淺海5.2m水深海上石油儲罐平臺的設(shè)計(jì)與分析含開題及7張CAD圖,淺海,水深,海上,石油,平臺,設(shè)計(jì),分析,開題,cad 1 目錄 第一章 前言 ........................................................................................................................................................................6 1.1 國外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r .......................................................................................................................................6 1.2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................................................................................................................7 第二章 設(shè)計(jì)條件 ................................................................................................................................................................8 2.1 環(huán)境條件 ...............................................................................................................................................................8 2.1.1 水深和潮位 ................................................................................................................................................8 2.1.2 波浪(50 年重現(xiàn)期) ...................................................................................................................................8 2.1.3 海流 .............................................................................................................................................................8 2.1.4 風(fēng) ................................................................................................................................................................9 2.1.5 海冰 .............................................................................................................................................................9 2.1.6 海生物 ........................................................................................................................................................9 2.1.7 腐蝕和磨損 ................................................................................................................................................9 2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ................................................................................................................................................................9 2.4 平臺用鋼材 ..........................................................................................................................................................10 第三章 平臺選型和主尺度 ..............................................................................................................................................11 第四章 設(shè)計(jì)方法 ..............................................................................................................................................................12 4.1 荷載計(jì)算 ..............................................................................................................................................................12 4.1.1 固定荷載 ..................................................................................................................................................12 