水下管匯筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案研究

水下管匯筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案研究

0總結(jié)水下管道是油船海上浮式系泊和原油輸送裝置的主要設(shè)備。它連接著水下采礦樹木和海底管道，優(yōu)化了海底的配置，減少了連接的管道數(shù)量。1樁基模型及接觸面設(shè)置4樁型基礎(chǔ)因其自身較高的可靠性及便于上部結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，目前在水下生產(chǎn)設(shè)施中應(yīng)用較多。以某實(shí)際工程水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為背景開展計(jì)算分析工作。應(yīng)用有限元軟件Abaqus進(jìn)行三維建模分析，其單樁樁徑為0.762m，壁厚為0.03m，樁基橫向間距為16.5m，樁基縱向間距為7.5m，其中4樁錨樁模型1樁長為24.5m,4樁錨樁模型2樁長為6.0m。樁體材料均為鋼材，其材料強(qiáng)度遠(yuǎn)高于土體的強(qiáng)度，因此采用線彈性本構(gòu)模型，彈性常數(shù)分別取E=2.1×10為了合理施加初始土壤應(yīng)力，假定筒型基礎(chǔ)插入土體后筒基底部與周圍土體平接。土體側(cè)面施加水平方向約束，底面施加固定約束，頂面自由約束。筒型基礎(chǔ)與土體的接觸面采用Abaqus中的接觸對算法，通過定義的接觸面相互作用力學(xué)傳遞模型來模擬界面的摩擦接觸特性。考慮到錨樁的彈性模量遠(yuǎn)大于土體的彈性模量，指定吸力錨上的接觸面為主接觸面，土體上的接觸面為從接觸面。此模型共設(shè)立3對面面接觸，分別是樁頂、樁外側(cè)、樁內(nèi)側(cè)與土體的接觸，主、從接觸面的摩擦因數(shù)取0.65，樁土接觸面詳細(xì)設(shè)置如圖3所示。2土：土壤分布對我國南海海域的土壤條件進(jìn)行調(diào)研，確定3種典型土壤：分布最廣土壤、強(qiáng)度最弱土壤、近岸典型土壤?；谶@3種典型土壤的4種工況（LC1～LC4），分別選取2種4樁錨樁模型進(jìn)行有限元計(jì)算和強(qiáng)度分析。2.1為今后評估提供參考地基土的性質(zhì)對其與平臺(tái)結(jié)構(gòu)間的相互作用有根本的影響，且大尺度沉墊結(jié)構(gòu)對于地基承載和抗滑移能力有著非常高的要求，因此對平臺(tái)的沉墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的受力分析是十分必要的，也可為今后同種類型的平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考。實(shí)例平臺(tái)的工作海域位于中國南海，針對南海的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)研和總結(jié)，通過對濱海區(qū)海底、海峽區(qū)海底、內(nèi)陸架海底、外陸架海底、陸坡、深海平原海底、南海中沙海域海底、南海南部海域海底、南海珠江口海域海底土等典型區(qū)域海底土壤類型及力學(xué)性質(zhì)的調(diào)研和總結(jié)確定3種典型目標(biāo)海底土壤，分別是：分布最廣的目標(biāo)海底土壤（目標(biāo)土壤1）、工程性質(zhì)最弱的目標(biāo)海底土壤（目標(biāo)土壤2）和目標(biāo)海域近岸典型土壤（目標(biāo)土壤3）。土壤特性如表1～表3所示。2.2樁基礎(chǔ)及受力節(jié)點(diǎn)布置根據(jù)4種工況（見表4～表7）下管匯支座位置支反力計(jì)算結(jié)果，計(jì)算得出樁柱的最大水平力為179289.3N，最大豎直力為-109850.0N，均位于樁頂。4樁基礎(chǔ)及受力節(jié)點(diǎn)布置如圖4所示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)載荷，經(jīng)過對空間力系的簡化，得出4種工況下4樁錨的受力數(shù)據(jù)（見表8～表11），后續(xù)的設(shè)計(jì)與分析工作均基于此載荷開展。2.3土壤條件對樁基結(jié)構(gòu)的影響經(jīng)過有限元分析計(jì)算，分布最廣土壤在LC1工況作用下樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖5和圖6所示。4樁錨樁模型1和模型2在不同典型土壤4種工況下的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?2～表14所示。依據(jù)《APIRP2SK》2008規(guī)范，可以確定4樁錨樁模型1和模型2在不同典型土壤4種工況的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析均符合規(guī)范要求。在相同載荷工況下，對比分析3種典型土壤對樁基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形的影響。通過對計(jì)算結(jié)果的對比分析可發(fā)現(xiàn)下述力學(xué)現(xiàn)象：首先，在樁的長度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響方面，計(jì)算結(jié)果表明：在3種土壤條件、4種不同工況下，由于樁長不同，模型1與模型2的應(yīng)力響應(yīng)有較大的差異，模型2的應(yīng)力相對模型1的應(yīng)力降幅百分比如表15所示。由表15可知：3種土壤條件下最大的差異均發(fā)生在LC2，具體表現(xiàn)為模型1的應(yīng)力響應(yīng)比模型2高86%。樁長縮短導(dǎo)致樁身最大應(yīng)力降低，這種現(xiàn)象的原因是樁長減小后鋼樁與土壤的總體接觸剛度降低，從而引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小。其次，在不同土壤參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響方面，計(jì)算結(jié)果表明：在3種土壤條件、4種不同工況下，由于土壤參數(shù)變化，模型1和模型2的應(yīng)力響應(yīng)變化均不大。在相同受力工況不同土壤參數(shù)情況下樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力變化百分比如表16所示。由表16可知：土壤參數(shù)的變化對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較小，平均值為3.7%。可見，海底樁基礎(chǔ)的應(yīng)力對海底土壤的變化表現(xiàn)出一定的“惰性”，并不敏感。在各個(gè)樁基礎(chǔ)的最大變形方面，由表12～表14可以看出，各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大位移均為1～2cm，各工況之間的差異不大。3樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)力對水下管匯筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在考慮目標(biāo)地質(zhì)條件的情況下，利用有限元軟件設(shè)計(jì)并驗(yàn)證兩種4樁錨樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。分析樁基長度、土壤參數(shù)對樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形與位移的影響。得到以下結(jié)論：(1）所設(shè)計(jì)的4樁錨樁筒型基礎(chǔ)，在目標(biāo)地質(zhì)條件的工況下，可確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。(2）對3種土壤條件4種受力工況結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)錨樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長度的變化對樁基的最大應(yīng)力有較大影響，樁長由24.5m降至6.0m后，最大應(yīng)力降幅達(dá)86%，結(jié)構(gòu)因素是影響樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要因素之一。(3）土壤參數(shù)的變化對錨樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較小。對3種土壤條件各工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)力因土壤參數(shù)改變而產(chǎn)生的變化