自升自航式船与地基土相互作用研究

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1、自升自航式船与地基土相互作用研究上海交通大学博士学位论文姓名：龚闽申请学位级别：博士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：谭家华20050601上海交通大学博士学位论史摘要自升自航式船是一种机动、高效、作业稳定的海上工程船，即能自升，又能自航。它具有性能好、功能强、通用性好等优点，近５０年来被广泛用于海上平台的建造和维护、海底管线的铺设和维修、海上油井的修理等许多海上石油工程。目前，世界各海域正在使用的自升自航式船超过２３０艘，其中，大多数集中在美国的墨西哥湾，约有２００艘。白升自航式船与其它海洋工程结构物一样，其安全、稳定作业，很大程度上依赖于稳定的海

2、底地基。其机动、高效特点的发挥，更多地依赖于对自升自航式船与地基相互作用的认识。只有认真研究自升自航式船作业的海底地基特性，将自升自航式船的主体结构、桩靴和地基土视为一个整体，系统地研究自升自航式船与地基之问的相互作———————————————————————————————————————————————用关系，才能较好地掌握自升自航式船结构特点的本质，得出科学合理的分析结果。只有在科学分析的基础上，才能做到自升自航式船的合理设计和合理使用，才能进一步对自升自航式船进行优化设计，开发出更加先进的、适合我国国情的自升自航式船。国外在自升自航式船的应用方面

3、积累了丰富的经验，同时，从上世纪９０年代开始，对自升自航式船的总体强度和总体性能方面展开了研究。如美国海岸警卫队２０００年５月颁布与自升自航式船相关的规定，对自升自航式船桩腿强度校核、环境载荷选取、总体布置方面都做出具体规定。然而，对于自升自航式船与地基的相互作用问题的研究很少，美国Ｓｔｅｗａｒｄ技术公司为美国海岸警卫队提交的研究报告中也涉及自升自航式船与地基的相互作用问题。该报告将地基简化为线性弹簧，但线性弹簧不完全符上海交通大学博土学位论文合地基的实际特性，模型中土的剪切模量的选取依赖于经验。分析中，三只桩靴承受同样大小水平的载荷假设也不合理。自升自航

4、式船可用于我国海洋石油开发和其他海上施工，完全能在渤海湾、杭州湾和长江口等海域的环境条件下作业。目前为止，还没有检索到国内使用和建造自升自航式船的相关报道。上海交通大学于２００２年完成了一艘“自升自航式石油工程船”的方案设计，相应的研究工作在逐步开展。本文在总结自升自航式船结构特点和海底土特点的基础上，综合利用经典土力学理论、有限元数值模拟和室内模型试验三种研究手段，———————————————————————————————————————————————比较系统地研究自升自航式船与地基的相互作用。研究的内容主要包括：地基稳定性分析，入泥深度分析，拔桩

5、能力分析，抗滑能力分析，固定性分析，模态和动态响应分析等。鉴于土特性的复杂性，对于不同的研究内容，本文采用不同的方法组合。理论研究中，综合应用挪威船级社推荐的海上结构物地基分析方法“ＤｎＶＣｌａｓｓｆｉｃａｔｉｏｎＮｏ．３０．４＜Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＞”和“Ｓｋｅｍｐｔｏｎ”、“Ｔｅｒｓａｇｈｉ”、和“Ｐｒａｎｔｌ”的士力学极限承载力理论进行分析。室内模型试验研究中，采用上海交通大学自行设计的自升白航式石油工程船为母型船，模型与母型船的比例为１：４０。有限元数值模拟分析中，考虑自升自航式船与海底地基土相互作用的非线性特性，采用大型有限元通用软件“ＡＢＡＱＵ

6、Ｓ”，地基土材料本构模型选用工程中常用的与Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｕｍｂ相匹配Ｄｒｕｃｋｅｒ．Ｐｒａｇｅｒ模型，有限元数值计算模型与试验室的实物模型尺寸完全一致。具体研究内容包括以下六个方面：１、收集、整理国外自升自航式船的相关资料，进一步深入分析国内、外自升式平台已有的研究成果，明确研究的内容、目的和方法。２、归纳、总结自升自航式船的技术特点和海洋工程地质的基本特点。把握自升自航式船的总体性能特征，特别是白升自航式船的载荷特点和桩靴形状特点，把握海洋工程地质的特性，特别是可能首先使用自升自航式上海交通大学博士学位论文——————————————————————

7、—————————————————————————船的国内典型海域的海洋地质情况，更加全面地认识两个主要研究的对象，自升自航式船和海底土。３、研究自升自航式船地基承载能力，分析白升自航式船的结构和入泥深度的特点，研究认为：自升自航式船具有浅基础的典型特征，可以使用土力学浅基础理论和挪威船级社推荐的海上结构物地基分析方法。分别采用土力学极限承载能力理论和有限元数值计算两种方法研究地基承载能力。垂直承载能力研究表明，用数值方法和经典士力学理论方法计算得到的结果比较接近。采用有限元数值方法，分别计算分析三种载荷条件下的地基承载能力。三种载荷条件分别是：垂直载荷，

8、水平与垂直载荷组合以及水平、垂直载荷和相互作用力矩组合。计算结果表