4.1.2 活荷載 ......................................................................................................................................................12 4.1.3 風(fēng)荷載 ......................................................................................................................................................12 4.1.4 波浪荷載 ..................................................................................................................................................13 4.1.5 流荷載 ......................................................................................................................................................14 4.1.6 冰荷載 ......................................................................................................................................................14 4.2 允許應(yīng)力 ..............................................................................................................................................................15 4.3 荷載組合 ..............................................................................................................................................................15 4.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................................................15 4.4.1 概述 ..........................................................................................................................................................15 4.4.2 圓形截面桿件的應(yīng)力校核 ......................................................................................................................15 2 4.4.3 型鋼桿件的應(yīng)力校核 ..............................................................................................................................16 4.4.4 管節(jié)點(diǎn) ......................................................................................................................................................17 第五章 SACS 結(jié)構(gòu)分析軟件的相關(guān)說明 .........................................................................................................................18 5.1 概述 .......................................................................................................................................................................18 5.2 程序功能簡介 ......................................................................................................................................................18 5.3 主要特點(diǎn) ...............................................................................................................................................................19 第六章 平臺整體靜力分析 ..............................................................................................................................................20 6.1 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型 ..............................................................................................................................................20 6.2 靜力分析 ..............................................................................................................................................................22 6.2.1 荷載組合 ..................................................................................................................................................22 6.2.4 節(jié)點(diǎn)的沖剪應(yīng)力 .......................................................................................................................................32 6.3 靜力分析結(jié)論 .....................................................................................................................................................32 第七章 地震動力分析 ......................................................................................................................................................33 7.1 概述 .......................................................................................................................................................................33 7.2 地震質(zhì)量 ...............................................................................................................................................................33 7.3.1 模態(tài)分析 ..................................................................................................................................................34 7.3.2 地震應(yīng)力校核 ...........................................................................................................................................38 7.3.3 結(jié)構(gòu)變形 ...................................................................................................................................................39 7.3.4 節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力校核 ...................................................................................................................................40 7.4.2 地震應(yīng)力校核 ...........................................................................................................................................45 7.4.3 結(jié)構(gòu)變形 ...................................................................................................................................................46 7.5 動力分析結(jié)論 .......................................................................................................................................................47 第八章 樁基分析 ................................................................................................................................................................48 8.1 樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法 ...............................................................................................................................................48 8.2 樁基礎(chǔ)靜力分析 ...................................................................................................................................................48 8.3 樁基分析結(jié)論 ......................................................................................................................................................60 總結(jié) ......................................................................................................................................................................................61 附錄 ......................................................................................................................................................................................63 3 第一章 前言 隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會對能源的需求越來越大。