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原文传递自升自航式船与地基土相互作用研究

论文题名：	自升自航式船与地基土相互作用研究
关键词：	自升自航式船;地基土;海底地基;土力学;浅基础理论;极限承载能力;拔桩能力
摘要：	自升自航式船是一种机动、高效、作业稳定的海上工程船，即能自升，又能自航。它具有性能好、功能强、通用性好等优点，近50年来被广泛用于海上平台的建造和维护、海底管线的铺设和维修、海上油井的修理等许多海上石油工程。目前，世界各海域正在使用的自升自航式船超过230艘，其中，大多数集中在美国的墨西哥湾，约有200艘。自升自航式船与其它海洋工程结构物一样，其安全、稳定作业，很大程度上依赖于稳定的海底地基。其机动、高效特点的发挥，更多地依赖于对自升自航式船与地基相互作用的认识。只有认真研究自升自航式船作业的海底地基特性，将自升自航式船的主体结构、桩靴和地基土视为一个整体，系统地研究自升自航式船与地基之间的相互作用关系，才能较好地掌握自升自航式船结构特点的本质，得出科学合理的分析结果。只有在科学分析的基础上，才能做到自升自航式船的合理设计和合理使用，才能进一步对自升自航式船进行优化设计，开发出更加先进的、适合我国国情的自升自航式船。国外在自升自航式船的应用方面积累了丰富的经验，同时，从上世纪90年代开始，对自升自航式船的总体强度和总体性能方面展开了研究。如美国海岸警卫队2000年5月颁布与自升自航式船相关的规定，对自升自航式船桩腿强度校核、环境载荷选取、总体布置方面都做出具体规定。然而，对于自升自航式船与地基的相互作用问题的研究很少，美国Steward技术公司为美国海岸警卫队提交的研究报告中也涉及自升自航式船与地基的相互作用问题。该报告将地基简化为线性弹簧，但线性弹簧不完全符合地基的实际特性，模型中土的剪切模量的选取依赖于经验。分析中，三只桩靴承受同样大小水平的载荷假设也不合理。自升自航式船可用于我国海洋石油开发和其他海上施工，完全能在渤海湾、杭州湾和长江口等海域的环境条件下作业。目前为止，还没有检索到国内使用和建造自升自航式船的相关报道。上海交通大学于2002年完成了一艘“自升自航式石油工程船”的方案设计，相应的研究工作在逐步开展。本文在总结自升自航式船结构特点和海底土特点的基础上，综合利用经典土力学理论、有限元数值模拟和室内模型试验三种研究手段，比较系统地研究自升自航式船与地基的相互作用。研究的内容主要包括：地基稳定性分析，入泥深度分析，拔桩能力分析，抗滑能力分析，固定性分析，模态和动态响应分析等。鉴于土特性的复杂性，对于不同的研究内容，本文采用不同的方法组合。理论研究中，综合应用挪威船级社推荐的海上结构物地基分析方法“DnVClassficationNo.30.4〈Foundation〉”和“Skempton”、“Tersaghi”、和“Prantl”的土力学极限承载力理论进行分析。室内模型试验研究中，采用上海交通大学自行设计的自升自航式石油工程船为母型船，模型与母型船的比例为1：40。有限元数值模拟分析中，考虑自升自航式船与海底地基土相互作用的非线性特性，采用大型有限元通用软件“ABAQUS”，地基土材料本构模型选用工程中常用的与Mohr-Coulumb相匹配Drucker-Prager模型，有限元数值计算模型与试验室的实物模型尺寸完全一致。具体研究内容包括以下六个方面： 1、收集、整理国外自升自航式船的相关资料，进一步深入分析国内、外自升式平台已有的研究成果，明确研究的内容、目的和方法。 2、归纳、总结自升自航式船的技术特点和海洋工程地质的基本特点。把握自升自航式船的总体性能特征，特别是自升自航式船的载荷特点和桩靴形状特点，把握海洋工程地质的特性，特别是可能首先使用自升自航式船的国内典型海域的海洋地质情况，更加全面地认识两个主要研究的对象，自升自航式船和海底土。 3、研究自升自航式船地基承载能力，分析自升自航式船的结构和入泥深度的特点，研究认为：自升自航式船具有浅基础的典型特征，可以使用土力学浅基础理论和挪威船级社推荐的海上结构物地基分析方法。分别采用土力学极限承载能力理论和有限元数值计算两种方法研究地基承载能力。垂直承载能力研究表明，用数值方法和经典土力学理论方法计算得到的结果比较接近。采用有限元数值方法，分别计算分析三种载荷条件下的地基承载能力。三种载荷条件分别是：垂直载荷，水平与垂直载荷组合以及水平、垂直载荷和相互作用力矩组合。计算结果表明：水平载荷和相互作用力矩都明显降低地基的垂直承载能力。