新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术_徐贺.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 168 新型海底整平清淤平台总强度分析的 关键技术 新型海底整平清淤平台总强度分析的 关键技术 徐 贺，杨 青，杨 玥，迟少艳（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）摘 要：摘 要：深中通道建设采用了中部大月池开孔的回字形浮式平台用于海底整平清淤工作，基于整平清淤平台的设计开发，分析确定回字形浮体结构设计的控制载荷工况，预报各控制设计工况的波浪载荷，并计算各工况下平台的结构总强度，探讨回字形浮式结构设计应关注的重点关键区域。梳理针对该类型浮式结构总强度直接计算的方法。结果表明，对于带有大开口的回形浮式结构，总强度计算中应重点关注结构整体扭转工况，结构设计中可采用在浮体角隅处设置抗扭箱型结构提高整体的抗扭能力。该研究可为回字形浮式结构或相似海洋工程结构物的结构设计提供参考。关键词：关键词：整平清淤平台；回形结构；波浪载荷；结构强度分析；关键技术 中图分类号：中图分类号：U663.2 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.25 Key Technologies of Global Strength Analysis of a New Type Platform Used for Seabed Desilting and Leveling XU He,YANG Qing,YANG Yue,CHI Shaoyan(Marine Design and Research institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:For the construction of Shenzhen to Zhongshan undersea tunnel,the homocentric squares shaped floating platform with central moon pool is used for the seabed desilting and leveling.Based on the design of the platform,the control load cases are analyzed,and the wave loads forecasting is carried out corresponding to every control load case respectively,the global structure strength of the floating platform is calculated through design wave method,and the critical structure areas and issues need to be pay attention are discussed for the floating platform.The direct calculation method for the total strength of this type of floating structure is summarized.The results show that for the homocentric squares shaped floating structure with large central moon pool,the overall torsional condition of the structure should be focused in the calculation of total strength,and the antitorque box structure at the corner of the platform can be used in the structure design to improve the overall torsional capacity.It provides a guide on homocentric squares shaped or similar type floating structure design.Key words:platform used for seabed desilting and leveling;homocentric squares shaped floating structure;wave load;structure strength analysis;key technology 0 引言引言 深中通道（连接深圳与中山）项目是世界级的集海底隧道、人工岛和悬索桥为一体的超级集群工程，是国家“十三五”重大工程项目。