海上多功能工作平台结构设计关键技术研究

摘要

海上多功能工作平台是在国家大力发展跨海大桥建设施工技术的背景下，并针对琼州海峡跨海大桥基础建设的需求，设计开发的新型可移动自升式海上施工平台，其具备在复杂恶劣的海洋环境中安全高效地完成多项桥梁施工作业的能力。由于我国对诸如海上多功能工作平台之类的大型深水自升式海洋平台结构设计缺少相关经验，并对平台结构设计的关键技术的掌握还不够全面，因此对海上多功能工作平台结构设计中的所涉及的关键技术开展全面深入研究将有益于提高我国海洋工程结构的设计能力和研发水平。
　　 本文以琼州海峡跨海大桥工程为背景，针对跨海大桥施工特点，并通过对自升式海洋平台设计理论和方法的研究，完成了海上多功能工作平台的方案设计。采用理论研究、模型试验、数值仿真等多种方法手段，全面深入地研究了平台结构强度计算方法、平台极限承载能力分析方法、桩腿结构空间KK管节点疲劳性能以及桩腿结构选型优化设计等海上多功能工作平台结构设计中涉及到的关键技术问题。本文研究的主要内容和成果包括：
　　 (1)根据国内外已有自升式海洋平台的结构型式和特点，对平台结构设计方法及相关关键技术的研究进行了消化、吸收和总结。根据琼州海峡跨海大桥工程的基本建设条件和施工特点，并通过分析比选研究确定了平台船体、桩腿、桩靴、升降系统和固桩系统的基本型式，提出了海上多功能工作平台的总体设计方案。设计的海上多功能工作平台具备在复杂恶劣的海洋环境中安全高效地完成跨海大桥建设中的深水打桩及基槽整平等施工作业的能力，作业最大水深达到80米。海上多功能工作平台的设计方案采用模块化设计理念将平台艉部设置为供大型施工设备运行的工作区域，将艏部舷侧区域设置为可通过连接装置连接外部模块的扩展区域，较大地提高了平台的功能范围和改装能力。模块化技术的引入使海上多功能工作平台的总体方案更加符合大型海洋工程装备发展趋势，使平台真正具备了“多功能性、多用途性、良好经济性”的特点。海上多功能工作平台的设计方案获得了两项国家实用新型专利。
　　 (2)深入分析海上多功能平台的结构型式和海上作业特点，并研究了海上多功能工作平台结构设计直接计算方法，在此基础上，采用有限元分析软件ANSYS，结合相关海洋平台设计建造规范建立了海上多功能工作平台结构强度分析模型。根据对平台风、浪、流等环境荷载的计算方法和准则的研究，提出了海上多功能工作平台最不利环境载荷的计算分析方法。对海上多功能工作平台自存、升降、正常工作及拖航等四种工况下的结构强度的分析结果表明：①平台主要结构及构件均满足强度要求，局部区域有高应力出现。②桩腿弦杆与桩靴连接处是平台结构出现高应力的典型区域。③平台主船体结构的高应力区域主要出现在围阱区域；④打桩模块和整平装置连接模块工作区域的平台甲板应力偏大。根据计算分析结果可以全面了解平台结构各工况下的受力特性，为平台的结构设计、强度评估以及结构优化提供重要参考。本文提出的海上多功能工作平台结构设计直接计算方法适用于同类自升式海洋平台结构设计。
　　 (3)以非线性有限元为基础，采用了静力弹塑性分析方法对海上多功能工作平台极限承载能力进行了研究，重点分析了自存工况下平台受到0°、45°、90°三种不同方向环境载荷作用下平台的极限承载能力，以及平台后服役期考虑碰撞损伤、构件缺失、腐蚀、海生物附着和桩基沉降五种损伤的缺陷平台的极限承载能力，得到了一些有意义的结论：①海上多功能工作平台结构在0°方向环境荷载的作用下极限承载能力最小，该工况最危险。②自存工况下海上多功能工作平台在极限载荷作用下的顶端位移超过1.558m时可认为平台达到极限状态。③作为反映平台结构承载能力及安全可靠性的重要指标的强度储备系数的变化范围为3.5～5，且在450方向环境荷载作用下最大，90°角方向荷载作用下最小。④不同损伤情况对海上多功能工作平台极限承载能力影响程度不同：腐蚀对平台的极限承载能力影响最大；海生物附着虽然不会降低平台的极限承载能力，但会在放大环境载荷的同时明显降低平台强度储备；对于平台桩腿主要杆件的损伤及缺失尤其是斜撑杆的缺失对平台的极限承载力影响较大．本文所采用海上多功能工作平台极限承载能力的研究方法及研究成果为类似平台极限承载能力分析、结构设计以及安全性评估提供了有用的参考。
