导管架平台结构设计和荷载模拟

导管架平台结构设计和荷载模拟_海洋工程结构设计

第5章　导管架平台结构设计和荷载模拟

本章内容：

▶导管架结构设计

▶导管架建造安装阶段分析

▶荷载模拟

▶平台上部结构总体设计

▶荷载组合原则

从第2章已知，导管架平台的结构主要分为平台上部结构和导管架两个部分，导管架构成平台的支撑结构，平台上部结构是平台作业、生活等设施放置的场所，两者有机结合构成了导管架平台。

5.1　导管架结构设计及荷载模拟

1.结构总体布置

1）基本原则

总体布局合理，传力路径短，构件综合利用性好，材料利用率高，满足其他专业对结构形式的要求。

2）一般考虑

在进行结构总体布置时，一般应考虑如下几个方面：

（1）应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用，杆件数量和规格力求少，结构尽量对称。

（2）不宜在飞溅区内设置水平构件。

（3）不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑。

（4）一般情况下，管节点宜设计为简单节点。

（5）导管架斜撑的角度（即与水平面夹角）宜在45°左右。

（6）导管架腿的表观斜度宜在10∶1，7∶1。

（7）隔水导管与结构的连接：如业主没有指定，对于动力响应较明显的平台（如三腿或独腿平台），水上部分（包括在甲板和导管架的水上水平层上），隔水导管和甲板、导管架的连接要用焊接方法固定，水下部分用楔块固定。

（8）各桩的受力力求均匀。

（9）对于滑移装船吊装下水型导管架，滑靴的布置与吊点的布置要协调考虑。

（10）装船滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地与运输驳船滑道的间距。

（11）应考虑钻井、修井的要求。

2.结构构件的选取

（1）结构构件的选取要综合考虑强度、刚度、稳定性和经济性这几方面的因素。

（2）不论是成品钢管还是卷制钢管，如有可能，尽量减少所用材料的规格。

（3）对于管型构件的选择要考虑下列因素：

①D／t比：不宜大于60，对于卷制焊接钢管不应小于20，最好大于30。比例式中：D为中性直径；t为壁厚。

②kl／r：对主要杆件不宜大于120。比例式中：k为有效长度系数；l为侧向无支撑长度，单位为米（m）；r为回转半径，单位为米（m）。

③T－Y－K节点：主要节点：d／D＝0.4～0.8；

　　　　　　　　次要节点：d／D取值可稍小些。比例式中：d为支杆直径，D为弦杆外径。

3.结构材料选取

1）基本原则

结构材料的选取既要考虑强度要求，又要考虑结构工作场所的环境条件，在结构中的部位和可能使用的加工方法等。

2）一般考虑

结构用钢材基本上全部实现了国产化。因此除业主有特别要求外，一般考虑使用国产钢材，相应地，应使用国家标准。卷制钢管、组合梁的尺寸应满足规格书中规定的有关国内和国外的标准。还应考虑制造商的卷制能力。

所选的材料（屈服强度、韧性要求等）及其规格、型号必须是能够生产和制造的规格。对国内材料的选取更要注意所选的材料或型号是产品目录中列出及能够生产的。结构分析中使用的屈服强度要与所选用的材料一致。选用钢材时要考虑钢材的冲击试验温度低于预期的最低工作温度以下10～30℃（D／t比大于30时为20℃，D／t＝20～30时为30℃，D／t在20以下为10℃）。对于关键管节点部位还要考虑材料的z向性能。还应注意在同一最小设计温度（气温或水温）下，选用的钢材等级随着材料厚度的不同而有所不同。

除了导管架腿上的管节点处使用z向钢材外，对浅水导管架（暂以50m水深为界），其他位置均不使用；对深水导管架，可根据其结构情况，对其他位置酌情少量使用。对甲板部分，一概不用。

3）材料替代

经平台作业者的同意和检验机构的认可，可以使用化学成分和机械性能相当、能满足设计要求的其他牌号的钢材替代原设计指定牌号的钢材。

4.桩基布置

1）与上部荷载的大小有关的设备布置和设备干／湿重

上部设备的布置和干湿重直接影响着上部甲板的尺寸，进而影响桩的根数及尺寸大小。上部荷载包括固定荷载和活荷载。固定荷载是指永久放在甲板上的设备的重量。活荷载包括：可能加到平台上或从平台上移走的钻井和采油设备的重量；可能加到平台上或从平台上移走的生活住房、直升机场和其他的生活供应设备、救生设备、潜水设备和公用设备的重量；消耗品和储罐中液体重量等。有活荷载的开敞区域以及为二期设备预留更多空间的悬伸结构也同样影响桩的数量及尺寸。

2）在安全系数和桩的极限承载力计算方法的选取上受业主的影响

桩的设计贯入深度使桩具有足够的能力承受最大的轴向压力和上拔力，并且具有适当的安全系数。贯入深度安全系数是指桩的极限承载力除以桩的允许承载力。API RP 2A中推荐的安全系数不应小于如表5－1所示的数值。

表5－1　推荐的安全系数

安全系数是用来保证桩在受到轴向力作用时设计入土深度处的土体不会受破坏。当然桩体本身的应力也不能太大从而导致桩体材料本身的破坏。桩体本身有安全系数并与土的安全系数相对应。

在做基础的初步设计之前，对应于每个荷载工况的环境条件和上部荷载都必须经过业主的确认和澄清。业主有时要求设计者多考虑一种设计环境条件或者操作环境条件。

目前在海洋石油开发工程中使用的计算桩的极限承载力的方法有API，DnV和λ法。通常情况下，采用API方法。不管选用哪一种计算方法都要事先得到业主的认可。

3）桩斜度的确定

通常情况下布置在4个角上的桩是双斜的，布置在中间的桩是单斜的。对于四腿平台来讲，通常有两根桩是双斜的，考虑到靠船件的设置、钻井船的作业等因素，则另外两根桩是单斜的。有时四腿桩都没有斜度即直桩。