深中通道全长24 km，其中海底沉管隧道部分约有 6.8 km。该项目 2016 年12 月正式开工，目前正处于东端海底沉管铺设施工中。深中通道的建成能够为珠三角地区的发展提供进一步的保障1。在海底隧道沉管铺设前，首先需要对海底的淤泥进行清除，然后在需要铺设沉管的范围内进行基底碎石的铺设，使海底达到沉管铺设的条件。为实现海底淤泥的清除及碎石的铺设，研究开发了一种中间开有 收稿日期：2021-12-13；修回日期：2022-02-20 作者简介：徐 贺（1987），男，高级工程师。研究方向：船舶与海洋工程结构设计。徐贺等，新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术 169 大尺度月池的“回”字形钢质浮式平台结构。通过月池可将带有碎石铺设小车的整平架下放至海底，横跨回形平台前后横向浮体布置行走行车设备，用于为碎石铺设小车输送石料。碎石铺设小车在下放至海底的整平架上做平面二维方向移动，可实现海底碎石的铺设。整体装备示意见图1 和图2。图 1 整平平台三维示意图 图 2 整平平台侧视图 海上浮式平台型式有半潜式平台、张力退平台和单柱式平台等2。上述海洋平台的水线面大多位于立柱浮体结构范围内，而用于连接立柱浮体的水平浮体结构位于水面以下。目标回形浮式平台作业工况的水线与首尾相连的 4 个水平浮体相交，水线面面积相对更大，受波浪绕辐射的影响也就更大，结构响应特性与典型浮式平台也会不同。基于作业海况条件，对平台进行波浪载荷预报，根据载荷预报结果得到用于平台整体强度计算的等效设计波，作为整体有限元强度计算的输入条件。通过分析各控制工况的强度计算结果，分析回形浮式结构的结构响应特性、需重点关注的控制载荷工况及结构设计问题。1 平台总体结构型式特点平台总体结构型式特点 目标整平清淤船主要尺度见表 1，双层底视图、纵向及横向侧视图见图3 和图4。由图3 和图4 可知，浮体4 个角隅处设置了压载舱，双层底下设置了压载舱及功能性液舱，双层底上为机舱、辅设备舱、泵舱等设备舱室。主甲板上为甲板设备布置区域，首部横向浮体上为生活区域空间。由图 3 可知，整平架结构位于浮体中部月池内，与四周围壁留有一定的间隙，防止在下放、起升过程中与四周围壁发生碰撞。由图 4 可知，前后横向浮体中部各开有 4 个贯通浮体的开孔，目的是拖航时可减小拖航阻力。主甲板以上二层结构围壁开有多个开孔，作为设备布置、人员观测等用途。浮体 4 个角隅主甲板以下的所有空间设置为压载舱，远离平台的运动中心，更有利于浮体浮态的调整。表1 平台主要尺度 参数 数值 参数 数值长度/m 62.0 月池长/m 42.0 宽度/m 55.6 月池宽/m 38.0 主甲板高度/m 6.5 作业吃水/m 4.5 二层甲板高度/m 10.5 图3 双层底视图 图4 纵向及横向侧视图 2 计算分析模型的建立计算分析模型的建立 通过设计波法进行直接强度计算评估平台总体强度，需要建立平台的湿表面模型用于波浪载荷预报，建立平台有限元模型作为质量模型和结构模型用于强度分析。图 5 为整平清淤平台波浪载荷计算湿表面模型，图 6 为平台整体结构有限元模型。模型中将前后横向浮体的流水通道结构、各层围壁的开孔准确模拟。设计中考虑结构突变或角隅处可能产生应力集中而设置加厚板的区域也在有限元模型中准确表达，板厚分(a)纵向视图(b)横向视图 海洋工程 170 布见图 7。质量模型中液舱装载重量通过在舱室周界施加对应水压力的方式模拟，甲板设备通过在重心处布置质量点的方法模拟。上述两者与结构重量共同组成整个平台的质量模型。图 5 湿表面模型图 图 6 结构有限元模型 图 7 板厚分布 对于回字形浮式结构物，为了使计算边界条件尽量不影响结构在波浪环境中的变形趋势，尽量减小边界约束对强度计算的影响。对于浮体中部发生垂向或水平变形的载荷工况，约束浮体靠近 3 个角隅处节点的自由度作为边界约束条件。对于整个浮体发生扭转变形的载荷工况，约束 3 个浮体跨中处节点的自由度作为边界约束条件。