海上多功能工作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、海上多功能工作平臺是在國家大力發(fā)展跨海大橋建設(shè)施工技術(shù)的背景下，并針對瓊州海峽跨海大橋基礎(chǔ)建設(shè)的需求，設(shè)計開發(fā)的新型可移動自升式海上施工平臺，其具備在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中安全高效地完成多項(xiàng)橋梁施工作業(yè)的能力。由于我國對諸如海上多功能工作平臺之類的大型深水自升式海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并對平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)的掌握還不夠全面，因此對海上多功能工作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中的所涉及的關(guān)鍵技術(shù)開展全面深入研究將有益于提高我國海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力

2、和研發(fā)水平。
　　 本文以瓊州海峽跨海大橋工程為背景，針對跨海大橋施工特點(diǎn)，并通過對自升式海洋平臺設(shè)計理論和方法的研究，完成了海上多功能工作平臺的方案設(shè)計。采用理論研究、模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真等多種方法手段，全面深入地研究了平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算方法、平臺極限承載能力分析方法、樁腿結(jié)構(gòu)空間KK管節(jié)點(diǎn)疲勞性能以及樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化設(shè)計等海上多功能工作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文研究的主要內(nèi)容和成果包括：
　　 (1)根據(jù)國

3、內(nèi)外已有自升式海洋平臺的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn)，對平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)行了消化、吸收和總結(jié)。根據(jù)瓊州海峽跨海大橋工程的基本建設(shè)條件和施工特點(diǎn)，并通過分析比選研究確定了平臺船體、樁腿、樁靴、升降系統(tǒng)和固樁系統(tǒng)的基本型式，提出了海上多功能工作平臺的總體設(shè)計方案。設(shè)計的海上多功能工作平臺具備在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中安全高效地完成跨海大橋建設(shè)中的深水打樁及基槽整平等施工作業(yè)的能力，作業(yè)最大水深達(dá)到80米。海上多功能工作平臺的設(shè)計方案采用

4、模塊化設(shè)計理念將平臺艉部設(shè)置為供大型施工設(shè)備運(yùn)行的工作區(qū)域，將艏部舷側(cè)區(qū)域設(shè)置為可通過連接裝置連接外部模塊的擴(kuò)展區(qū)域，較大地提高了平臺的功能范圍和改裝能力。模塊化技術(shù)的引入使海上多功能工作平臺的總體方案更加符合大型海洋工程裝備發(fā)展趨勢，使平臺真正具備了“多功能性、多用途性、良好經(jīng)濟(jì)性”的特點(diǎn)。海上多功能工作平臺的設(shè)計方案獲得了兩項(xiàng)國家實(shí)用新型專利。
　　 (2)深入分析海上多功能平臺的結(jié)構(gòu)型式和海上作業(yè)特點(diǎn)，并研究了海上多功能工

5、作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計直接計算方法，在此基礎(chǔ)上，采用有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合相關(guān)海洋平臺設(shè)計建造規(guī)范建立了海上多功能工作平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型。根據(jù)對平臺風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載的計算方法和準(zhǔn)則的研究，提出了海上多功能工作平臺最不利環(huán)境載荷的計算分析方法。對海上多功能工作平臺自存、升降、正常工作及拖航等四種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析結(jié)果表明：①平臺主要結(jié)構(gòu)及構(gòu)件均滿足強(qiáng)度要求，局部區(qū)域有高應(yīng)力出現(xiàn)。②樁腿弦桿與樁靴連接處是平臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力的典型區(qū)

6、域。③平臺主船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在圍阱區(qū)域；④打樁模塊和整平裝置連接模塊工作區(qū)域的平臺甲板應(yīng)力偏大。根據(jù)計算分析結(jié)果可以全面了解平臺結(jié)構(gòu)各工況下的受力特性，為平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度評估以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要參考。本文提出的海上多功能工作平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計直接計算方法適用于同類自升式海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　 (3)以非線性有限元為基礎(chǔ)，采用了靜力彈塑性分析方法對海上多功能工作平臺極限承載能力進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了自存工況下平臺受到0

7、°、45°、90°三種不同方向環(huán)境載荷作用下平臺的極限承載能力，以及平臺后服役期考慮碰撞損傷、構(gòu)件缺失、腐蝕、海生物附著和樁基沉降五種損傷的缺陷平臺的極限承載能力，得到了一些有意義的結(jié)論：①海上多功能工作平臺結(jié)構(gòu)在0°方向環(huán)境荷載的作用下極限承載能力最小，該工況最危險。②自存工況下海上多功能工作平臺在極限載荷作用下的頂端位移超過1.558m時可認(rèn)為平臺達(dá)到極限狀態(tài)。③作為反映平臺結(jié)構(gòu)承載能力及安全可靠性的重要指標(biāo)的強(qiáng)度儲備系數(shù)的變化范圍

8、為3.5～5，且在450方向環(huán)境荷載作用下最大，90°角方向荷載作用下最小。④不同損傷情況對海上多功能工作平臺極限承載能力影響程度不同：腐蝕對平臺的極限承載能力影響最大；海生物附著雖然不會降低平臺的極限承載能力，但會在放大環(huán)境載荷的同時明顯降低平臺強(qiáng)度儲備；對于平臺樁腿主要桿件的損傷及缺失尤其是斜撐桿的缺失對平臺的極限承載力影響較大．本文所采用海上多功能工作平臺極限承載能力的研究方法及研究成果為類似平臺極限承載能力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及安全