　　 (4)采用模型试验与数值仿真两种方法对海上多功能工作平台桁架式桩腿结构的典型节点型式——空间KK型管节点的疲劳性能进行了相关研究。试验研究主要是通过开展空间KK型管节点在轴力作用下的疲劳性能试验，重点研究KK型管节点在轴力作用下沿着焊缝周围的热应力区内的热点应力分布、节点的应力集中系数，以及初始疲劳裂纹出现位置和裂纹扩展规律等。通过试验研究得到以下价值的结论：①KK型管节点模型弦杆上焊趾处应力分布的最大值出现在冠点到顺时针方向的鞍点之间；最小值出现在跟点到逆时针方向的鞍点之间，与普通的K型管节点的最大应力出现在鞍点附近不同。撑杆上焊缝附近应力分布的最大值出现在鞍点附近：最小值出现在跟点附近，与普通的K型管节点的最大应力分布相同。②KK型管节点模型在轴向载荷作用下的最大热点应力点位于弦杆焊趾处的冠点与鞍点之间（距离跟点225度附近），该位置为疲劳裂纹最容易萌生和扩展的位置，也是疲劳测试中应重点观察的区域。③KK型管节点模型的最大热点应力值为211.6MPa，应力集中系数为5.2，采用S-N曲线估算得到的KK型管节点模型的疲劳寿命为31.6万次，并据此制定疲劳试验的裂纹观察和检测手段。④疲劳初始裂纹出现位置与静力试验预测的位置一致。疲劳裂纹萌生后迅速向两边扩展，向冠点方向扩展的速度大于向鞍点方向扩展的速度。疲劳试验测得的空间KK管节点在轴向疲劳载荷作用下的疲劳寿命大于S-N曲线方法估算的疲劳寿命，说明采用S-N曲线对疲劳寿命的估算结果偏于保守。数值仿真研究主要结合试验研究结果，建立了合理准确的空间KK型管节点疲劳性能仿真分析模型，并采用数值仿真方法对具有不同几何参数的空间KK型管节点疲劳性能进行对比研究，数值仿真研究结果表明：①与试验分析结果对比可知，采用数值仿真方法计算空间KK型管节点的最大热点应力值具有一定的精度，可用于判断空间KK型管节点的初始疲劳裂纹出现位置、评估结构疲劳寿命以及指导结构设计。②空间KK型管节点的杆件壁厚和两个K型管节点平面夹角是影响管节点疲劳性能的主要因素。为了提高空间KK型管节点的疲劳性能，在管节点结构设计当中，应在满足结构强度要求的前提下采用较小的杆件壁厚以及合适的平面夹角。上述研究方法和研究结论为空间KK型管节点设计以及海上多功能工作平台桩腿结构优化提供了参考依据。
　　 (5)对自升式海洋平台结构优化设计方法进行了研究，提出了基于有限元法的海洋平台桁架式桩腿结构选型优化设计的方法。应用ANSYS程序的参数化设计语言建立了以降低结构质量减小制造成本为优化目标，以桩腿构件的截面尺寸和桩腿结构的形状参数为设计变量，遵照设计规范中的强度、刚度和稳定性等多约束条件的平台桁架式桩腿结构优化设计模型，并编译了结构优化分析程序。以海上多功能平台设计方案为基础的海洋平台桩腿结构选型优化结果表明：①通过结构优化得到的桩腿设计方案可有效减少结构质量提高平台的经济性。②不同弦杆中心距的桩腿结构对应优化设计结果不同，随着弦杆中心距的增大，桩腿结构的优化设计用钢量呈现“大～小～大”的变化趋势，当弦杆中心距为10.25m时桩腿设计质量最优，说明桩腿弦杆中心距是桩腿结构优化设计中应该重点考虑的因素之一。③从平台结构的位移响应来看，随着弦杆中心距的增大，平台最大位移值和其桩腿用钢量变化的趋势相似，当弦杆中心距为10.75时，位移响应值最小。说明采用合理的桩腿结构，不仅可以有效降低用钢量，而且平台的位移响应也能得到优化。本文对平台桩腿结构选型优化设计的研究方法和成果对海上多功能工作平台桩腿结构设计具有一定的参考和指导意义。
　　 (6)对海上多功能工作平台的结构强度分析、极限承载能力分析、空间KK型管节点数值仿真分析和桩腿结构选型优化均是以有限元分析软件ANSYS作为计算分析平台，并根据具体的研究内容和研究方法调用合适的程序模块或编译合理的分析程序完成本文相关研究工作的。本文所采用的基于ANSYS计算平台研究和解决海上多功能工作平台结构设计中的关键技术问题的方法和思路为自升式海洋平台结构设计和优化提供了强有力的工具。