各点约束条件为：1）节点1，约束 x、y、z 等3 个方向线自由度；2）节点2，约束y、z 等 2 个方向线自由度；3）节点 3，约束 z 方向线自由度。2 种边界约束条件示意见图8 和图9。图 8 边界约束1 图9 边界约束2 3 总强度控制工况及设计波总强度控制工况及设计波 3.1 控制载荷工况的选取控制载荷工况的选取 平台为回字形结构，为全面考察结构在波浪中可能发生的各种响应模式，参考其他海洋平台总强度计算方法，结合本平台的结构特征，控制载荷工况3-4选取如下：1）纵向浮体垂向最大波浪弯矩；2）纵向浮体垂向最大波浪剪力；3）横向浮体垂向最大波浪弯矩；4）横向浮体垂向最大波浪剪力；5）纵向浮体水平最大波浪弯矩；6）纵向浮体水平最大波浪剪力；7）横向浮体水平最大波浪弯矩；8）横向浮体水平最大波浪剪力；9）整个结构对纵向水平轴最大波浪扭矩；10）整个结构对横向水平轴最大波浪扭矩。计算中使平台各控制载荷工况对应的结构区域在各自工况设计波（浪向、波高和周期）下达到最大的结构响应，用于考察结构在各种可能发生的极限响应模式下的应力情况5-6。3.2 控制载荷工况设计波控制载荷工况设计波 为了分析平台波浪载荷分布特征，沿回字形结构纵、横向浮体分别等间距设置了 5 个载荷计算剖面，见图10。纵向第3 号剖面及横向第8 号剖面分别位于纵向中心及横向中心位置处。浪向分布见图10。图10 载荷计算剖面位置及浪向分布 平台的设计目标环境条件为中国沿海区域，基于中国沿海波浪散布表（见表 2）对上述各控制载荷工况的波浪载荷进行预报，其中纵向浮体垂向弯矩分布、徐贺等，新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术 171 横向浮体垂向弯矩分布、纵向浮体垂向剪力分布及横向浮体垂向剪力分布见图11图14。由图11 和图12可知，纵、横向浮体中部垂向弯矩最大；由图13 和图14 可知，纵、横向浮体连接处垂向波浪剪力最大。各控制载荷工况结构响应极值见表 3，设计波的浪向、周期、波幅和相位见表4。表2 中国沿海波浪散布表 Hs/m 波浪散布 Tz=3.5 s Tz=4 s Tz=5 s Tz=6 s Tz=7 sTz=8 sTz=9 sTz=10 sTz=11 sTz=12 s Tz=12.5 stotal11.50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 011.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7.50 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 2 6.00 0 0 0 0 2 2 1 0 0 0 0 5 5.00 0 0 0 3 7 6 2 1 0 0 0 19 4.00 0 0 3 11 12 6 2 0 0 0 0 34 3.25 0 1 14 27 20 9 3 1 0 0 0 75 2.50 0 10 39 43 24 9 2 0 0 0 0 127 1.85 3 37 74 56 24 8 2 0 0 0 0 204 1.25 11 54 66 38 14 4 1 0 0 0 0 188 0.85 21 62 56 27 9 3 0 0 0 0 0 178 0.50 36 62 42 18 6 1 0 0 0 0 0 165合计 71 226 294 223 118 49 14 2 0 0 0 997 图 11 纵向浮体垂向波浪弯矩分布 图12 横向浮体垂向波浪弯矩分布 图 13 纵向浮体垂向波浪剪力分布 图14 横向浮体垂向波浪剪力分布 海洋工程 172 表 3 载荷极值 控制载荷 最大响应极值 纵向浮体垂向弯矩/(MNm)137 纵向浮体垂向剪力/MN 8.16 横向浮体垂向弯矩/(MNm)162 横向浮体垂向剪力/MN 17.1 纵向浮体水平弯矩/(MNm)33.5 纵向浮体水平剪力/MN 2.27 横向浮体水平弯矩/(MNm)31.7 横向浮体水平剪力/MN 2.23 绕X 轴扭矩/(MNm)212 绕Y 轴扭矩/(MNm)320 表 4 设计波参数 浪向/()周期/s 波幅/m 相位/()0 9 2.77 158.37 0 9 2.65 154.57 90 9 2.43 15.43 270 9 3.65 161.84 135 5 2.98 98.42 135 5 3.06 100.27 45 5 2.75 51.55 45 5 2.72 48.70 45 8 3.14 22.92 45 8 3.35 158.11 4 强度结果分析与结构设计强度结果分析与结构设计 4.1 强度衡准强度衡准 该平台结构屈服强度衡准选择中国船社级（China Classification Society,CCS）海上移动平台入级规范7第2 篇第3 章第4 节3.4.2.2 要求，板材屈服强度校核衡准为 seqS （1）式中：ep为等效应力；s为材料屈服强度；S 为屈服安全系数，见表5。