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自升式平臺最早出現(xiàn)于1955年，因其在波浪中運動幅度較小，故是淺海油田常用的鉆井設施。根據(jù)底部支撐形式的不同，自升式平臺可分為：樁靴型和沉墊型，其中沉墊型平臺適用于軟土地基。自升式平臺可拖航至不同海域進行作業(yè)。在拖航過程中，高達幾十米的樁腿聳立在主船體之上，受到風力、傾斜重力和運動慣性力的作用，使樁腿根部產(chǎn)生很大的彎矩，因此樁腿根部和固樁架是自升式平臺結(jié)構(gòu)強度通常關注的區(qū)域之一但是對于扁平的大體積沉墊在波浪中的變形與強度通常被忽視，也未見到專門的文獻論述這一情況。部分原因在于不能采用簡單而有效的水動力理論計算作用在沉墊上的波浪動壓力。由于自升式平臺其主船體和沉墊非細長構(gòu)件，因此不能采用Morison公式計算作用在其上的波浪動壓力，同時沉墊和主船體相距很小，對流場有相互影響，因此不能采用比較成熟的切片理論計算波浪動壓力。本研究針對一艘三樁腿沉墊型自升式平臺的拖航過程進行了波浪載荷與結(jié)構(gòu)強度分析。
分析對象為樁腿沉墊型自升式平臺。平臺主船體主尺度為以寬X高=582mX402mX49m，沉墊呈平頭A字型，尺度為長X寬X高，樁腿長度為77.72m。拖航時，沉墊上升至距主船體船底457m。采用SESAM軟件系統(tǒng)對這一平臺建立了一個三維空間板殼有限元模型，對固樁區(qū)和樁腿等重要區(qū)域采用了細化模型，以正確反映這些區(qū)域的受力清況。對于自升式平臺，樁腿與周圍結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)較復雜。其中樁腿與沉墊甲機底機縱橫艙壁之間焊接，可傳遞6個方向上的載荷，樁腿及固樁區(qū)頂板之間以及與主船體底板之間用固樁鍥塊固定，只傳遞水平力，固樁區(qū)插銷與樁腿之間，只傳遞垂向力。樁腿與其他結(jié)構(gòu)均無連接，不存在直接的相互作用。對這些構(gòu)件的相互作用，均需在計算模型中按實際模擬，才能正確反映固樁區(qū)和樁腿局部受力。
平臺在拖航狀態(tài)中，受到以下幾種載荷同時作用：靜水載荷(包括重力與靜水壓力)、波浪動壓力、運動慣性力、纜繩拖力、水阻力、風力等。對平臺做總體強度分析時，通常只考慮靜水載荷、波浪動壓力和慣性力。波浪動壓力和運動慣性力的計算在選定的設計波上進行，設計波應滿足平臺拖航時所遇到的最危險載荷。為了選定設計波，以重心所在橫截面上的扭矩垂直彎矩以及中縱截面上的垂直彎矩為主要控制參數(shù)，計算平臺在一系列規(guī)則波上的傳遞函數(shù)，選取使上述3個控制參數(shù)分別達到最大值時3個波浪的浪向與頻率作為設計波參數(shù)。設計波波高則根據(jù)航線上的統(tǒng)計資料取定。
由于平臺在主船體下面存在一個開口的大體積沉墊，而且在拖航狀態(tài)中，沉墊與主船體相距很小，對流場有相互影響。因此，本研究采用的是勢流理論，考慮輻射和繞射影響，計算平臺在拖航狀態(tài)的波浪力。對于所有的設計波，均計算出相應的波浪動壓力，并施加于結(jié)構(gòu)上進行強度計算。作為一個示例，圖為計算得到的沉墊甲板在斜浪特定相位作用下的波動壓力，將其與平臺結(jié)構(gòu)變形結(jié)合起來，可看到波動壓力是造成沉墊扭轉(zhuǎn)的主要因素。波浪對平臺的作用包括主船體與沉墊兩部分，計算表明，兩者之間的分配比例是隨著浪向變化的。
在橫浪情況下，主船體受到的波浪誘導載荷大于沉墊所受到的波浪誘導載荷，在斜浪和迎浪作用下，平臺受到的波浪誘導載荷主要由沉墊承受。將重力、靜水壓力、波浪動壓力和運動慣性力同時施加于平臺上，進行結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力計算，可得到各個工況下的應力詳細分布情況。匯總所有的計算結(jié)果，可以查明平臺拖航過程中出現(xiàn)高應力的區(qū)域。列出了船體甲板和沉墊底板最大應力(不計角隅應力集中)。從表中可知，沉墊受到的應力遠高于主船體甲板的應力，說明在拖航過程中，沉墊強度是作業(yè)的制約因素。圖為沉墊底板在設計波下的高應力分布區(qū)。由圖可見，在斜浪作用下沉墊橫檔出現(xiàn)大面積高應力，而在迎字良橫浪情況下沉墊橫擋受力均較小，這是由于沉墊橫檔作為主要的抗扭構(gòu)件，承受較大的扭矩作用。
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