qū)域，承受及傳遞船體與樁腿之間的彎矩和剪力。在總體性能分析中，模擬船體與樁腿連接的力學(xué)模型十分重要。

為更真實模擬平臺受力情況，在SACS中分別對主船體與上層建筑用梁單元建模，并正確描述船體的剛度，兩者之間以真實的“工”字型支柱連接。樁腿以圓管型式的梁單元模擬，如圖4所示。

圖4 全船有限元模型

在仿真模型中，選取頂部橫向限位塊、中部縱橫向?qū)驂K、鎖緊裝置、主甲板橫向限位塊、底部縱橫向?qū)驂K模擬連接站立狀態(tài)下的船體與樁腿，以等效梁單元模擬，并賦予適當(dāng)約束。

平臺樁腿采用插樁形式，根據(jù)CCS的規(guī)定，插樁式自升式平臺一般以泥面下3 m處為鉸接點。

3 計算過程［2-3］

3.1 設(shè)計環(huán)境條件

平臺的站立狀態(tài)分為風(fēng)暴自存工況和正常作業(yè)工況，環(huán)境條件如表2所示。

3.2 船體自重

船體的自重包括固定載荷（指永久固定在平臺上并構(gòu)成平臺一部分的設(shè)施）與可變載荷（指作業(yè)期間需要移動或消耗的物品），以線載荷的方式分別添加在模擬主船體與上層建筑的梁單元上，并真實模擬最危險的重心位置。

3.3 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷在平臺的強度計算中扮演了非常重要的角色。根據(jù)規(guī)范和規(guī)格書的要求，需考慮兩種不同的風(fēng)速：100 kn（即 51.5 m/s，風(fēng)暴自存工況），50 kn（25.8 m/s，正常作業(yè)工況）。此處風(fēng)載荷的計算參照SNAME規(guī)范提供的經(jīng)驗公式。

表2 環(huán)境條件參數(shù)表

3.4 波浪與海流載荷

作用在樁腿上的由波浪和海流引起的水動力載荷可以通過MORISON公式求解：

式中：△F——單元長度上的水動力載荷；

△Fdrag——單元長度上的拖曳力；

△Finertia——單元長度上的慣性力；

ρ——海水密度；

D——構(gòu)件直徑；

CD——拖曳力系數(shù)；

ux——標準單元波浪粒子的速度；

CM——慣性力系數(shù)；

u˙x——標準單元波浪粒子的加速度

其中波浪水質(zhì)點運動由Stokes五階波浪理論求解；而起決定作用的CD和CM根據(jù)SNAME規(guī)范提供的經(jīng)驗公式計算。SACS自帶的浪、流載荷計算功能大大簡化了計算過程。

3.5 動態(tài)響應(yīng)幅值載荷

本分析中考慮了由波浪引起的船體動態(tài)響應(yīng)。根據(jù)規(guī)范要求，對自升式平臺可以采用經(jīng)典單自由度（SDOF）法估算動態(tài)響應(yīng)幅值載荷。計算公式：

式中：KBSDAF——動態(tài)響應(yīng)系數(shù)；

Tn——平臺搖擺運動的自然周期；

T——平臺遭遇的波浪的周期；

ζ——阻尼系數(shù)；

Finertia——動態(tài)響應(yīng)力；

Moverturning——動態(tài)響應(yīng)彎矩；

Fwavemax——波浪力的最大值；

Fwavemin——波浪力的最小值；

hG——平臺重心高度

3.6 P-Delta效應(yīng)

施加以上載荷后，平臺將發(fā)生水平位移，由此產(chǎn)生的二次彎矩即為P-Delta載荷。

海床作用力垂向分量不通過平臺重心，會導(dǎo)致線性近似靜態(tài)理論計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。船體重心的偏移會增大傾覆力矩，導(dǎo)致背風(fēng)樁腿軸向載荷增加，迎風(fēng)樁腿軸向載荷減小，同時，背風(fēng)樁腿下導(dǎo)軌彎矩減小，迎風(fēng)樁腿下導(dǎo)軌彎矩增加。

4 平臺站立狀態(tài)總體性能分析［2-3］

4.1 樁腿強度校核

SACS軟件內(nèi)置多種規(guī)范，可以直接對樁腿強度進行規(guī)范校核，并給出樁腿的效用因子。當(dāng)效用因子小于1時，樁腿的整體屈服和屈曲強度均滿足規(guī)范要求，如表3所示。

4.2 平臺抗傾覆穩(wěn)性分析

抗傾覆穩(wěn)性是指自升式平臺在站立狀態(tài)下，其自身的重力產(chǎn)生的抗傾覆力矩足以抵抗由風(fēng)、浪和流等外部環(huán)境載荷作用產(chǎn)生的引起平臺傾覆的傾覆力矩。該指標為校核平臺站立安全性的重要指標之一。據(jù)規(guī)范，校核平臺站立狀態(tài)的抗傾覆穩(wěn)性參照以下橫準：

式中：KSF——抗傾安全系數(shù)

平臺的KSF分別取：風(fēng)暴自存工況下，1.3；正常作業(yè)工況下，1.5。表4給出了平臺的抗傾覆能力。Mwave¤t表示波浪和海流對平臺產(chǎn)生的彎矩；Mwind表示海風(fēng)對平臺產(chǎn)生的彎矩；Minertia表示平臺動態(tài)響應(yīng)幅值彎矩；MP-Delta表示平臺因P-Delta效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩；Mq表示平臺傾覆力矩；Arm表示平臺抗傾覆力矩的力臂；Mk表示平臺抗傾覆力矩。

4.3 鎖緊裝置能力校核

平臺的鎖緊裝置承受全部的垂向載荷和絕大部分的彎矩載荷，是平臺在站立狀態(tài)下最重要的受力機構(gòu)。表5給出了平臺的鎖緊裝置能力。

4.4 樁腿最大支反力分析

樁腿支反力分析對全船整體分析以及樁腿設(shè)計都有重要意義，尤其對樁靴設(shè)計有指導(dǎo)作用。表6給出了樁腿的最大支反力。

表4 各工況下平臺抗傾覆能力

表5 各工況下鎖緊裝置效用因子

表6 各工況下樁腿最大支反力

5 結(jié)語

本文闡述了平臺總體性能分析的思路和方法，計算了平臺站立狀態(tài)下的幾個關(guān)鍵總體性能，為平臺的后期設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持，在平臺的設(shè)計過程起到統(tǒng)領(lǐng)作用，其準確性至關(guān)重要。

計算過程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境載荷中風(fēng)、浪、流對計算結(jié)果的影響依次減小，尤其風(fēng)載荷對計算結(jié)果的影響非常大，所以前期風(fēng)載荷的計算需要準確可靠。

［1］孫東昌，潘斌.海洋自升式移動平臺設(shè)計與研究［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

［2］SNAME.Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units［S］.2002.

［3］陸晟.350 ft自升式平臺站立工況總體分析［J］.船舶設(shè)計通訊，2010（增刊）：71-75.