陸地上的油氣資 源經(jīng)過長時(shí)期大規(guī)模的開發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開發(fā)漸漸轉(zhuǎn)向了資源豐富的海洋， 各國對開發(fā)海洋油氣資源的熱情和投資越來越高，海上石油的勘探和開發(fā)得到迅猛發(fā)展。目 前世界上己有 39 個國家(或地區(qū))從事近海石油開發(fā)，22 個國家(或地區(qū))從事近海天然氣開 發(fā)。 我國幅員遼闊，海洋資源豐富，大陸架面積約有 110 萬平方公里，渤海，黃海，東海和 南海的沉積盆地面積較大，天然資源儲量豐富，其中具有油氣勘探價(jià)值的面積就在 60 萬平方 公里以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。據(jù)相關(guān)資料顯示目前已探知的石油儲量可達(dá) 250 億噸，為我國海上石油天然氣資源的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。我國的海洋石油勘探開發(fā) 始于 1957 年，改革開放以來，我國的海上石油開發(fā)更是進(jìn)入了如火如荼的高速發(fā)展期，到 2000 年生產(chǎn)能力已達(dá)到 2000 萬噸。目前海洋石油己成為我國重要的原油生產(chǎn)基地。 早期近海油田開采的油氣多通過海底管道輸往陸地油庫，經(jīng)初加工后再由陸地油庫中轉(zhuǎn) 外輸。隨著海上油田逐漸向遠(yuǎn)離海岸的深水發(fā)展以及邊緣井采油的出現(xiàn)，由于在深水海域建 造水下輸油管難以施工，邊緣井產(chǎn)量較小，建造水下輸油管不僅經(jīng)濟(jì)上不合算，而且輸油工 藝上也有困難，所以從 60 年代起就出現(xiàn)了海上就地儲油技術(shù)儲罐平臺。鋼質(zhì)導(dǎo)管架儲罐 平臺是目前使用最廣泛的一種儲罐平臺，在使用上布置靈活、周轉(zhuǎn)期短、效益高，平臺的設(shè) 計(jì)、制造及安裝技術(shù)日益成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多，適用性強(qiáng)。針對淺海海域狀況，導(dǎo)管架平臺設(shè) 計(jì)仍具有廣闊的開發(fā)前景。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，SACS、MSC/NASTRAN、ANSYS 等各種結(jié)構(gòu)分析軟件的廣泛應(yīng)用， 為平臺及導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算提供了良好的技術(shù)支持。其中，由美國 EDI 公司開發(fā)研制 的 SACS(STRUCTURAL ANALYSIS COMPUTER SYSTEM)軟件久負(fù)盛名。 該軟件最早起源于航空航 天技術(shù)及其程序代碼，已發(fā)展成當(dāng)今海事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中應(yīng)用最廣泛的軟件系統(tǒng)，目前有超 過 300 家專業(yè)海事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公司采用 SACS 系統(tǒng)。 1.1 國外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r 世界石油開發(fā)的歷史已有 200 多年， 19901995 年間，除美國以外全世界共安裝了 703 座平臺，其中 83 座為半潛式、張力腿式和可移動生產(chǎn)平臺，41 個國家安裝了 370 多座水深 不超過 60m 的淺水平臺。 長期以來，樁基導(dǎo)管架平臺是世界海洋石油生產(chǎn)中采用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。以墨西哥灣 4 海域的平臺發(fā)展為例，1978 年建造的“Cognac”鉆井平臺以極端的颶風(fēng)載荷控制設(shè)計(jì)，導(dǎo)管 架分三段建造；1981 年水深 285m 的“Cerveza”平臺則使用更為先進(jìn)的整體制造，簡化了結(jié) 構(gòu)且成本大大降低。而北海的環(huán)境條件比墨西哥灣還要惡劣很多，海水腐蝕也更為嚴(yán)重， 1974 年建造的一座平臺，其導(dǎo)管架所有的樁基在四角上，除主樁腿外周圍又打入數(shù)根環(huán)繞樁， 以增大抗傾覆能力。 目前整個世界的趨勢都是向深海進(jìn)軍，美國、挪威及英國等歐美國家海洋工程開發(fā)技術(shù) 較成熟，建造的平臺水深較深，正在探索綜合利用深水張力腿平臺技術(shù)、單圓柱平臺(SPAR) 技術(shù)以及桶形基礎(chǔ)技術(shù)等開發(fā)出新的平臺形式。 1.2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 我國第一座固定式導(dǎo)管架平臺是 1966 年 12 月底成功地安裝在渤海灣水深 6m 處油田上。 1986 年 3 月，渤海石油公司平臺制造廠為南海潿 103 油田成功制造了井口導(dǎo)管架平臺，標(biāo) 志著我國導(dǎo)管架平臺制造已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平；適合于我國海域的鋼筋混凝土平臺研制 工作也取得了很大進(jìn)展；大連造船廠 1985 年首次按國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建造平臺模塊。這些進(jìn)展標(biāo) 志了我國海洋工程技術(shù)和近海油氣田開發(fā)已進(jìn)入海洋開發(fā)新近階段。 雖然我國海洋石油開發(fā)較晚，但近年來通過對外合作，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，加上自己研 究開發(fā)，已在該領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。通過對深海導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，我國在 3 個月之 內(nèi)成功設(shè)計(jì)建造了 CB35 井、CB151 井和 CB11A 井平臺，開創(chuàng)了我國淺海石油開發(fā)的歷史起點(diǎn)。 