表5 屈服安全系数 应力类型 安全系数 静载工况 组合工况 等效应力 1.43 1.11 轴向或弯曲应力 1.67 1.25 剪切应力 2.50 1.88 根据 CCS海上移动平台入级规范第 2 篇第 3章第4 节3.4.7.3 要求，板格屈曲强度衡准为 222crbucrbucrbu1yxyxxySSS+|（2）式中：x、y和xy为同一工况下板格长、短向压应力及剪切应力计算值；xcr、ycr和 cr分别为板格在单轴应力作用下的 x 轴、y 轴的临界屈曲压应力和临界屈曲剪应力；Sbu为屈曲安全系数，见表6。表6 屈曲安全系数 静载工况 组合工况 1.67 1.25 4.2 总强度分析总强度分析 通过对平台在各控制载荷工况下的总体强度进行计算，统计主要结构区域的最大应力及对应的控制载荷工况，见表 7。由表 7 可知，各主要结构区域最大应力结果对应的控制载荷工况为“绕 Y 轴最大扭矩”及“横向浮体最大垂向剪力工况”。对于其他载荷控制工况，尤其是纵、横向浮体最大水平弯矩及剪力工况，各区域结构的应力水平明显低于上述2 种工况。表 7 主要结构屈服强度校核结果 结构名称 剪切应力 等效应力 计算值/MPa许用值/MPa 控制载荷工况 计算值/MPa许用值/MPa 控制载荷工况 底部 65 125 绕Y 轴最大扭矩 161 211 绕Y 轴最大扭矩 纵向浮体外侧壁 89 125 绕Y 轴最大扭矩 130 211 绕Y 轴最大扭矩 纵向浮体内侧壁 62 125 绕Y 轴最大扭矩 140 211 绕Y 轴最大扭矩 横向浮体外侧壁 155 188 横向浮体最大垂向剪力273 319 横向浮体最大垂向剪力横向浮体内侧壁 139 188 横向浮体最大垂向剪力198 319 横向浮体最大垂向剪力主甲板 67 125 横向浮体最大垂向剪力151 211 横向浮体最大垂向剪力二层甲板 78 125 绕Y 轴最大扭矩 167 211 绕Y 轴最大扭矩 浮体角隅三角板 93 188 绕Y 轴最大扭矩 185 319 绕Y 轴最大扭矩 对于扭转工况，由于平台为回形带大月池开孔型式结构，且月池尺度相对较大，而 4 个浮体结构宽度及型深相对较小，整体结构抗扭能力较弱，因此，平台在遭遇斜浪海况时，整体产生绕平台中心处纵向或横向水平轴的扭转变形，两对角线方向产生垂向相对位移，导致浮体的内外侧垂向围壁承受较大的剪切应力，见图 15 和图 16。由图 15 和图 16 明显可见，无论横向或纵向浮体结构，外侧围壁的整体应力水平要徐贺等，新型海底整平清淤平台总强度分析的关键技术 173 高于内侧围壁应力水平。外侧围壁的高应力分布在壁板的中部区域，内侧围壁的高应力出现在靠近两端的局部区域。图 15 扭转工况横向浮体垂向围壁等效应力 图 16 扭转工况纵向浮体垂向围壁等效应力 在平台发生扭转变形时，浮体4 个角隅处各层水平甲板结构产生了明显的沿垂直于平台对角线方向的载荷传递路径，导致角隅附近区域结构尤其是浮体转角处结构的应力水平较高。图17 和图18 分别为底板及二甲板在扭转工况下的应力分布情况。图 17 扭转工况底板等效应力 图 18 扭转工况二甲板等效应力 由表7 可知，横向浮体内外侧围壁应力最大时对应的控制载荷工况为“横向浮体最大垂向剪力”工况，而非“绕Y 轴最大扭矩”工况。分析其原因在于，为减小托航阻力，在横向浮体的主甲板下开设了较大的流水通道孔（见图4），流水通孔的存在显著增加了浮体垂向运动的附加阻力，导致横向浮体的最大剪力极值远大于纵向浮体的最大剪力极值。如表3 所示，横向浮体最大剪力极值约为纵向浮体最大剪力极值的 2倍。因此，横向浮体内外侧围壁产生了较大的剪切应力。4.3 局部强度分析及结构设计局部强度分析及结构设计 4.3.1 纵、横向浮体角隅处 对于纵、横向浮体的 4 个角隅连接处，最初采用了圆弧肘板的过渡形式。但计算结果表明，在扭转载荷控制工况下，相互垂直的两浮体发生垂向相对变形，导致圆弧过渡肘板的应力水平非常高，尤其是肘板的趾端处。