主桩和裙桩的斜度可以一样，也可以不一样。在确定桩的斜度时要考虑水深、导管架在泥面处水平层的最大轮廓尺寸、主桩与裙桩之间的相互作用等因素。桩的斜度通常为1／8，也可能1／10，1／12。

桩设计成有一定的斜度，主要是用来扩大导管架在泥面处水平层的面积从而增大结构的整体稳定性。导管架在泥面处水平层的面积越大，则由于总的倾覆力矩而引起的单根桩的桩头力就会越小。

4）腿、裙桩的数目与尺寸

在确定腿、裙桩的数目与尺寸时通常要考虑上部荷载的大小、工艺总体布置、水深和以往的经验等等。导管架腿的直径可以基于上部甲板柱子的直径。在波浪作用区内尽量少布置杆件和减少杆件受力面积，减少波浪力进而减少对基础的要求。腿的内径要有一定的裕量，以适应腿和桩的椭圆度。对于桩基导管架，通常情况下要在导管架腿柱与桩之间的环形空间内灌浆，一般而言，1.0～1.5in的环形空间就能满足要求。

5）桩的布置、尺寸和贯入深度受到裙桩数量的影响

桩的布置随着裙桩数量、位置的变化而变化。在通常情况下，裙桩都是围绕着主角桩布置，靠近主桩的里面或外面。附加的裙桩可以紧挨着布置在里面的主桩。导管架的尺度、水深和其他因素决定着裙桩的数量。如果平台恰好安装在土体有可能滑移的区域，为了抵抗土体滑移，往往要加大腿及裙桩的尺寸。桩的贯入深度也随之增加，在这种情况下，一般考虑将裙桩布置在里面。

6）导管架腿桩与支撑形成的管节点

海洋平台中的杆件通常是用钢管，结构中的支管是直接焊到弦管上的。在这些连接中，有时应力集中十分严重，从而导致节点强度降低很多。改善节点强度的方法之一是避开搭接结点而采用简单节点，这样可以使节点外力作用下充分发挥作用。小尺寸的导管架腿桩很难避开搭接节点，导管架腿桩尺寸的加大为焊接节点提供了较大的空间，一般做成简单节点。另一方面，腿桩尺寸的加大会导致波浪力加大，这就需要增加桩的贯入深度。因此在波浪力、腿的尺寸、桩的贯入深度和支撑节点之间需要权衡比较，确定合适的尺寸。

7）裙桩结构以及荷载传递

应该合理地将裙桩连接到导管架腿上，以便导管架上的荷载有效地传到裙桩上。裙桩连接结构应避免与导管架的水平撑杆交叉，布置在外面的裙桩相对于布置在里面的裙桩来讲容易做到这些。考虑到群桩效应，裙桩与主桩的距离应选得合适并能有效地传递荷载。

8）桩的贯入深度应避开有下卧软黏土的砂层

在考虑桩的深度时，桩端所在层土的强度不应明显地高于其下一层土的强度，也就是说不应有下卧软土层。在有下卧软土层的情况下，很容易出现桩突然穿过硬层而到软土层，从而引起冲剪破坏。桩端越接近软土层，两层土的强度相差越大，这种潜在的危险就越容易发生。这是由于土体逐渐变软、破坏或者在荷载的作用下下卧黏土层固结造成的。因此选择桩的贯入深度时应使桩端避开有下卧软土层的砂层。另外桩端距离持力层上下边边界的距离还应满API RP 2A中的有关规定。

9）将裙布置在里面

当土层中含砂砺、云母等很难穿透的材料时，往往考虑把裙桩布置在里面。当平台处在土体有可能滑移处或者平台要承受冰力作用时，也要考虑裙桩布置在里面。布置在里面的裙桩同样也要灌浆以提高其抗水平及轴向荷载的能力。把裙桩布置在里面对主桩的尺寸及贯入深度会有一定的影响。

10）群桩效应

在初步规划桩的布置时，要考虑群桩效应的可能性。当桩距小于8倍桩径时，就要考虑并评价群桩效应。对于主桩来说群桩效应可以忽略，因为对于一座平台而言，主桩的间距都较大。然而，当使用裙桩时，这些裙桩一般都是挨着主桩布置，因此群桩效应的考虑及评价就显得尤为重要。

11）自升式钻井船作业方面的考虑

这主要与桩的布置有关。如果平台用自升式钻井船进行钻井作业，当考虑桩的布置和平台方位时，应保证钻井船能够方便地在平台旁边抛锚就位。平台结构与钻井船之间的相互干扰应减少到最小。

12）桩安装方面的考虑

在初步规划桩的尺寸和贯入深度时，必须考虑其将来在海上安装施工的可能性。使用现有的桩锤应该能将桩打到设计贯入深度。主桩通常是水上打，裙桩可以在水上打也可以在水下打。布置在里面的桩可以用打的方法或者钻了再打。当遇到拒锤而采取钻孔或喷射方法时，要考虑土层是否有硬层以及由于打桩与裙桩之间保持适当的距离，一般不会给桩的施工带来问题。因此布置裙桩时，应使其安装不太困难，而且不干扰主桩的安装。