之后的幾年里，導(dǎo)管架工藝不斷得到開發(fā)和改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)單層或雙層平臺，樁腿也發(fā) 展到 3 腿式、4 腿式和 6 腿式等，平臺面積更是從 4 平方米至 400 平方米各盡其能。 本文介紹了淺海 5.2m 水深海上石油儲罐平臺的設(shè)計(jì)與分析，主要包括以下幾方面內(nèi)容： 1 學(xué)習(xí) SACS 軟件在平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用； 2 平臺選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定； 3 環(huán)境載荷計(jì)算及各工況載荷的組合； 4 建立 SACS 模型； 5 對儲罐滿載和空載時(shí)的平臺進(jìn)行靜力、動力強(qiáng)度分析及校核； 6 對儲罐滿載和空載時(shí)的樁基承載力計(jì)算及校核。 5 第二章 設(shè)計(jì)條件 2.1 環(huán)境條件 2.1.1 水深和潮位 設(shè)計(jì)水深 平均水深(黃海平均海平面) 5.20 m 潮位 校核高水位(50 年重現(xiàn)期) 3.69m 設(shè)計(jì)高水位 2.43m 黃海平均海平面 0.00m 設(shè)計(jì)低水位 -1.85m 校核低水位(50 年重現(xiàn)期) -3.70m 2.1.2 波浪(50 年重現(xiàn)期) 本海區(qū)以風(fēng)浪為主，涌浪出現(xiàn)教少。強(qiáng)浪向是 SSW、SW 向，出現(xiàn)的頻率分別是 23.3%、7.5%。 校核高水位最大可能波高 5.2m 對應(yīng)波浪周期 8.1s 設(shè)計(jì)高水位最大可能波高 4.6m 對應(yīng)波浪周期 7.8s 2.1.3 海流 本海區(qū)潮流的運(yùn)動形式為往復(fù)流，漲潮流主流方向?yàn)?NE，而落潮流主流方向?yàn)?SW 和 W。 漲潮最大實(shí)測流速 表層 112cm/s 中層 99cm/s 底層 96cm/s 落潮最大實(shí)測流速 表層 117cm/s 中層 108cm/s 底層 99cm/s 6 2.1.4 風(fēng) a. 風(fēng)況 強(qiáng)風(fēng)向：SSW 向 常風(fēng)向：NE(f=18%)。 b. 風(fēng)速 風(fēng)速參考遼河油田淺海油氣區(qū)海洋環(huán)境資料： 設(shè)計(jì)風(fēng)速取 31.6m/s 2.1.5 海冰 設(shè)計(jì)冰厚(50 年一遇) 0.50 m 抗壓強(qiáng)度 2120 Kpa 流冰速度 1.0 m/s1.1 m/s 2.1.6 海生物 平均海平面以下的構(gòu)件考慮 7cm 厚的海生物附著。 2.1.7 腐蝕和磨損 飛 濺 區(qū) 的 構(gòu) 件 腐 蝕 裕 量 考 慮 5mm 飛 濺 區(qū) 定 義 為 標(biāo) 高 -3.38m 5.50m 冰 接 觸 區(qū) 構(gòu) 件 磨 損 量 考 慮 1mm 冰 接 觸 區(qū) 為 標(biāo) 高 -2.35m 2.93m 2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 采 用 了 下 列 標(biāo) 準(zhǔn) : 1) 海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法-工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法 （SY/T 10030- 2004 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)） 2) 淺海鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)規(guī)范 （SY/T4094-95 中華人民共和國石 油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)） 3) 寒冷條件下結(jié)構(gòu)和海管規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法 （SY/T10031-2000 中華人 民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)） 4) 灘海石油建設(shè)工程安全規(guī)則 （SY 5747-1995 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)） 5) 淺海固定平臺建造與檢驗(yàn)規(guī)范 （2004 中國船級社） 7 6) 海上固定平臺入級與建造規(guī)范 （1992 中國船級社） 7) 海上固定平臺、移動平臺入級與建造規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定 （1994 中國船級社） 8) 海上固定平臺安全規(guī)則 （國家經(jīng)貿(mào)委 2000） 2.3 地質(zhì)資料 參考采用月東油田開發(fā)項(xiàng)目平臺安裝及海纜鋪設(shè)路由地質(zhì)勘察項(xiàng)目地質(zhì)勘察中間報(bào) 告 2.4 平臺用鋼材 平臺用鋼 D36，屈服應(yīng)力為 355Mpa。 2.5 設(shè)計(jì)壽命 平 臺 設(shè) 計(jì) 壽 命 為 15 年 ,設(shè) 計(jì) 時(shí) 極 端 環(huán) 境 條 件 采 用 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 的 重 現(xiàn) 期 均 為 50 年 。 8 第三章 平臺選型和主尺度 此 平 臺 包 括 導(dǎo) 管 架 、 樁 、 上 部 組 塊 、 工 作 甲 板 ， 儲 罐 。 平 臺 導(dǎo) 管 架 采 用 四 腿 斜 導(dǎo) 管 架 型 式 ， 導(dǎo) 管 架 4 個 面 的 斜 度 均 為 10： 1； 導(dǎo) 管 架 頂 標(biāo) 高 5.1m， 底 標(biāo) 高 -6.3m， 工 作 點(diǎn) 標(biāo) 高 6.0m； 主 導(dǎo) 管 采 用 153832 鋼 管 ， 成 矩 形 布 置 ； 在 標(biāo) 高 4.0m， -5.2m 處 設(shè) 加 強(qiáng) 段 ， 采 用 157450 鋼 管 ， 在 標(biāo) 高 4.0m、 -5.2m 處 設(shè) 水 平 拉 筋 及 水 平 斜 拉 筋 ， 分 別 采 用 71125 鋼 管 和 61025 鋼 管 、 71125 鋼 管 和 50816 鋼 管 ； 在 管 節(jié) 點(diǎn) 密 集 區(qū) 管 節(jié) 點(diǎn) 加 強(qiáng) ， 標(biāo) 高 -5.2m 采 用 1000X40 鋼 管 ， 標(biāo) 高 4.0m 采 用 71135 鋼 管 ， 在 標(biāo) 高 4.0m 與 -5.2m 之 間 采 用 K 型 斜 撐 ， 斜 撐 為 70022 鋼 管 ； 導(dǎo) 管 架 上 設(shè) 靠 船 構(gòu) 件 、 并 設(shè) 有 登 船 平 臺 等 附 屬 構(gòu) 件 。 