海上多功能工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、海上多功能工作平臺(tái)是在國(guó)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(duì)瓊州海峽跨海大橋基礎(chǔ)建設(shè)的需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新型可移動(dòng)自升式海上施工平臺(tái)，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(guó)對(duì)諸如海上多功能工作平臺(tái)之類(lèi)的大型深水自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)的掌握還不夠全面，因此對(duì)海上多功能工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的所涉及的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展全面深入研究將有益于提高我國(guó)海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(duì)跨海大橋施工特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)自升式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)理論和方法的研究，完成了海上多功能工作平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)。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(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法、平臺(tái)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(jì)等海上多功能工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文研究的主要內(nèi)容和成果包括：
　　 (1)根據(jù)國(guó)

3、內(nèi)外已有自升式海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式和特點(diǎn)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)分析比選研究確定了平臺(tái)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(tái)的總體設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的海上多功能工作平臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)方案采用

4、模塊化設(shè)計(jì)理念將平臺(tái)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(guò)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(tái)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(tái)的總體方案更加符合大型海洋工程裝備發(fā)展趨勢(shì)，使平臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)方案獲得了兩項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利。
　　 (2)深入分析海上多功能平臺(tái)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(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)建造規(guī)范建立了海上多功能工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型。根據(jù)對(duì)平臺(tái)風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載的計(jì)算方法和準(zhǔn)則的研究，提出了海上多功能工作平臺(tái)最不利環(huán)境載荷的計(jì)算分析方法。對(duì)海上多功能工作平臺(tái)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(tái)主要結(jié)構(gòu)及構(gòu)件均滿(mǎn)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(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力的典型區(qū)

6、域。③平臺(tái)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(tái)甲板應(yīng)力偏大。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果可以全面了解平臺(tái)結(jié)構(gòu)各工況下的受力特性，為平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度評(píng)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(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接計(jì)算方法適用于同類(lèi)自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　 (3)以非線(xiàn)性有限元為基礎(chǔ)，采用了靜力彈塑性分析方法對(duì)海上多功能工作平臺(tái)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(tái)受到0

7、°、45°、90°三種不同方向環(huán)境載荷作用下平臺(tái)的極限承載能力，以及平臺(tái)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(tái)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(tái)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(xiǎn)。②自存工況下海上多功能工作平臺(tái)在極限載荷作用下的頂端位移超過(guò)1.558m時(shí)可認(rèn)為平臺(tái)達(dá)到極限狀態(tài)。③作為反映平臺(tái)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(chǔ)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(duì)海上多功能工作平臺(tái)極限承載能力影響程度不同：腐蝕對(duì)平臺(tái)的極限承載能力影響最大；海生物附著雖然不會(huì)降低平臺(tái)的極限承載能力，但會(huì)在放大環(huán)境載荷的同時(shí)明顯降低平臺(tái)強(qiáng)度儲(chǔ)備；對(duì)于平臺(tái)樁腿主要桿件的損傷及缺失尤其是斜撐桿的缺失對(duì)平臺(tái)的極限承載力影響較大．本文所采用海上多功能工作平臺(tái)極限承載能力的研究方法及研究成果為類(lèi)似平臺(tái)極限承載能力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安全

9、性評(píng)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(duì)海上多功能工作平臺(tái)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(guò)開(kāi)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?chē)臒釕?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(guò)試驗(yàn)研究得到以下價(jià)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(shí)針?lè)较虻陌包c(diǎn)之間；最小值出現(xiàn)在跟點(diǎn)到逆時(shí)針?lè)较虻陌包c(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(cè)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(xiàn)估算得到的KK型管節(jié)點(diǎn)模型的疲勞壽命為31.6萬(wàn)次，并據(jù)此制定疲勞試驗(yàn)的裂紋觀察和檢測(cè)手段。④疲勞初始裂紋出現(xiàn)位置與靜力試驗(yàn)預(yù)測(cè)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(cè)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(xiàn)方法估算的疲勞壽命，說(shuō)明采用S-N曲線(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比可知，采用數(shù)值仿真方法計(jì)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(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞壽命以及指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。②空間KK型管節(jié)點(diǎn)的桿件壁厚和兩個(gè)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(jì)當(dāng)中，應(yīng)在滿(mǎn)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(jì)以及海上多功能工作平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。
　　 (5)對(duì)自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，提出了基于有限元法的海洋平臺(tái)桁架式樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。應(yīng)用ANSYS程序的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)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(jì)變量，遵照設(shè)計(jì)規(guī)范中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等多約束條件的平臺(tái)桁架式樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)的海洋平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化結(jié)果表明：①通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的樁腿設(shè)計(jì)方案可有效減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性。②不同弦桿中心距的樁腿結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)用鋼量呈現(xiàn)“大～小～大”的變化趨勢(shì)，當(dāng)弦桿中心距為10.25m時(shí)樁腿設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)，說(shuō)明樁

15、腿弦桿中心距是樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的因素之一。③從平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)來(lái)看，隨著弦桿中心距的增大，平臺(tái)最大位移值和其樁腿用鋼量變化的趨勢(shì)相似，當(dāng)弦桿中心距為10.75時(shí)，位移響應(yīng)值最小。說(shuō)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(tái)的位移響應(yīng)也能得到優(yōu)化。本文對(duì)平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究方法和成果對(duì)海上多功能工作平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考和指導(dǎo)意義。
　　 (6)對(duì)海上多功能工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、極限