5.2　导管架结构荷载模拟

1.固定荷载

1）固定荷载定义

固定荷载包括平台结构的重量和在某个作业形式下不变化的任何永久设备和附属结构的重量。固定荷载应包括下列各项：

（1）平台结构在空气中的重量，还包括适当的桩、水泥浆和压载的重量。

（2）永久安装到平台的设备和附属结构的重量。

（3）作用在水面以下结构上的静水力，包括外压力和浮力。

2）结构自重及浮力

计算模型模拟的构件其自重（包括浮力）一般由程序自动计算。至于模拟构件时为简化而省略的构件如板、次梁、楼梯、栏杆、走道、设备基座、防沉板等，则必须由设计人另行将其重量（包括浮力）输入模型中或采用系数法，但针对不同计算状态，应选用不同的系数或方法。

当结构处于水中时，可以计算结构在水中的重量，即计算结构在水中的浮力，然后用空气中的重量减去浮力。

计算浮力的方法有两种，海洋法（MARINE）和理论法（RATIONAL）。

海洋法是用物体排开水体的重力来计算浮力的，浮力沿着杆件轴线垂直向上分布。

理论方法用物体表面所受的水压力计算浮力。浮力在包括杆件在内的竖直面内沿杆件作垂直分布。

在设计中，两种方法都是可用的，海洋法是近似的，也较简单。

对于导管架，根据计算模型的模拟程度和设计阶段的不同，结构重量系数取值不同，一般情况下宜采用如下值：

（1）导管架。

①概念设计：取1.30（不模拟附属构件）；

②基本设计：取1.10～1.20（视附属构件的模拟情况取值，如模拟了登船平台、靠船件、立管、电缆护管、泵护管、阳极块、桩腿间环行空间内水泥浆重量和隔水导管内容物的重量等，则可取1.10）；

③详细设计：取1.05～1.10（视附属构件的模拟情况取值，如模拟了登船平台、靠船件、立管、电缆护管、泵护管、阳极块、防沉板、隔水导管导向、登船楼梯、吊点、水下桩调平装置、封隔器、桩腿间环行空间内水泥浆重量和隔水导管内容物的重量等，则可取1.05）。

（2）甲板。

见平台上部结构设计（即下节）。

（3）设备自重。

见平台上部结构设计。

2.活荷载

活荷载是在平台的使用期间作用在它上面的荷载，它可能在一种作业形式期间就发生变化，也可能从一种作业形式到另一种时发生变化。

3.海洋环境荷载

1）环境荷载定义

环境荷载是由包括风、流、波浪、地震、雪、冰和土壤移动等自然现象作用在平台上的荷载。环境荷载还包括由于波浪和潮汐引起水位变化而产生的作用在构件上的静水压力和浮力的变化。环境荷载作用的方向是不定的，除非已掌握的特定条件使得不同于上述的假设更合理。

应要求业主提供考虑方向的波浪、风和流三个参数的联合概率值。

2）风荷载

见平台上部结构设计。

3）波、流荷载

波流荷载的计算应参见API RP 2A中的公式。计算波浪作用在圆柱形物体上的力取决于波长与杆件直径的比值。当比值较大（＞5）时，则杆件不会明显改变入射波浪，那么，波浪力就可按如下的Morison公式作为拖曳力和惯性为的和来计算：

这里所用的Morison方程，在计算惯性力时忽略了对流加速度分量。同时也忽略了升力击力和轴向力的Froude－Krylov力。

当结构或杆件的尺寸足够大以至占波长的很大比例时，入射波浪就会发生散射或绕射。这种绕射通常发生在构件的宽度大于波长的1／5时。应该使用绕射理论而不是Morison方程计算作用在结构上的入射波浪和散波浪的压力。根据其直径，沉箱可能位于绕射范围内，特别是对于较低海况的疲劳条件时。T.Sarpkaya和M.Isaacson的“海洋结构物波浪力学（Van Nostrand Reinhold公司1981年出版）”叙述了绕射理论。对于一个从海底一直伸出自由液面的圆形构件（沉箱）的线性绕射问题的解决方法见R.C.Mac.Camy和R.A.Fuchs提出的“桩柱波浪力”。

在计算波浪、流荷载时，如果波浪和流同时存在时，应选择将波浪和流从作用在相同方向，水质点的运动特征应考虑波浪和流的联合作用，所以应将波浪和流在模拟在同一荷载工况。波浪理论的选择应基于平台场址的具体条件，根据API RP 2A的图5－1确定。

一般情况下，波、流至少取8个方向，方向为0°、斜向、90°、斜向、180°、斜向、270°和斜向。斜向作用方向的确定应通过方向搜索得到，通过比较不同角度下导管架基底剪力和倾覆力矩的值，从而确定最大基底剪力和最大倾覆力矩的斜向方向。当最大基底剪力和最大倾覆力矩的方向不一致时，如果两者产生的桩头力相差在5%以内，可选择产生较大桩头力的方向，否则两个方向均需考虑。不论是对操作条件还是极端条件，都要进行这样的搜索。

为了考虑海生物对波浪力的影响，可考虑海生物增大杆件直径，即在原杆件直径的基础上增加两倍海生物的厚度。

附属构件可以使用简化后的模拟杆单元代替，模拟杆单元的直径可按等效投影面积的方法确定（考虑海生物的厚度），模拟杆单元的和系数根据设计阶段的不同，波浪、流荷载系数可采用如下值（分析程序流程框图见图5－2）：

（1）概念设计：取1.30（不模拟附属构件）。

（2）基本设计：取1.10～1.20（视附属构件的模拟情况，如模拟了登船平台、靠船件、立管、电缆护管、泵护管、阳极等，则可取1.10）。

（3）详细设计：取1.05～1.10（视附属构件的模拟情况，如模拟了登船平台、靠船件、立管、电缆护管、泵护管、阳极块、防沉板、隔水导管导向、登船楼梯、吊耳、水下桩调平装置、封隔器等，则可取1.05）。