樁 采 用 1372 開 口 變 壁 厚 鋼 管 樁 ， 壁 厚 分 別 為 45、 38、 32、 25mm， 共 4 根 ， 樁 入 泥 均 為 70.0m。 上 部 平 臺 為 兩 層 梁 板 結(jié) 構(gòu) ， 梁 頂 標(biāo) 高 12.0m,尺 寸 為 21m23m； 主 梁 采 用 焊 接 H 型 鋼 H1200， 次 梁 采 用 焊 接 H 型 鋼 H700,其 余 采 用 熱 軋 H 型 鋼 HN400、 HN300 和 HM300； 甲 板 滿 鋪 10mm 厚 鋼 板 ； 立 柱 采 用 137238 鋼 管 ， 在 立 柱 管 節(jié) 點(diǎn) 密 集 區(qū) 管 節(jié) 點(diǎn) 加 強(qiáng) ， 采 用 137255 鋼 管 ， 斜 撐 采 用 70026 和 50016 鋼 管 。 工 作 甲 板 主 梁 采 用 焊 接 H 型 鋼 H400， 其 余 采 用 熱 軋 H 型 鋼 HN300。 儲 罐 為 立 式 圓 柱 形 拱 頂 鋼 罐 ， 容 積 為 2000 m 3。 9 第四章 設(shè)計(jì)方法 4.1 荷載計(jì)算 4.1.1 固定荷載 固定荷載包括結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備自重等荷載，結(jié)構(gòu)自重包括導(dǎo)管架、樁、上部組塊、儲罐 以及其它附屬結(jié)構(gòu)的自重。水面以下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的浮力也是固定荷載的一部分，由 SACS 系統(tǒng)自 動計(jì)算。設(shè)備自重根據(jù)工藝總體布置提供的設(shè)備布置圖確定，包括設(shè)備以及設(shè)備支撐的重量。 甲板上部儲罐容量2000 m 3，在計(jì)算模型中未建立實(shí)體，故采取均布加載的方式，加載 于實(shí)際位置所在的甲板上。作用位置如圖4.1.1-1中方框所示。其中罐為滿載時(shí)在計(jì)算程序中 使用荷載標(biāo)識 EQU1，ID號為guan-wet，等于20000KN；罐為空載時(shí)在計(jì)算程序中使用荷載標(biāo) 識 EQU2，ID號為guan-dry，等于600KN。 圖 4.1.1-1 4.1.2 活荷載 活荷載包括設(shè)備中的液體,人員活動等，人員活動荷載考慮2.5kPa。在模型上均布加載于 設(shè)備未占區(qū)的甲板單元上。在計(jì)算程序中荷載標(biāo)識為 LIVE。 4.1.3 風(fēng)荷載 10 作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載采用 SY/T 10030-2004 中 2.3.2c 節(jié)中的風(fēng)力計(jì)算公式: F=0.0473V2CsA 4.1.3-1 式中: F風(fēng)力,N; V風(fēng)速,km/h; Cs形狀系數(shù); A結(jié)構(gòu)物迎風(fēng)面積,m 2。 假定風(fēng)速沿結(jié)構(gòu)物高度不變。極端波浪工況采用 50 年重現(xiàn)期的十分鐘平均風(fēng)速；極端冰 工況采用 50 年重現(xiàn)期的十分鐘平均風(fēng)速。形狀系數(shù)的取值按 SY/T 10030-2004 中的規(guī)定確 定： 梁 1.5 建筑物的側(cè)面 1.5 圓形截面 0.5 平臺總投影面積 1.0 4.1.4 波浪荷載 導(dǎo)管架平臺是一種桿系結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到本平臺D/L（桿件直徑/波長）遠(yuǎn)小于0.2，故可 按小尺度結(jié)構(gòu)物受波浪力作用來計(jì)算。本海區(qū)水深5.2m，采用STOCKS 五階波理論計(jì)算。 STOCKS 波假定波動振幅是有限的，邊界條件和連續(xù)條件可以是非線性的級數(shù)形式的函數(shù)，用 有限個簡單的、且頻率成正比的余弦波迭加而成，其水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動為圓或橢圓軌跡，軌跡不封 閉有一純位移，其近似解的階數(shù)越高越繁雜。 作 用 在 構(gòu) 件 上 的 波 浪 力 采 用 Morison 公 式 計(jì) 算 。 水 質(zhì) 點(diǎn) 的 速 度 和 加 速 度 采 用 流 函 數(shù) 理 論 計(jì) 算 。 對 于 圓 柱 體 構(gòu) 件 ， 阻 力 系 數(shù) Cd 和 慣 性 力 系 數(shù) Cm 取 值 如 下 ： Cd0.7 C m=2.0 波浪力的計(jì)算公式如下: 4.1.4-1dtUDgWCUgFI 2mdD42 式 中 : F垂 直 構(gòu) 件 軸 線 方 向 上 的 單 位 長 度 的 水 動 力 矢 量 ,N/m; FD垂 直 構(gòu) 件 軸 線 方 向 上 的 ,在 構(gòu) 件 軸 線 和 u 平 面 內(nèi) 的 單 位 長 度 上 的 阻 力 矢 量 , N/m; 11 FI垂 直 構(gòu) 件 軸 線 方 向 上 的 ,在 構(gòu) 件 軸 線 和 du/dt 平 面 內(nèi) 的 單 位 長 度 上 的 慣 性 力 矢 量 , N/m; Cd阻力系數(shù)，根據(jù) API 建議，對光滑的樁腿取為 0.65，粗糙的樁腿取為 1.05; Cm慣 性 力 系 數(shù) ， 根據(jù) API 建議，對光滑的樁腿取為 1.6，粗糙的樁腿取 為 1.2; 水 的 重 度 ,N/m3; g重 力 加 速 度 ,m/s2; D構(gòu) 件 的 直 徑 (包 括 海 生 物 附 生 ),m; u垂 直 構(gòu) 件 軸 線 的 水 質(zhì) 點(diǎn) 的 速 度 分 矢 量 ,m/s; |u|u 的 絕 對 值 du/dt垂 直 構(gòu) 件 軸 線 的 水 質(zhì) 點(diǎn) 的 加 速 度 分 矢 量 ,m/s2。 4.1.5 流荷載 當(dāng) 流 單 獨(dú) 作 用 時(shí) ,其 作 用 在 構(gòu) 件 上 的 流 荷 載 采 用 SY/T 10030-2004 中 2.3.3c 節(jié) 中 的 計(jì) 算 公 式 : 4.1.5-1gVACF/5.02d 式 中 : F作 用 于 結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 件 上 的 流 荷 載 ,N; Cd阻 力 系 數(shù) ; A結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 件 投 影 面 積 ,m2; V流 速 ,m/s; 水 的 重 度 ,N/m3; g重 力 加 速 度 ,m/s2 4.1.6 冰荷載 作 用 于 導(dǎo) 管 架 腿 上 的 冰 力 采 用 SY/T10031-2000 中 的 Korzhavin 公 式 計(jì) 算 : 4.1.6-1 式 中 : F作 用 于 導(dǎo) 管 架 上 的 冰 力 ,kN; I嵌 入 系 數(shù) ， 取 1.2; fc接 觸 系 數(shù) ， 取 0.45; Cx冰 的 無 側(cè) 限 抗 壓 強(qiáng) 度 ,kN/m2; D冰 接 觸 區(qū) 域 結(jié) 構(gòu) 的 寬 度 或 直 徑 ,m; 12 t冰 的 厚 度 ,m。 