采用土力学极限承载能力理论分析表明，自升自航式船对地基土的强度要求比较小，自升自航式船可以在承载能力较弱的粘性系数较小的粘土海底地基上安全作业。 4、采用了极限承载能力理论研究自升自航式船桩靴的入泥深度，尝试采用经验和力学分析方法研究自升自航式船拔桩能力，采用中国船级社《海上移动式平台入级与建造规范》和挪威船级社DnVClassficationNotsNo.30.4〈Foundation〉推荐的抗滑能力计算方法分析自升自航式船抗滑能力。入泥深度的研究重点是粘土地基。研究不同桩靴尺度在不同入泥深度下的拔桩能力。结果表明，入泥深度和拔桩能力紧密相连，可以通过分析选择海底地基条件来控制桩靴的入泥深度，在控制入泥深度比较小的条件下，拔桩能力有保障。拔桩能力研究表明，控制入泥深度小于1.5米可能是自升自航式船的较佳选择。抗滑能力研究中，分析比较两种方法的特点，得出自升自航式船抗滑能力的初步规律，研究认为，在垂直承载能力足够的条件下，抗滑能力有保障。 5、采用有限元数值模拟和试验室模型试验两种方法，研究自升自航式船的固定性。在有限元数值模拟中，将砂箱砂土、主体和桩靴同时建立在一个三维有限元模型中。三维有限元模型与试验室的试验模型的尺寸、载荷完全一致。三维有限元模型中，地基土的材料采用D-P弹塑性模型，外载荷和边界条件不做任何简化。数值计算结果可直接与试验室模型试验结果比较分析。模型研究表明，数值计算的结果与试验结果吻合良好；地基土对桩靴有较大的约束力矩作用，数值模拟和模型试验计算出的固定性均大于40﹪。由此，在自升自航式船的结构分析和强度计算中，采用一般的自升式平台规范，将桩腿的底端简化为铰支可能过于保守，建议在自升自航式船的计算分析中考虑地基的约束作用。在数值模拟与试验结果吻合较好的基础上，进一步分析桩靴尺寸、地基土弹性模量的变化对固定性的影响。为设计过程中合理确定桩靴尺寸提供参考依据。研究表明，在特定海域，桩靴可能有最佳尺寸的选择。 6、采用有限元数值模拟方法，分别分析了上海交通大学设计的“自升自航式石油工程船”和“试验模型”的模态，并研究了“试验模型”的动态响应。采用ABAQUS程序，通过建立三维数值模型进行模态分析。分别提取桩腿的底端为铰支和固支两种状态的模态，总结模态频率的变化规律。计算结果表明，“自升自航式石油工程船”两种支撑状态的一阶模态的频率接近，二阶频率相差较大。通过建立“试验模型”的两维数值模型进行动态响应的研究。分别分析“试验模型”的桩腿底端为铰支、固支和支撑在砂土地基上三种状态。采用瞬态载荷保持不变、短时载荷0.2秒后卸载、循环动载荷三种方式施加水平动载荷。本模型研究表明，弹塑性地基土对结构的水平位移振荡有明显的阻尼作用，地基的弹性模量越大，阻尼越大；动载荷作用下的最大水平位移明显大于静载荷作用下的最大水平位移；铰支和固支两种状态，动载荷和静载荷产生的最大水平位移变化小于支撑在弹塑性地基上的变化；在循环动载荷作用下，一阶频率的循环动载荷使铰支、固支状态的模型发生共振，随着时间的延长，水平位移振幅不断增大；在循环动载荷作用下，支撑在弹塑性地基上的模型水平位移循环变化，逐渐增大，但在6秒后，水平位移的变化比较小，基本稳定。本研究中，对承载能力的评估，入泥深度的控制，拔桩能力校核，抗滑能力计算以及突然穿透可能性分析等几个方面是不可能完全独立的，它们之间存在着相互联系。经典土力学的理论分析和计算是模型试验和有限元数值模拟的重要基础和有益补充。本文将自升自航式船与地基作为统一有机整体，采用模型试验和有限元数值计算两种方法，分析研究自升自航式船与地基的相互作用，以及相互作用对固定性的影响；采用有限元数值计算方法分析研究地基土对自升自航式船动态响应的影响，本研究方法和研究内容未检索到相关文献，是本研究的创新点之一。自升自航式船的桩靴入泥深度通常小于桩靴宽度，属于浅基础。在浅基础条件下，同时考虑垂直载荷、水平载荷和相互作用力矩共同作用，采用经典土力学极限承载力理论和有限元数值计算两种方法，分析研究自升自航式船的地基承载能力和地基响应，本研究方法和研究内容未检索到相关文献，是本研究的创新点之一。本研究得出了自升自航式船与地基相互作用的初步规律，为进一步研究自升自航式船动态响应、疲劳分析以及全面把握自升自航式船的总体性能打下重要的基础，对自升自航式船的设计和使用有一定的参考价值，为我国开发、使用自升自航式船提供良好的技术储备。
作者：	龚闽
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	谭家华
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文