图5－1　各自波浪理论的适用范围

图5－2　计算波浪力＋流力的静力分析程序流程框图

飞溅区的确定：

位于飞溅区的构件，阴极保护系统不能对其提供有效的保护，而涂层又可能遭受船舶等碰撞的损伤，所以对该区域的杆件，应采用特殊的涂层并考虑适当的腐蚀余量。飞溅区的范围可按如下公式确定。对处于飞溅区内的构件，杆件壁厚应扣除腐蚀余量。腐蚀余量一般取值为设计基础条件中建议的年腐蚀速率和平台的设计寿命（年）的乘积，如果设计基础条件中没有包含建议的年腐蚀速率，对于国内近海海域的固定平台，腐蚀余量可取0.3mm／a。

4.冰荷载

在寒冷地区，冰可能成为平台的控制荷载。冰可以以单层冰、重叠冰、冰脊或冰山的形式存在，在我国海域一般分为单层冰和重叠冰。单层冰和重叠冰的单轴抗压强度一般不同，在设计中应选择相应的值。

冰磨蚀区的确定如下所述。

如业主没有规定，则按如下确定。对处于冰作用区内的构件，杆件壁厚应扣除冰磨蚀余量。冰磨蚀余量一般取值为设计基础条件中建议的年冰磨蚀速率和平台的设计寿命（年）的乘积，如果设计基础条件中没有包含建议的年冰磨蚀速率，对于渤海湾海域的固定平台，冰磨蚀余量可取0.1mm／a。

注：如无冬季天文潮资料，可用年资料：

（1）在确定冰作用点时，冰在水面以上的高度取冰厚的十分之一；

（2）冰力的计算方法：

①孤立柱冰力。

作用在垂直和接近垂直（与水平面交角大于75°）的孤立柱（D≤2.5m）上的水平冰力F按下式计算：

式中:m——形状系数，取值如下：圆形截面：0.9，方形截面：冰正向作用：1.0，冰斜向作用：0.7；

I——嵌入系数；

fc——接触系数；

σc——冰无侧限压缩强度（MPa）；

D——冰挤压结构的宽度（m）；

h——冰厚（m）。

对圆形截面的柱，嵌入系数I和接触系数fc的乘积由下面经验公式确定：

式中:h和D单位为cm。

②导管架冰力。

非堵塞情况：

导管架总冰力为各腿柱和隔水导管的冰力之和，单腿柱冰力按①小节计算。在计算总冰力时，应考虑腿柱和隔水导管间的相互影响。具体如下：

a.所有隔水导管上的冰力按①计算，并按0.9的系数折减。

b.对于阵列布置的隔水导管群，其遮蔽系数按图5－3和图5－4两种情况确定。

图5－3　冰作用方向1

遮蔽系数
●—1.00；＋—0.10；—0.05；○—0.00

图5－4　冰作用方向2

遮蔽系数
●—1.00；＋—0.10；—0.05；○—0.00

c.位于隔水导管群后方，在冰破碎带内的腿上的冰力按0.1的系数折减；而位于隔水导管群后方，不在破碎带内腿上的冰力按0.5的系数折减。

d.对于没有隔水导管的四腿导管架，腿的冰力系数按图5－5、图5－6、图5－7和图5－8四种情况确定（四腿以上的导管架的冰力系数的确定参照以上处理）。

图5－5　冰作用方向3

图5－6　冰作用方向4

图5－7　冰作用方向5

图5－8　冰作用方向6

部分堵塞情况：

部分堵塞情况是指仅井口区堵塞的情况，此时导管架上的总冰力为堵塞区冰力与导管架所有腿上的冰力之和。

在这种情况下，对于堵塞区，取Ifc＝0.4，而形状系数m在冰斜向作用时为0.9，正向作用时仍为1.0。其构件间的相互影响如下考虑：

a.位于隔水导管群后方，在破碎带内腿上的冰力为零；

b.位于隔水导管群后方，但不在破碎带内的腿上的冰力按0.5的系数折减；

c.在结构分析时，将堵塞区的冰力按隔水导管数均分加到结构上。

全部堵塞情况：

一般不考虑整个导管架全部堵塞的情况。

5.地震荷载

结构中的地震力是由地面运动引起的，而这个力的大小取决于结构物及基础的刚度。与其他大多数环境力不同，地震力一般是随结构刚度变小而减少，而刚度变小是由于结构构件或基础构件的非弹性屈服或屈曲所引起的。如果这种非弹性效应可能发生，而结构物在重力荷载作用下没有失去稳定，则此结构可经受比第一次屈服时所承受过的更为严重的地面运动而不致倒塌。

由于地震发生的偶然性且不易预测，地震有效加速度重现期的选择一般长于环境荷载的重现期。例如对于20年设计寿命的平台，环境荷载的重现期一般取为100年一遇，而用于强度水平结构校核的地震荷载的重现期可取200年一遇，用于韧性水平结构校核的地震荷载重现期可取1　000年一遇。

对于强度水平的地面设计水平加速度小于0.05g的地区，可以不进行地震分析，因为这类地区的平台控制荷载往往不是地震，而是设计环境荷载。有些术语应用到地震工程时有其特殊的含义，部分术语如下：

（1）有效地面加速度；

（2）地面运动；

（3）响应谱；

（4）时间历程。

6.荷载组合

1）基本原则

组合荷载工况应考虑所有可能的最不利的荷载组合，包括结构自重、设备自重、设备操作重量、操作活荷载、操作环境荷载、极端环境荷载、冰荷载等。同时应考虑可能的产生最大桩压力和拔力的荷载工况组合。对于甲板上的运动和移动设备，应考虑不同作业位置与其他荷载的最不利组合。