考 慮 冰 的 遮 蔽 效 應(yīng) ， 遮 蔽 系 數(shù) X、 Y 方 向 0.3， 對 角 線 方 向 0.75、 0.1。 4.2 允許應(yīng)力 極 端 波 浪 工 況 和 極 端 冰 工 況 的 結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 件 強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì) 時(shí) ,基 本 允 許 應(yīng) 力 可 增 加 1/3。 對于操作工況，不考慮容許應(yīng)力放大。 4.3 荷載組合 荷 載 組 合 按 SY/T 10030-2004 中 建 議 的 做 法 進(jìn) 行 ,平 臺 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 時(shí) 應(yīng) 按 可 能 同 時(shí) 作 用 于 平 臺 上 的 最 不 利 荷 載 組 合 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 。 荷 載 設(shè) 計(jì) 條 件 包 括 固 定 荷 載 和 活 荷 載 ,按 下 面 的 形 式 與 環(huán) 境 荷 載 組 合 : 1） 與 固 定 荷 載 和 相 應(yīng) 于 與 工 作 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 大 活 荷 載 組 合 的 設(shè) 計(jì) 工 作 環(huán) 境 條 件 。 2） 與 固 定 荷 載 和 相 應(yīng) 于 與 工 作 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 小 活 荷 載 組 合 的 設(shè) 計(jì) 工 作 環(huán) 境 條 件 。 3） 與 固 定 荷 載 和 相 應(yīng) 于 與 極 端 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 大 活 荷 載 組 合 的 設(shè) 計(jì) 極 端 環(huán) 境 條 件 。 4） 與 固 定 荷 載 和 相 應(yīng) 于 與 極 端 環(huán) 境 條 件 相 組 合 的 最 小 活 荷 載 組 合 的 設(shè) 計(jì) 極 端 環(huán) 境 條 件 。 按 以 上 荷 載 組 合 的 原 則 ， 分 別 考 慮 了 工 作 波 浪 條 件 、 極 端 波 浪 條 件 、 極 端 冰 、 地 震 工 況 等 四 種 組 合 條 件 。 4.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.4.1 概述 平臺所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)都遵循 SY/T 10030-2004 第三章的規(guī)定，對圓形桿件以及非圓 形截面桿件按規(guī)范要求對其全長范圍內(nèi)各點(diǎn)都進(jìn)行了強(qiáng)度校核。 4.4.2 圓形截面桿件的應(yīng)力校核 軸向壓縮和彎曲的組合 對承受軸向壓縮和彎曲聯(lián)合作用的圓形構(gòu)件，在其全長的各點(diǎn)上均應(yīng)滿足以下方面的要求： 13 4.4.2-1 4.4.2-2 當(dāng) fa/Fa0.15 時(shí)，可采用下式代替上述兩式： 4.4.2-3 式中：f a軸向平均壓應(yīng)力，Pa; fbx,fby沿 X 軸及 Y 軸的彎曲應(yīng)力, Pa; Fa允許壓應(yīng)力，當(dāng) D/t60 時(shí)，由式 4.4.2- 5 確定, Pa; Fb允許彎曲應(yīng)力, Pa; Fe允許歐拉應(yīng)力, Pa; Cm折減系數(shù)。 4.4.2-4 4.4.2-5 式中: F基本允許應(yīng)力,Pa; k局部穩(wěn)定系數(shù); 整體穩(wěn)定系數(shù)。 4.4.3 型鋼桿件的應(yīng)力校核 承受壓縮和彎曲聯(lián)合作用的桿件,在其全長各點(diǎn)上都應(yīng)滿足下式的要求: 0111. bzazmzbyamya FfCFfCFf 式中: 14 如果 fa/Fa0.15,則由下式計(jì)算: 對于承受軸向拉伸和彎曲聯(lián)合作用的桿件,在其全長各點(diǎn)上都應(yīng)滿足下式要求: 4.4.4 管節(jié)點(diǎn) 管節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力的校核遵循 SY/T 10030-2004 的規(guī)定,沖剪應(yīng)力由下式計(jì)算: 式中: Vp支管中由軸向力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力,Mpa; t/T; t支管壁厚; T弦管壁厚; 支管角度。 弦管允許沖剪應(yīng)力在 AISC 的允許剪應(yīng)力或下式中的計(jì)算值取較小者: 式中: Qq荷載和幾何效應(yīng)系數(shù),按 SY/T 10030-2004 第四章中表 4.3.1-1 取值; Qf弦管的軸向力系數(shù); Fy桿件的屈服強(qiáng)度,Mpa。 式中: =0.03 對于支管軸向應(yīng)力; =0.045 對于支管平面內(nèi)彎曲應(yīng)力; =0.021 對于支管平面外彎曲應(yīng)力。 式中: f AX,fIPB,fOPB分別為弦管內(nèi)的名義軸向應(yīng)力,平面內(nèi)彎曲應(yīng)力和平面外彎曲應(yīng)力。 支管中有軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相組合時(shí),應(yīng)滿足下列相互作用方程: 15 16 第五章 SACS 結(jié)構(gòu)分析軟件的相關(guān)說明 5.1 概述 在 本 設(shè) 計(jì) 中 ,所 有 結(jié) 構(gòu) 分 析 工 作 都 使 用 由 美 國 EDI 公 司 開 發(fā) 研 制 的 SACS(STRUCTURAL ANALYSIS COMPUTER SYSTEM)軟 件 Ver5.2 版 進(jìn) 行 ,SACS 程 序 是 專 用 于 海 洋 結(jié) 構(gòu) 工 程 的 靜 動 力 分 析 系 統(tǒng) 。 