一种用于海洋平台受力仿真测试的实验装置及方法

摘要

本发明提出了一种用于海洋平台受力仿真测试的实验装置及方法，属于海洋油气工程领域。该装置通过调整安装于连接盘四角的复位弹簧的预张力，以及万向球杆端与球面轴承底座之间紧固螺钉的作用力，使整个平台模型的受力状况与其实际服役环境相似，以此代替实际服役情况下土体对桩腿的作用，使桩腿本身以及桩腿底部与水槽基底的连接刚度达到与实际刚度相同的连接。本发明结构简单、经济适用、可操作性强、易于实现，显著提高了测量效率及准确性。此外，本发明所述实验装置还可以应用到导管架平台、张力腿平台等各种桩基平台，用来进行上部结构与实际土体之间的受力仿真测试，也能根据实际的工程需要测试水平及垂向荷载力、运动响应等不同的数据。

说明书

技术领域

本发明属于海洋油气工程领域，涉及一种海洋平台水池模型受力仿真测试的实验装置及方法，尤其涉及一种用于在波浪荷载作用下海洋平台受力仿真测试的实验装置及方法。

背景技术

随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。因此，油气开采作业也逐步在海洋中进行。在海上进行油气钻井施工时，由于海上气候多变、海上风浪和海底暗流的破坏，海上平台的稳定性和安全性更显重要。平台的桩腿浸入海浪中，承受着相当大的波浪作用力，波浪荷载是海洋平台所承受的主要外力之一，因此明确波浪荷载对平台的作用规律，对平台的强度设计和稳性计算都具有十分重要的作用。

以往的平台波浪荷载受力测试装置往往并未考虑现实条件下桩腿与海底地基并非刚性连接，并由此产生平台复杂受力情况，只是单纯模拟桩腿与地基刚性连接的平台模型在波浪荷载作用下的受力状态。基于此，本发明提出了一种海洋平台受力仿真测试的实验装置，利用桩腿与地基间的受力仿真连接组件，模拟海洋基底对桩腿的复合作用，使平台模型与地基间的连接刚度及其自身刚度与平台的实际刚度相同。据此对在波浪荷载作用下的平台模型进行受力仿真实验，可用于模拟及测量平台的运动响应、加速度和桩腿反力等众多参数。

发明内容

本发明目的在于克服现有海洋平台波浪荷载实验测量装置的不足，提供一种海洋平台受力仿真测试的实验装置，综合考虑并模拟了桩腿与海底的复杂非完全刚性连接情况，从而为波浪荷载水池模型试验提供了一种准确便捷的研究测量装置。

本发明的技术方案：

一种用于海洋平台受力仿真测试的实验装置，包括自升式海工平台模型和测试装置。

所述的自升式海工平台模型，主要包括上部平台主体模型和桩腿模型。其中，上部平台主体模型为三角形船体；桩腿模型包含三个三角形桁架桩腿，三个三角形桁架桩腿的顶部分别连接在三角形船体的三个角处。每个三角形桁架桩腿底部均通过桩腿底板1连接一个测试装置，以此来模拟桩腿底部与海底的非完全线性连接。

所述的测试装置包括连接盘A2、三向测力天平3、连接盘B4、连接盘C5、复位弹簧6、水下拉力传感器7、螺钉8、万向球杆端9、球面轴承底座10、紧固螺钉11和水槽基底12。

所述的三向测力天平3上端通过连接盘A2与三角形桁架桩腿底部的桩腿底板1固接，三向测力天平3下端与连接盘B4固接；连接盘B4下表面与方形的连接盘C5固接，连接盘C5下表面与万向球杆端9一端连接，万向球杆端9另一端通过四个紧固螺钉11与球面轴承底座10连接，通过万向球杆端9与球面轴承底座10之间的四个紧固螺钉11的作用力，使最终连接刚度以及桩腿本身的刚度与实际刚度相同，球面轴承底座10下端与实验水槽基底12固接。所述连接盘C5的四个角均通过复位弹簧6分别与四个水下拉力传感器7连接，水下拉力传感器7通过螺钉8连接在水槽基底12上。

由于实际压载中，桩腿伸入泥面以下受到土体的作用，桩腿与海底不能简化为简单的固接条件，因此将三向测力天平3下端与水槽基底12通过万向球杆端9及球面轴承底座10连接，使桩腿底部与水槽基底达到与实际受力情况相同的刚性连接，用来模拟海底土体对桩腿的作用。调节安装于连接盘C5四角的复位弹簧6的预张力以及万向球杆端9与球面轴承底座10之间的四个紧固螺钉11的作用力，使得最终连接刚度以及桩腿本身的刚度与实际刚度相同。

一种采用上述实验装置测量桩腿反力的实验方法，步骤如下：

第一步，连接测试装置

(1)将每个三角形桁架桩腿底部的桩腿底板1通过连接盘A2与三向测力天平3上端直接固接，三向测力天平3下端通过连接盘B4与连接盘C5固接。

(2)连接盘C5底部与万向球杆端9的一端固接，万向球杆端9另一端与球面轴承底座10通过四个紧固螺钉11连接，球面轴承底座10与水槽基底12直接固接，使三角形桁架桩腿底部与水槽基底模拟出刚性连接。

