海上多功能工作平臺結構設計關鍵技術研究.pdf

1、海上多功能工作平臺是在國家大力發(fā)展跨海大橋建設施工技術的背景下，并針對瓊州海峽跨海大橋基礎建設的需求，設計開發(fā)的新型可移動自升式海上施工平臺，其具備在復雜惡劣的海洋環(huán)境中安全高效地完成多項橋梁施工作業(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構設計缺少相關經驗，并對平臺結構設計的關鍵技術的掌握還不夠全面，因此對海上多功能工作平臺結構設計中的所涉及的關鍵技術開展全面深入研究將有益于提高我國海洋工程結構的設計能力

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，并通過對自升式海洋平臺設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計。采用理論研究、模型試驗、數(shù)值仿真等多種方法手段，全面深入地研究了平臺結構強度計算方法、平臺極限承載能力分析方法、樁腿結構空間KK管節(jié)點疲勞性能以及樁腿結構選型優(yōu)化設計等海上多功能工作平臺結構設計中涉及到的關鍵技術問題。本文研究的主要內容和成果包括：
　　 (1)根據(jù)國

3、內外已有自升式海洋平臺的結構型式和特點，對平臺結構設計方法及相關關鍵技術的研究進行了消化、吸收和總結。根據(jù)瓊州海峽跨海大橋工程的基本建設條件和施工特點，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計方案。設計的海上多功能工作平臺具備在復雜惡劣的海洋環(huán)境中安全高效地完成跨海大橋建設中的深水打樁及基槽整平等施工作業(yè)的能力，作業(yè)最大水深達到80米。海上多功能工作平臺的設計方案采用

4、模塊化設計理念將平臺艉部設置為供大型施工設備運行的工作區(qū)域，將艏部舷側區(qū)域設置為可通過連接裝置連接外部模塊的擴展區(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、良好經濟性”的特點。海上多功能工作平臺的設計方案獲得了兩項國家實用新型專利。
　　 (2)深入分析海上多功能平臺的結構型式和海上作業(yè)特點，并研究了海上多功能工

5、作平臺結構設計直接計算方法，在此基礎上，采用有限元分析軟件ANSYS，結合相關海洋平臺設計建造規(guī)范建立了海上多功能工作平臺結構強度分析模型。根據(jù)對平臺風、浪、流等環(huán)境荷載的計算方法和準則的研究，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構強度的分析結果表明：①平臺主要結構及構件均滿足強度要求，局部區(qū)域有高應力出現(xiàn)。②樁腿弦桿與樁靴連接處是平臺結構出現(xiàn)高應力的典型區(qū)

6、域。③平臺主船體結構的高應力區(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)域的平臺甲板應力偏大。根據(jù)計算分析結果可以全面了解平臺結構各工況下的受力特性，為平臺的結構設計、強度評估以及結構優(yōu)化提供重要參考。本文提出的海上多功能工作平臺結構設計直接計算方法適用于同類自升式海洋平臺結構設計。
　　 (3)以非線性有限元為基礎，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行了研究，重點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論：①海上多功能工作平臺結構在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時可認為平臺達到極限狀態(tài)。③作為反映平臺結構承載能力及安全可靠性的重要指標的強度儲備系數(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、結構設計以及安全

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

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

11、點應力值為211.6MPa，應力集中系數(shù)為5.2，采用S-N曲線估算得到的KK型管節(jié)點模型的疲勞壽命為31.6萬次，并據(jù)此制定疲勞試驗的裂紋觀察和檢測手段。④疲勞初始裂紋出現(xiàn)位置與靜力試驗預測的位置一致。疲勞裂紋萌生后迅速向兩邊擴展，向冠點方向擴展的速度大于向鞍點方向擴展的速度。疲勞試驗測得的空間KK管節(jié)點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果偏于保守。數(shù)值仿真研究主要結合

12、試驗研究結果，建立了合理準確的空間KK型管節(jié)點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)點疲勞性能進行對比研究，數(shù)值仿真研究結果表明：①與試驗分析結果對比可知，采用數(shù)值仿真方法計算空間KK型管節(jié)點的最大熱點應力值具有一定的精度，可用于判斷空間KK型管節(jié)點的初始疲勞裂紋出現(xiàn)位置、評估結構疲勞壽命以及指導結構設計。②空間KK型管節(jié)點的桿件壁厚和兩個K型管節(jié)點平面夾角是影響管節(jié)點疲勞性能的主要因素。為了提高空間

13、KK型管節(jié)點的疲勞性能，在管節(jié)點結構設計當中，應在滿足結構強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論為空間KK型管節(jié)點設計以及海上多功能工作平臺樁腿結構優(yōu)化提供了參考依據(jù)。
　　 (5)對自升式海洋平臺結構優(yōu)化設計方法進行了研究，提出了基于有限元法的海洋平臺桁架式樁腿結構選型優(yōu)化設計的方法。應用ANSYS程序的參數(shù)化設計語言建立了以降低結構質量減小制造成本為優(yōu)化目標，以樁腿構件的截面尺寸和樁腿結

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

15、腿弦桿中心距是樁腿結構優(yōu)化設計中應該重點考慮的因素之一。③從平臺結構的位移響應來看，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，當弦桿中心距為10.75時，位移響應值最小。說明采用合理的樁腿結構，不僅可以有效降低用鋼量，而且平臺的位移響應也能得到優(yōu)化。本文對平臺樁腿結構選型優(yōu)化設計的研究方法和成果對海上多功能工作平臺樁腿結構設計具有一定的參考和指導意義。
　　 (6)對海上多功能工作平臺的結構強度分析、極限