2）荷载组合

荷载组合及荷载条件组合系数见表5－2。

表5－2　荷载组合系数

（续表）

注：此表仅表示荷载条件在参加组合时应取的系数，并不表示真实的组合。具体参与组合的荷载要按实际情况选取。

5.3　导管架建造安装阶段分析

1.施工方案确定

导管架建造前应进行施工方案的确定，施工方案的确定应考虑的主要因素有以下几个方面：

1）建造场地的面积及承载力

每一个建造场地的承载能力是一定的，因此在确定建造施工方案之前，应考虑建造场地的承载能力是否满足要求，如不满足要求，必须对场地进行加固或更换场地。场地的面积不但要包括放置导管架的场地，施工机具的通道以及堆放场地的面积也必须充分考虑。

2）施工机具的能力

施工机具的能力主要是吊机的起吊能力，应满足分片建造的导管架的最大重量。

3）导管架的重量及高度

平台导管架几乎都是由钢管焊接而成，轻则数百吨，重则数千吨甚至万吨。因此，导管架建造应考虑分片建造，每片的重量必须控制在施工机具的起吊范围之内。对高度较小的导管架可以考虑直立建造，如果导管架的高度超过起重机起吊的高度，则必须水平建造。

4）导管架装船的方式

图5－9　导管架横向拖拉

导管架装船方式可以分为直接吊装上船和拖拉滑移两种方式。如果导管架在建造场地上直立建造、直立吊装上船，则主要考虑的是导管架建造的方位要与运输驳船靠码头时的方位协调一致，尽量减少起吊过程中浮吊的旋转。如果导管架水平建造、垂直吊装上船，这时要考虑导管架翻身直立的过程，直立后的导管架可直接吊装上船。

对拖拉滑移上船方式，如果导管架是吊装下水，则导管架可以横向或竖向拖拉滑移上船；若导管架滑移下水，则必须竖向拖拉滑移上船，而且导管架大头朝向船艏（见图5－9）。

2.装船分析

导管架一般都是在陆地建造然后装船拖运到海上安装。当导管架重量很大或需要进行外海拖航时，设计人员应特别考虑拖航问题。在进行设计之前，设计人员应咨询建造和拖航承包商，以确定拖航使用的驳船和装船时使用的设备。

导管架的装船通常有直接吊装上船和滑移上船两种方法。以下给出导管架装船、固定和拖航至少要考虑的几个问题和一般方法。

1）直接吊装上船法

导管架建造时可以时直立状态或平躺状态。吊装时导管架的节点和与节点直接连接的杆件受力应考虑2倍的动力系数。其他杆件应考虑1.35的动力系数，如果码头的环境条件较好，施工过程控制措施得当，也可以根据API RP 2A的规定选取较小的动力系数。吊装分析时必须保证吊点的位置在导管架正上方，吊绳与水平面的角度一般不宜小于60°。

吊绳可用刚度无限大的杆件模拟，吊点和吊耳用铰接模拟，导管架横向位移可由一定刚度的弹簧约束，当弹簧力为0时，表明吊点位置正好在中心上方。当导管架的重量接近吊机的极限时，索具和撑杆的重量必须考虑。

图5－10　导管架装船（桩在最下层）

2）滑移装船

滑移装船又可分为纵向和横向两种方式（见图5－10）。

横向装船的导管架下水之前，通常由4点支撑，在滑动过程中必须考虑最严重的情形即两点支撑的情形。这种情形往往是由于运输驳船压载没有控制好而出现的，如果设计不当，导管架节点有可能损坏。一般而言，导管架是由绞车慢慢拖拉上船的，其运动速度很慢，动力因素可以不必考虑。

纵向装船可分为滑靴装船和滑道装船，滑靴装船所需考虑的情形与上述相同。当考虑使用滑靴装船时，需要进行以下3种情形：

（1）导管架在码头上向驳船滑动产生悬臂时。

（2）导管架悬跨在码头和驳船上时。

（3）导管架滑动到驳船上一头产生悬臂时。

另外，如果导管架滑移下水的话，对水深在50m以内的导管架，拖拉头的设计可以同时考虑既作为装 船的拖拉头，又作为下水的拖拉头，这种拖拉头是双向使用的。若水深大于50m，则装船和下水的拖拉头一般都分开设置。装船的拖拉头设在导管架的下端，而下水的拖拉头一般设置在导管架中间的加厚的节点上。

应当注意的是，通常桩、隔水导管和导管架都是由同一条驳船运输的，桩平铺在驳船甲板上，导管架固定在桩的上面。所以，在考虑吊装或拖拉上船时，应考虑桩和隔水导管所占的高度。

3.拖航分析

拖航是指将导管架由建造场地拖运到海上安装现场，有时要越洋拖航，这样可能遇到很大的风浪。所以，导管架拖航分析要考虑以下几个方面：

（1）拖航驳船与导管架结构系统的静稳定性分析。

（2）驳船与导管架结构系统的动稳定性分析，这其中又包括船舶的完整稳定性分析和破损稳定性分析两种工况。

（3）船与导管架结构系统动力运动响应分析。

综上所述，拖航分析需要考虑的计算步骤如下：

1）拖航时应考虑的计算参数

拖航时的运动响应分析，分析中需要的参数有以下几个。

（1）海况条件：波谱、有效波高、有效波周期。

（2）拖航时船舶状体：平均吃水、倾角。

（3）风荷载。

（4）在风力作用下的最大倾角。

（5）导管架重心的位置。

（6）浪向，通常考虑0°、45°和90°3个方向。

（7）在没有详细实测海浪谱的情况下，可以按以下条件进行估算船舶的运动响应，即船舶的最大横摇角为200°，最大纵摇角为100°，周期都是10s，升沉加速度0.2g。