9、性評估提供了有用的參考。
　　 (4)采用模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真兩種方法對海上多功能工作平臺桁架式樁腿結(jié)構(gòu)的典型節(jié)點(diǎn)型式——空間KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行了相關(guān)研究。試驗(yàn)研究主要是通過開展空間KK型管節(jié)點(diǎn)在軸力作用下的疲勞性能試驗(yàn)，重點(diǎn)研究KK型管節(jié)點(diǎn)在軸力作用下沿著焊縫周圍的熱應(yīng)力區(qū)內(nèi)的熱點(diǎn)應(yīng)力分布、節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)，以及初始疲勞裂紋出現(xiàn)位置和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等。通過試驗(yàn)研究得到以下價值的結(jié)論：①KK型管節(jié)點(diǎn)模型弦桿上焊趾處應(yīng)力分布

10、的最大值出現(xiàn)在冠點(diǎn)到順時針方向的鞍點(diǎn)之間；最小值出現(xiàn)在跟點(diǎn)到逆時針方向的鞍點(diǎn)之間，與普通的K型管節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鞍點(diǎn)附近不同。撐桿上焊縫附近應(yīng)力分布的最大值出現(xiàn)在鞍點(diǎn)附近：最小值出現(xiàn)在跟點(diǎn)附近，與普通的K型管節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力分布相同。②KK型管節(jié)點(diǎn)模型在軸向載荷作用下的最大熱點(diǎn)應(yīng)力點(diǎn)位于弦桿焊趾處的冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間（距離跟點(diǎn)225度附近），該位置為疲勞裂紋最容易萌生和擴(kuò)展的位置，也是疲勞測試中應(yīng)重點(diǎn)觀察的區(qū)域。③KK型管節(jié)點(diǎn)模型的最大熱

11、點(diǎn)應(yīng)力值為211.6MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為5.2，采用S-N曲線估算得到的KK型管節(jié)點(diǎn)模型的疲勞壽命為31.6萬次，并據(jù)此制定疲勞試驗(yàn)的裂紋觀察和檢測手段。④疲勞初始裂紋出現(xiàn)位置與靜力試驗(yàn)預(yù)測的位置一致。疲勞裂紋萌生后迅速向兩邊擴(kuò)展，向冠點(diǎn)方向擴(kuò)展的速度大于向鞍點(diǎn)方向擴(kuò)展的速度。疲勞試驗(yàn)測得的空間KK管節(jié)點(diǎn)在軸向疲勞載荷作用下的疲勞壽命大于S-N曲線方法估算的疲勞壽命，說明采用S-N曲線對疲勞壽命的估算結(jié)果偏于保守。數(shù)值仿真研究主要結(jié)合

12、試驗(yàn)研究結(jié)果，建立了合理準(zhǔn)確的空間KK型管節(jié)點(diǎn)疲勞性能仿真分析模型，并采用數(shù)值仿真方法對具有不同幾何參數(shù)的空間KK型管節(jié)點(diǎn)疲勞性能進(jìn)行對比研究，數(shù)值仿真研究結(jié)果表明：①與試驗(yàn)分析結(jié)果對比可知，采用數(shù)值仿真方法計算空間KK型管節(jié)點(diǎn)的最大熱點(diǎn)應(yīng)力值具有一定的精度，可用于判斷空間KK型管節(jié)點(diǎn)的初始疲勞裂紋出現(xiàn)位置、評估結(jié)構(gòu)疲勞壽命以及指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。②空間KK型管節(jié)點(diǎn)的桿件壁厚和兩個K型管節(jié)點(diǎn)平面夾角是影響管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的主要因素。為了提高空間

13、KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能，在管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下采用較小的桿件壁厚以及合適的平面夾角。上述研究方法和研究結(jié)論為空間KK型管節(jié)點(diǎn)設(shè)計以及海上多功能工作平臺樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。
　　 (5)對自升式海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了研究，提出了基于有限元法的海洋平臺桁架式樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化設(shè)計的方法。應(yīng)用ANSYS程序的參數(shù)化設(shè)計語言建立了以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小制造成本為優(yōu)化目標(biāo)，以樁腿構(gòu)件的截面尺寸和樁腿結(jié)

14、構(gòu)的形狀參數(shù)為設(shè)計變量，遵照設(shè)計規(guī)范中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等多約束條件的平臺桁架式樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型，并編譯了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析程序。以海上多功能平臺設(shè)計方案為基礎(chǔ)的海洋平臺樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化結(jié)果表明：①通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的樁腿設(shè)計方案可有效減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高平臺的經(jīng)濟(jì)性。②不同弦桿中心距的樁腿結(jié)構(gòu)對應(yīng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果不同，隨著弦桿中心距的增大，樁腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計用鋼量呈現(xiàn)“大～小～大”的變化趨勢，當(dāng)弦桿中心距為10.25m時樁腿設(shè)計質(zhì)量最優(yōu)，說明樁

15、腿弦桿中心距是樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的因素之一。③從平臺結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)來看，隨著弦桿中心距的增大，平臺最大位移值和其樁腿用鋼量變化的趨勢相似，當(dāng)弦桿中心距為10.75時，位移響應(yīng)值最小。說明采用合理的樁腿結(jié)構(gòu)，不僅可以有效降低用鋼量，而且平臺的位移響應(yīng)也能得到優(yōu)化。本文對平臺樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化設(shè)計的研究方法和成果對海上多功能工作平臺樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考和指導(dǎo)意義。
　　 (6)對海上多功能工作平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、極限