桁架腿自升式平台极限刺穿深度的计算.pdf

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1、第26卷第1期中国海洋平台Vol.26No.12011年2月CHINAOFFSHOREPLATFORMFeb.,2011文章编号：1001-4500(2011)01-044-08桁架腿自升式平台极限刺穿深度的计算陈宏（岸外技术发展有限公司，新加坡629353）摘要：本文阐明自升式平台刺穿的成因，回顾近年来桁架腿自升式平台的刺穿海损状况，提出用非线性有限元法计算自升式平台的极限刺穿深度，为合理的升船压桩提供依据，以降低自升式平台在压桩过程中发生的刺穿海损风险。关键词：自升式平台；刺穿；偶然极限状态；非线性梁单元

2、；支撑管屈曲中图分类号：P75文献标识码：ACALCULATIONOFTHEPUNCHTHROUGHCAPACITYOFJACK-UPWITHTRUSS-TYPELEGSCHENHong（OffshoreTech.Dev.PteLtd,Singapore629353）Abstract:Thispaperillustratestheconceptofjack-uppunch-through，andsummarizessomepunchthroughaccidentsofjack-upswithtruss-typ

3、elegsinrecentyears.Anonlinearfiniteelementapproachisproposedtopredictthepunchthroughcapacityofjack-ups.Theproposedmethodisausefultoolforchoosingtheproperpreloadingmethod，andhencetominimizethepunchthroughrisk.KeyWords:jack-up；punchthrough；accidentallimitstat

4、e；nonlinearbeamelement；bucklingofbracing0自升式平台的刺穿海损采用自升式钻井平台进行海洋油气勘探，在升船压桩过程中经常会遇到硬软层状地基发育海区。由于自升式平台桩靴具有面积小、压载大的特点，当桩腿施加的压载超过层状地基承载力时，地基土发生冲剪破坏。如图1所示，船艏桩靴穿过硬土层进入软土层，造成钻井平台桩脚的迅速[1]下沉现象。根据丹麦岩土研究所网站的s信息，历史纪录中发生的最快刺穿，桩腿在m30s内下降了8.5m。一旦刺穿发生，船体发生倾斜，桩腿可能损坏，严重时平台甚至

5、翻沉。图1自升式平台刺穿示意收稿日期：2010-05-10；作者简介：陈宏(1968—)，男，博士，高级工程师。主要从事自升式平台设计及海洋结构工程研究。第1期陈宏等桁架腿自升式平台极限刺穿深度的计算.45.[2]MatthewsDaniel公司开发了降低自升式平台刺穿风险的压桩程序，它的网站这样形象地描述刺穿海损：“在最轻度的情况下，自升式平台刺穿只不过使船员加快心跳、产生紧张的情绪。在最严重的情况下，平台刺穿是可怕乃至骇人的。整个船体下坠，平台东倒西歪地失去控制。齿轮松弛，坠落到甲板下，钢材屈曲变形超过极

6、限，并发出震耳欲聋的尖锐声，桩腿主弦管突发巨响，随后断裂。警报响起，船员集合，准备离开这个刚才还感觉是安全可靠的海上栖息地。”[3]张异彪和杨文达指出物理力学性质明显不同的两层层状地层的组合方式可有6种之多。其中，对桩脚产生穿刺失稳的层状地层组成一般有两种方式：(1)砂层覆盖于软弱粘性土层之上(2)硬粘性土覆盖于软弱粘性土层之上。实际情况，又以上述第一种情况最为常见。[4,5]自升式平台的发展趋势是增加工作水深、提高平台可变载荷、抵抗更恶劣海况等。因此，由风浪流及惯性力引起的桩腿基地反力不断增大，导致更大的船

7、体预压载荷，增加了刺穿风险。2009年10月30日，VantageDrilling“SapphireDriller”在西非象牙海岸升船压桩，事先调查过地基情况，发现有刺穿风险，因而采用了较小的气隙进行预压。由于计算地基承载力有诸多的不确定性，艏部桩腿发生刺穿，平台倾斜近8°，船体的浮力减轻了桩腿受力，使得桩腿损坏主要于几处节点的剪切破坏如图2所示。与上述海损相比，1996年11月16日发生于澳洲南部海域“MaerskVictory”的刺穿海损要严重许多。如图3所示，三根桩腿严重损坏，艏部桩腿在固桩架顶部全部断

8、裂倒下，更多的刺穿海损报道可参见文献[6]。由于刺穿海损造成的经济损失较大，因此，正确预测自升式平台的极限刺穿深度有非常的迫切性，可以为升船压桩提供合理的依据，以期降低此类事故的发生机率，减轻刺穿发生时对平台造成的损坏。图2“SapphireDriller”刺穿海损非线性梁单元有限单元法梁柱理论按能量按列式按是否考虑按形函数原理分类分类剪切变形分类分类虚其ULTLCR欧铁三稳功它列列列拉木次定原能式