(3)在连接盘C5的四个角分别通过复位弹簧连接四个水下拉力传感器7，水下拉力传感器7通过螺钉8固接在水槽基底12上。

(4)通过调节安装于连接盘C5四个角的复位弹簧6的预张力以及万向球杆端9与球面轴承底座10之间的四个紧固螺钉11的作用力，以此代替实际服役情况下土体对桩腿的作用，使桩腿本身以及桩腿底部与水槽基底的连接刚度达到与实际刚度相似的连接。

第二步，桩腿反力测试

将上述测试装置连接完成后，将上部平台主体模型的三角形船体加在桩腿模型上方，构成整个实验装置；再将整个实验装置放置于实验水槽内，注水完成且达到平衡状态时通过三向测力天平测得静止状态下的桩腿反力，即静桩腿反力；波浪荷载作用时，桩腿在波浪力的作用下产生弯曲，使得球面轴承底座内的万向球发生转动，以此可以模拟桩腿在实际土体内产生转角的现象。通过复位弹簧调节布置的角度、预张力等参数满足所需的刚度要求，同时可以在波浪荷载作用后为桩腿提供恢复力，使得桩腿能够回到静平衡位置。实验过程中读取三向测力天平上的时间序列数据，即为桩腿受到的动桩腿反力；将静桩腿反力与动桩腿反力代数相加，即为最终的总桩腿反力。

本发明的有益效果：本发明提供了一种用于海洋平台受力仿真测试的实验装置，仅通过调整安装于方形连接盘四角的复位弹簧的预张力，以及万向球杆端与球面轴承底座之间紧固螺钉的作用力，便可以使整个平台模型的受力状况与其实际服役环境相似，以此代替实际服役情况下土体对桩腿的作用，使桩腿本身以及桩腿底部与水槽基底的连接刚度达到与实际刚度相同的连接。本发明结构简单，经济适用，可操作性强，易于实现，显著提高了测量效率及准确性。此外，本发明所述实验装置不仅可以安装于自升式海工平台底部与桩腿连接，测量海洋平台运动时的桩腿反力；还可以应用到导管架平台、张力腿平台等各种桩基平台，用来进行上部结构与实际土体之间的受力仿真测试，也可根据实际的工程需要测试水平及垂向荷载力、运动响应等不同的数据。

附图说明

图1为本发明所述实验装置的结构示意图。

图2为采用不同刚度模拟方法和实验装置测量所得刚度对比图。

图中：1桩腿底板；2连接盘A；3三向测力天平；4连接盘B；5连接盘C；6复位弹簧；7水下拉力传感器；8螺钉；9万向球杆端；10球面轴承底座；11紧固螺钉；12水槽基底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加易于理解，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

使用时，具体步骤如下：

第一步，连接测试装置

(1)每个三角形桁架桩腿的桩腿底板1通过连接盘A2与三向测力天平3上端直接固接，三向测力天平3下端通过连接盘B4与连接盘C5固接。

(2)连接盘C5底部与万向球杆端9的一端固接，万向球杆端9另一端与球面轴承底座10通过四个紧固螺钉11连接，其中球面轴承底座10与水槽基底12直接固接，使桩腿底部与水槽基底12模拟出刚性连接。

(3)在连接盘C5的四个角分别通过复位弹簧连接四个水下拉力传感器7，水下拉力传感器7通过螺钉8固接在水槽基底12上。

(4)通过调节安装于连接盘C5四个角的复位弹簧6的预张力以及万向球杆端9与球面轴承底座10之间的四个紧固螺钉11的作用力，以此代替实际服役情况下土体对桩腿的作用，使桩腿本身以及桩腿底部与水槽基底的连接刚度达到与实际刚度相似的连接。

第二步，桩腿反力测试

将上述测试装置连接完成后，将上部平台主体模型的三角形船体加在桩腿模型上方，构成整个实验装置；再将整个实验装置放置于实验水槽内，注水完成且达到平衡状态时通过三向测力天平测得静止状态下的桩腿反力，即静桩腿反力；波浪荷载作用时，桩腿在波浪力的作用下产生弯曲，使得球面轴承底座内的万向球发生转动，以此可以模拟桩腿在实际土体内产生转角的现象。通过复位弹簧调节布置的角度、预张力等参数满足所需的刚度要求，同时可以在波浪荷载作用后为桩腿提供恢复力，使得桩腿能够回到静平衡位置。实验过程中读取三向测力天平上的时间序列数据，即为桩腿受到的动桩腿反力；将静桩腿反力与动桩腿反力代数相加，即为最终的总桩腿反力。

在模拟海洋平台桩腿刚度时，首先进行了将桩腿模型直接与水槽底部固接(即形成三向测力天平底部的连接盘B4直接与水槽基底12固接)的试验，测量了此实验装置的刚度，如图2所示，此试验装置模拟的桩腿的刚度约为1046N/m；加入本发明所述的实验装置后，调节底部紧固螺钉后，再次测量桩腿模型的刚度，如图2中的灰色线所示，约为201N/m。由此说明，本发明所述的实验装置可以通过下部装置有效地调节桩腿模型的刚度，使桩腿模型的刚度满足实验所需的要求。