海上固定结构设计应按以下情况进行考虑：

（1）通常的装船固定的管和板的分析。

（2）不同压载情况下近海或远海时固定结构物分析。

（3）荷载状况应考虑驳船在码头时的状况、舯拱状况、舯垂状况以及拖航时的浪向导管架／驳船系统的完整和破损状况的稳定性分析，该稳性分析也要考虑近海或远海两种状况。

2）结构模型

（1）导管架数据。

用于拖航分析的导管架数据应是施工图数据，附属构件应考虑在内，导管架的回转半径应计算出来。

（2）驳船数据。

设计承包商应与施工承包商联系，确定拖航使用的驳船。驳船的数据应包括船长、船宽、型深、纵向和横向回转半径等。

（3）驳船／导管架系统模型。

应建立两个驳船／导管架系统模型来进行拖航分析：

①一个用来对导管架结构进行分析；

②另一个用来对固定结构进行分析。

3）运动相应分析

运动响应分析要考虑以下几个方面：

（1）坐标系。

进行运动响应分析时采用的坐标系是运输驳船的坐标系。

（2）计算程序。

以下计算程序可以完成运动响应分析。

①计算船舶运动的角速度和角加速度：

船舶运动响应的角速度和角加速度可由Moses频域分析得出；

②计算节点内力：

将船舶的运动加速度输入到INERTIATRANSP程序中，可产生导管架个节点的内力荷载。这些荷载包括由横摇、纵摇和由风引起的船倾产生的重力分量。在内力计算时假定驳船／导管架系统的横摇、纵摇、艏摇是简谐运动。

③计算导管架杆件应力：

在得到杆件的内力后，考虑所有可能的荷载组合确定杆件的应力。

4）装船固定设计

导管架滑移或吊装上船后要进行固定，通常装是用钢管和钢板来进行固定。

导管架和驳船的相互作用：

在拖航过程中，固定结构会受到由导管架和驳船产生的各种荷载的作用，比如导管架相对于驳船的运动就会对固定结构产生和大的荷载。为正确地计算导管架／驳船地相互作用，需要将导管架和驳船地模型结合起来考虑。通常来说驳船地强度是足够大的（见图5－11）。

图5－11　驳船导管架模型

固定结构的校核要按近岸拖航和离岸拖航两种情形考虑。因为在这两种拖航状态驳船的压载是不一样的。

4.吊装分析

对直接吊装上船和直接吊装下水的导管架应进行吊装分析。对重量比较小的导管架可以使用一台吊机吊装，而对于重量大的导管架则必须使用两台吊机吊装。

1）吊装荷载

在设计时，吊装荷载应考虑浮吊的回转半径和起吊能力。导管架的重量可以由料单的合计重量给出，通常应考虑保守一些。

2）吊点

当考虑使用一台浮吊吊装时，吊点的布置应使导管架结构的重心位于吊钩正下方。当使用两台浮吊吊装时，吊点的布置应充分考虑不同浮吊的起重能力，结构重心的位置应在两主吊耳的连线下。

3）吊耳设计

主吊耳板承受的荷载应考虑2倍的动荷载系数，平面外荷载可取平面内荷载的5%。荷载的作用点取卸扣中心点。

4）吊绳

选择吊绳直径时，应仔细确认吊绳上的荷载小于吊绳的安全工作荷载。卸扣和吊绳的选择应配套。

吊绳的静荷载＝设计起吊重量的静荷载（吊绳与水平面的夹角不宜小于60°）。

安全工作荷载＝吊绳静荷载。

吊绳破断荷载＝4倍的安全工作荷载。

5.下水分析

导管架下水时，驳船上的绞车通过导管架上的拖拉头拖动导管架在滑道上缓慢滑动，同时给驳船艉部加载，使之有一后倾角。当导管架中心通过下水摇臂时，导管架在重力的作用下自行滑入水中。

当导管架需要通过下滑入水时，导管架腿和撑杆需要特别设计以承受导管架下滑入水时的力。一般说来，当导管架重心通过下水驳船摇臂转轴上方时开始转动时（见图5－12），导管架下滑腿受到的力最大。所以，在上述情况下，驳船单个摇臂的反力至少是导管架重量的一半。如果有更精确的分析得到摇臂上的反力，则应按此反力设计下滑腿和支架。导管架下水后必须有足够的浮力使之漂浮在水面上，如果导管架自身浮力不够，应考虑增加浮筒以保证其能够漂浮（见图5－13）。

图5－12　导管架翻身

图5－13　下水驳船示意图

导管架下滑过程通常按以下4步进行：

（1）导管架在驳船滑道上滑动。

（2）导管架中心通过驳船摇臂后导管架开始转动。

（3）导管架在摇臂上转动同时向下滑动。

（4）导管架完全滑离驳船漂浮在水面的平衡位置。

因此，导管架在设计时应考虑如下几点：

（1）在最大受力点处的导管架腿壁厚应加厚，或者整条下滑腿的壁厚都加厚。

（2）撑杆的强度也要按上述所说的情况校核。

（3）对滑动下水的导管架，下水驳船上要设计滑道，滑道上布置滑靴。滑道设计应考虑以下几个方面：

①滑道在导管架要翻转的地方要建造成槽状。

②滑靴夹板将滑靴和垫木连接起来（见图5－14）。

对特别情形要特别考虑：

对于大型导管架（高度在400m以上），其支撑条件十分复杂，考虑的工况多达几十种。除了要考虑下滑腿局部结构强度外，导管架下滑过程中相当于一个悬臂梁，因此，总体强度也要考虑。

6.扶正分析

导管架滑移下水后是平的漂浮在水面上的，通过调整导管架杆件的冲水状态，保证导管架头部要高出水面，以便于扶正索具的连接。要使导管架由平漂状态变为直立状态，必须经过扶正过程。导管架扶正过程可以用Moses程序进行分析，导管架水中的重量不能超过浮吊的吊装能力，分析中还要考虑破舱状态，即有一个舱破损时导管架的稳性问题。另外，一般还要考虑中心的偏移。导管架完整状态至少要有10%的剩余浮力，破舱状态至少要求具有正浮力。同时在扶正过程中必须仔细考虑导管架最低点离海底的距离，导管架完整和破舱两种工况都要考虑。