該 系 統(tǒng) 功 能 齊 全 ,方 法 先 進(jìn) ,便 于 使 用 ,是 國 際 上 比 較 先 進(jìn) 的 被 普 遍 使 用 的 海 工 結(jié) 構(gòu) 分 析 程 序 。 5.2 程序功能簡介 本 設(shè) 計(jì) 采 用 的 SACS 程 序 具 有 比 較 完 整 的 功 能 ,以 下 僅 簡 單 介 紹 用 于 本 設(shè) 計(jì) 的 一 些 功 能 。 1.單 元 庫 SACS 程 序 具 有 比 較 豐 富 的 單 元 庫 ， 除 了 一 般 通 用 軟 件 所 具 有 的 梁 、 板 、 殼 和 三 維 固 體 元 以 外 ， 還 包 括 一 些 海 工 結(jié) 構(gòu) 中 一 些 特 殊 的 單 元 。 2.前 處 理 功 能 SACS 程 序 具 有 比 較 先 進(jìn) 的 結(jié) 構(gòu) 模 型 自 動 生 成 功 能 ， 它 可 以 采 用 交 互 圖 形 方 式 形 成 結(jié) 構(gòu) 的 有 限 元 模 型 ， 同 時(shí) 可 以 方 便 地 輸 入 各 種 類 型 的 荷 載 并 交 互 修 改 模 型 。 3.環(huán) 境 荷 載 計(jì) 算 該 程 序 具 有 完 整 的 環(huán) 境 荷 載 計(jì) 算 功 能 ， 程 序 可 以 自 動 計(jì) 算 由 于 風(fēng) 、 浪 和 流 等 環(huán) 境 條 件 引 起 的 作 用 于 桿 件 上 的 荷 載 。 在 計(jì) 算 波 浪 荷 載 時(shí) 程 序 可 以 有 Airy 波 理 論 ， STOKS 五 階 波 理 論 以 及 流 函 數(shù) 理 論 供 以 計(jì) 算 水 質(zhì) 點(diǎn) 的 速 度 和 加 速 度 。 4.結(jié) 構(gòu) 靜 動 力 分 析 程 序 采 用 有 限 元 方 法 對 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 靜 力 分 析 以 及 動 力 分 析 。 靜 力 分 析 的 結(jié) 果 可 用 于 桿 件 強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì) ， 動 力 分 析 的 結(jié) 果 作 為 動 力 響 應(yīng) 分 析 的 基 礎(chǔ) 。 5.動 力 響 應(yīng) 分 析 功 能 程 序 可 以 進(jìn) 行 結(jié) 構(gòu) 在 波 浪 、 地 震 以 及 海 冰 作 用 下 的 動 力 響 應(yīng) 分 析 ， 程 序 同 時(shí) 可 以 進(jìn) 行 時(shí) 域 或 頻 域 的 動 力 分 析 。 在 地 震 分 析 時(shí) 可 以 采 用 響 應(yīng) 譜 分 析 。 6.后 處 理 功 能 程 序 具 有 相 當(dāng) 豐 富 的 后 處 理 功 能 ， 它 可 以 依 據(jù) 不 同 的 規(guī) 范 對 單 元 截 面 上 的 各 點(diǎn) 進(jìn) 行 應(yīng) 力 校 核 并 可 對 構(gòu) 件 進(jìn) 行 重 新 設(shè) 計(jì) 。 圖 形 功 能 可 以 方 便 地 繪 制 結(jié) 構(gòu) 的 模 型 圖 、 變 形 圖 以 及 結(jié) 構(gòu) 的 振 型 圖 。 17 7.沖 剪 分 析 和 節(jié) 點(diǎn) 設(shè) 計(jì) 功 能 程 序 可 以 根 據(jù) 不 同 的 規(guī) 范 對 管 節(jié) 點(diǎn) 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 和 強(qiáng) 度 校 核 ， 同 時(shí) 程 序 還 根 據(jù) 規(guī) 范 對 管 節(jié) 點(diǎn) 的 構(gòu) 造 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 。 程 序 最 終 可 給 出 管 節(jié) 點(diǎn) 的 設(shè) 計(jì) 結(jié) 果 和 沖 剪 應(yīng) 力 校 核 的 結(jié) 果 。 5.3 主要特點(diǎn) 1. 圖形化用戶界面 全 3D 圖形化交互界面；梁、板和殼體單元建模；自動進(jìn)行偏移動作；智能化編輯器 MDI 可以識別任何不滿足要求的輸入，并且它包含的文件向?qū)Чδ芸梢允沟媒］斎敫鼮榭旖莘?便；內(nèi)置美國、英國、德國以及日本等國家級組織的鋼架結(jié)構(gòu)資料庫。 2. 導(dǎo)管架安裝和運(yùn)輸 三維滑移裝船的時(shí)程分析；導(dǎo)管架漂浮和下水扶正分析, 包括生成重力，浮力，起吊力 和浮箱浮力；滑移裝船、運(yùn)輸?shù)膽T性力, 以及扶正荷載的生成。 3. 環(huán)境載荷設(shè)定 專業(yè)、方便的波浪、重力、浮力、風(fēng)力等載荷的設(shè)置；完全執(zhí)行美國石油組織（API）第 20 版環(huán)境載荷規(guī)定；包含 5 種波浪理論以及完善的流體靜力學(xué)、動力學(xué)分析能力； 通過 WAMIT 和 MORA 程序模塊，提供波浪繞射等淺水變形的生成。 4. 靜力學(xué)分析 梁單元、板殼單元、實(shí)體元以及非線性縫隙單元；混凝土單元，包括雙向加強(qiáng)筋混凝土； 加強(qiáng)筋以及加強(qiáng)盒段分析；支持彈簧元和超單元分析；支持梁結(jié)構(gòu)熱載荷分析。 5. 動態(tài)分析 地震波普與響應(yīng)歷程分析；定常與隨機(jī)海浪動態(tài)沖擊響應(yīng)分析；強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)動態(tài)分 析與疲勞分析 ；固有和強(qiáng)迫振動分析。 6. 非線性塑性分析 非線性塑性失效以及大變形分析；支持材料硬化以及連接變形分析；可用于結(jié)構(gòu)的最大 極限強(qiáng)度確定以及安全性評估；樁的疲勞分析。 18 第六章 平臺整體靜力分析 6.1 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型 在結(jié)構(gòu)總體分析中按照空間三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，導(dǎo)管架、樁、上部組塊模擬成空間剛架， 在總體分析中采用一個整體模型，其中上部甲板的鋪板采用板單元進(jìn)行模擬，節(jié)點(diǎn)按剛性節(jié) 點(diǎn)處理，導(dǎo)管架與樁之間的環(huán)形空間灌注水泥漿，采用灌漿腿模型。樁基礎(chǔ)在進(jìn)行靜力計(jì)算 時(shí)，考慮了其非線性的樁土共同工作。在地震計(jì)算時(shí)，把樁土系統(tǒng)凝聚成一線性超單元。 應(yīng)用SACS軟件建模時(shí)，重點(diǎn)考慮的問題有： 1. 導(dǎo)管架與樁腿灌漿結(jié)合。（1）設(shè)置為“grouted leg”(灌漿樁腿)模型。（2）在導(dǎo) 管