扶正过程通常由以下步骤完成：

（1）提升导管架至适当的高度，给导管架腿或附加的舱室灌水，直到导管架垂直立起之后，再缓慢地下放，直至导管架坐底。

图5－14　导管架滑移下水过程示意图

（2）定位。导管架在完全坐底就位前要精确定位。

（3）控制最小底部空间，使导管架腿在扶正过程中不碰底。对水下机盘钻井的情形更应小心控制。

（4）打桩固定。导管架就位后就应打桩固定，桩与导管架腿之间的空隙要通过灌浆管线用水泥浆灌浆固定。

7.接就位分析

对有预钻井的水下基盘导管架扶正后还要经过对接这一环节。预钻井基盘上设置两根导向桩，这两根导向桩的高差视导管架的大小而定，可以是1～2m，导管架上设置对接导向。导管架上对接导向结构应能满足导管架扶正过程中在最大纵摇和横摇碰撞所产生的应力。

8.桩分析

打桩分析通常用波动方程的原理进行。桩的设计不只是要解决桩的直径、壁厚等尺寸，同样重要的是要知道打桩过程中的如下几个问题：

（1）应用何种桩锤才可以将桩大到设计深度。

（2）在用选定的桩锤打桩时，其打桩速度如何。

（3）打桩时最大的阻力是多大。

（4）打桩是桩的最大应力是多大。

以上问题可以从桩的稳定性分析一节中得到答案。应当注意的是对同样的土壤条件和同一桩锤，使用不同的桩垫进行分析得到的结果是不同的，有时差别还比较大。而不同桩帽对打桩分析的影响并不大。

打桩分析还应注意的一个问题是接桩。桩的长度一般有数十米到上百米不等，这样长的桩必须分节，打入一节再接一节。设计时应尽量避免接桩时桩头在砂土层中，因为接桩焊接时间通常需要数小时甚至更多，在此期间土壤对桩的阻力会增大，对继续打桩不利。

9.桩的自由站立分析

桩的自由站立分析是要考虑接桩的长度必须满足当桩锤放在顶端时桩的应力，第一节桩的长度当然由水深和浮吊吊臂的长度来决定，接桩的数量原则上越少越好，以减少海上施工的时间，但又必须考虑自由站立分析和土壤条件的影响等问题，不可顾此失彼。

接桩的长度都要视桩锤的重量、桩的斜度和桩的屈服应力而定，任何一项的变更都可影响接桩长度的计算。

10.坐底稳定性分析

所谓导管架坐底稳定性分析主要是考虑防沉板设计，使导管架在打桩之前受风、浪、流作用时能直立不倒。防沉板可以是钢质也可以是木质，由于防沉板的受力只是临时性的，桩打完之后就不用了，所以设计时防沉板的支撑结构应力可以达到屈服应力。防沉板设计时其位置及大小都要有详细的考虑，以一个4腿导管架为例，防沉板的位置是在4个角上，应注意的是在第一节桩放上时其重量必须考虑。

11.桩与导管架连接强度分析

在完成打桩程序之后，在导管架腿顶部应用楔板使桩和导管架腿对中，然后焊接。焊缝的长度应考虑在最危险的条件下焊缝满足强度要求。

桩与导管架的连接要靠在导管架腿与桩之间的环行空间灌浆来完成。灌浆前，用高压氮气将封隔器胀起，使导管架腿底部密封，形成环形空间。为保证灌浆饱满，必须对返浆情况进行监测。灌浆的设计强度视导管架重量和上部模块重量而定，在灌浆前应对水泥浆进行强度试验，应满足28天后的强度要求和安装甲板以前的强度要求。

5.4　平台上部结构总体确定

1.甲板结构总体布置

首先要考虑所设计平台的用途，是钻井、采油、储存、处理、居住或是其中几项的组合。平台的形状应通过对位于甲板上的设备布置的研究而确定，再最后确定尺度。

1）基本原则

传力路径短，构件综合利用好，材料利用率高。

2）在进行甲板结构总体布置时

一般考虑如下几个方面：

（1）甲板结构布置：在甲板上的设备布置尽量做到重量对称的情况下，甲板结构布置尽量对称，以利于结构均匀受力。

（2）杆件数量：应尽量使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用，杆件数量力求尽可能少。

（3）节点设计：要尽可能使用简单节点，避免使用搭接节点。

（4）隔水导管和甲板的连接：要明确隔水导管支撑两端的连接方法。

（5）滑靴的横向间距的确定：如果考虑甲板结构滑移装船，则滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地滑道和驳船滑道间距的可调整范围。

（6）应考虑钻井、修井的要求：如使用平台钻机、修井机，则需考虑结构的局部加强；如使用钻井船进行修井作业等，则需要考虑甲板标高和悬臂尺度是否能满足使用要求。

2.甲板标高确定

1）底甲板底的标高确定

底甲板的标高＝2／3最大波高（重现期为50年或100年）＋极端高水位＋1.5m不确定因素。

注意：对吊高有限制的时候，用计算机算出的实际波浪超高数据。

2）甲板的层数

根据需要，由总图专业确定。

3）甲板的层间距

要考虑设备的高度、设备操作空间、电缆及管线的放置。具体尺寸由总图专业确定，结构专业要提供梁及其他杆件的最大高度来配合总图专业确定甲板层间距。

3.结构杆件的选取

结构杆件的选取要遵循以下几个原则：

1）大小梁尺寸

要有明显差别，以便区分和连接。

2）杆件类型和材料规格

不宜太多，必要时可予以调整。

3）对管型杆件的选取要考虑以下因素

（1）D／t比：一般介于20～60之间（最好大于30）；如果大于60，则要按照API RP 2A的要求对材料的容许应力进行折减。

（2）kl／r：对主要杆件不宜大于120。

（3）T－Y－K节点：

主要节点：d／D＝0.4～0.8。

次要节点：d／D取值可稍小。式中：d为支杆直径；D为弦杆直径。

4.结构材料的选取

（1）结构材料的选取既要考虑强度的要求，又要考虑工作环境的要求。

（2）甲板立柱上的主要节点、吊点用板应使用z向性能钢材，其他位置可不使用。（3）在性质满足要求的情况下，钢材应尽量使用国产材料。

5.5　平台结构荷载模拟

荷载条件要尽量分别单独模拟，不要多个荷载条件模拟在一起，并对每一个荷载条件给予一个标识，以方便查找。

1.固定荷载

固定荷载包括平台结构的重量和附属结构的重量，在某个作业形式下不变化的任何永久设备。

1）平台结构自重

它包括主要结构、甲板梁、甲板板。而附属结构的重量，可考虑重量系数的方式来计算。

根据计算模型的模拟程度和设计阶段的不同，结构重量系数宜采用如下值：

（1）概念设计：取1.30～1.40（不模拟附属结构）。

（2）基本设计：取1.10～1.20（视附属结构的模拟情况，如详细模拟了小梁、甲板板、吊机底座、卸货区、上下楼梯平台和楼梯等，则可取1.10）。

（3）详细设计：取1.05～1.10（视附属结构的模拟情况，如模拟了小梁、甲板板、吊机底座、卸货区、上下楼梯平台和楼梯、井口区、走道、盖板和修井机滑道等，则可取1.05）。

2）永久安装到平台上的设备自重

设备自重应包括设备、容器、配管、电缆、工作间、防火墙等的自重。

根据设计阶段的不同，设备荷载系数可采用如下值（可根据具体情况调整）：

（1）概念设计：设备干重×1.30。

（2）基本设计：设备干重×1.20。

（3）详细设计：设备干重×1.10。

注：设备干重包括设备、容器、配管、电缆。

2.活荷载

活荷载是在平台的使用期间作用在它上面的荷载，它可能在一种作业形式期间就发生变化，也可能从一种作业形式到另一种时发生变化。活荷载应包括以下各项。

1）容器、储罐和管线中的液体重量

根据设计阶段的不同，荷载系数可采用如下值：

（1）概念设计。（设备湿重－干重）×1.30。

（2）基本设计。（设备湿重－干重）×1.20。

（3）详细设计。（设备湿重－干重）×1.10。

注：荷载系数可采用以上值或根据模拟程度确定。

2）散货堆载及其他活荷载

对于散货堆载及其他活荷载，应根据其所处位置及计算的需要，按表5－3所列的内容考虑。

表5－3　活荷载的计算

注：如有特别需要，如设备后装等，需要根据预计的最大装载设备予以修正。

3.吊机、钻机和修井机荷载

吊机、钻机和修井机荷载：是在使用甲板吊机、钻机和修井机时作用在结构上的力。这些力是考虑了悬吊荷载和它的移动以及固定荷载而得到的。

通常，这些荷载被考虑作为集中力作用在结构上，钻机或者修井机荷载要考虑最不利井位的操作荷载组合。吊机荷载还要根据设计风浪方向考虑对应的方向。

4.海洋环境荷载

环境荷载是由包括风、流、波浪、冰等作用在平台上的荷载。环境荷载还包括由于波浪和潮汐引起水位变化而产生的作用在构件上的静水压力和浮力的变化。

在设计中，尽量要求业主提供考虑方向的波浪、风、流三个参数的联合概率值。

1）风荷载

（1）概述。

风荷载用API RP 2A－WSD规定的方法计算。

（2）形状系数。

在缺少另外的说明资料时，推荐如下的形状系数（CS）对于垂直作用于任何投影面积的风向角。

在对于甲板组块进行风力计算时，受风面积应按甲板组块的轮廓尺寸投影面积来计算。

（3）风荷载的计算机输入方法。

用公式计算风荷载，建议用集中荷载的形式输入结构模型，分配到结构的相应节点上。

实际计算风荷载时，对于斜向风荷载，考虑x和y方向叠加。

2）波、流、冰等其他环境荷载

波、流、冰等其他环境荷载的计算请见本章5.2节。

3）地震荷载

在计算地震荷载时，需注意如下几个方面的内容：

（1）如果有场地的实际地震谱，则采用实际的数据来进行地震分析计算；

（2）如果没有场地的实际地震谱，则采用API的B谱进行分析；

（3）如业主没有要求，对于强度水平地震设计，可取重现期为50年，超越概率为10%的地面地震水平加速度进行强度水平设计；

（4）如业主没有要求，可用2倍强度水平的地面加速度的地震分析来替代韧性分析。

5.荷载组合的原则

（1）按可能的荷载条件进行组合。

（2）对结构产生最不利影响的荷载条件进行组合。

（3）活荷载在不同的工况条件下的取值是不同的：在操作工况条件下，活荷载取100%；极端条件下，活荷载取75%。

（4）设备操作重—干重在不同的工况条件下的取值是不同的：在操作工况条件下，取100%；极端条件下，取75%。

思　考　题

1.导管架平台结构总体布置原则是什么？

2.导管架平台受到的荷载包括哪些？

3.环境荷载包含哪些内容？

4.荷载组合原则是什么？

5.导管架施工方案需要注意哪些方面？

6.导管架平台甲板结构总体布置原则是什么？