原因在于肘板本身相对于浮体主体结构刚度较弱，不能够将载荷有效传递。后续采用在角隅处设置垂向三角箱形结构作为纵、横向浮体角隅的过渡，即利用一块斜向布置的垂直板将纵、横向浮体内围壁板相连接，与各层平台的水平板构成三角形箱型结构，见图19。计算结果表明，在扭转控制工况下过渡区域的应力水平显著降低，见表7 中浮体角隅三角板应力结果及图20 所示的过渡区域应力分布。图19 纵、横向浮体肘板过渡结构设计 图20 纵、横向浮体过渡区域应力 4.3.2 横向浮体流水通道结构 由表7 可知，横向浮体垂直围壁结构设计的主控载荷工况为横向浮体最大垂向剪力工况，多个大型流水通道开孔的设置又损失了垂向围壁板的剪切面积。因此，横向浮体垂直围壁结构设计采用了高强度加厚(a)外侧围壁(b)内侧围壁(a)外侧围壁(b)内侧围壁 海洋工程 174 钢板，提高抗剪切能力。流水通道角隅处也采用了类似于月池角隅处的小三角箱型结构的设计型式，施工方便，在没有明显增加钢料的前提下有效解决了角隅应力集中问题。4.3.3 其他局部结构 由表 7 可知，除上述所列关键结构区域外，在生活楼角隅、各层平台结构突变处、垂向舱壁板中断处等局部结构区域，在某些控制载荷工况下也产生了明显的应力集中现象。结构设计中采用合理的过渡结构型式并结合使用加厚板的设计方式，减小应力集中程度，在此不一一列举。对于平台各区域的屈曲强度，由计算结果发现，应重点关注在扭转工况下靠近浮体角隅的板架结构。因为此时平面板架的剪切应力较大。如该平台靠近浮体4 个角隅处二层甲板结构，见图21。还应关注开有较大开孔结构区域，如前后横向浮体垂向围壁结构，见图22。图 21 流水通道角隅结构设计 图 22 流水通道角隅应力 5 结论结论 通过对深中通道建设采用的回字形整平清淤平台设计控制载荷工况的选取、总强度分析以及结构设计中一些关键区域强度问题的梳理，得出如下结论：1）对于开有大型月池的回字形浮式平台结构，由于整体抗扭刚度较弱，斜浪海况下平台绕水平轴会产生明显的整体扭转变形，因此总强度分析中应重点关注最大扭矩控制载荷工况。由于横向浮体设置了多个大型流水通道结构，大大增加了垂向运动附加质量，导致横向浮体垂向剪力极值增加，横向浮体的垂向最大剪力载荷工况也成为平台结构设计的主要控制工况之一。浮体的水平最大弯矩及水平最大剪力控制工况下结构应力水平较低，对该类型平台结构，上述 2 种控制工况一般不会成为主控设计工况。2）回字形浮体结构4 个月池角隅处的结构设计型式至关重要，应能有效传递整体扭转工况下浮体间的扭转载荷。采用抗扭箱型结构能够有效地传递垂直于对角线方向的扭转载荷，使局部应力水平明显降低。大型开孔角隅处及主要载荷传递路径上的结构突变处，如生活楼角隅、舱壁截止处等会产生明显的应力集中现象，应采用合理的结构过渡设计形式尽量减小应力集中程度。3）由于该类型平台结构的整体结构响应模式较多，对于同一结构区域，在某一控制载荷工况下应力可能很小，而在另一控制载荷工况下应力反而会很大。因此需全面考察、搜索特殊类型平台总强度计算的控制载荷工况，以及各工况下可能产生应力集中的所有结构区域。一些看似非关键的局部结构应力集中有可能不被发现，应给予足够重视。参考文献：参考文献：1 张建林,詹欣金,陈静.深中通道再添科技利器,国内最先进水下 3D 碎石整平清淤船正式开建J.珠江水运,2019(12):24.2 DNV GL.Structural Design of Column Stabilized Units-LRFD Method:DNV GL-OS-C103S.2015.3 张朝阳,刘俊,白艳彬.深水半潜式平台波浪载荷计算的设计波方法研究J.中国海洋平台,2012(5):34-40.4 梁瑜,乔晓国,蔡元浪.深水半潜式生产储油平台整体强度分析J.中国海洋平台,2019,34(4):24-29.5 王一江,夏侯命胜,罗东红,等.张力腿平台总强度分析关键技术研究J.船舶,2018(1):31-39.6 冯加果,谢彬,王春升,等.南海海域张力腿平台总体和局部结构强度分析J.船海工程,2017,46(5):170-174.7 中国船社级.海上移动平台入级规范S.2020.突破“卡脖子”难题，再次填补空白！近日，由中国船舶集团七一一所承接的中海油“海洋石油 121”主发电机组重油改原油项目，在陆丰油田作业区实现无故障运行超 8 000 h。经拆检评估，各运行参数达到设计指标，主要零部件状态良好，项目取得圆满成功。这标志着七一一所成功攻克了发动机关键零部件异常磨损技术、原油切换粘温控制技术、油品适应性改造技术等多项关键技术，突破了国外企业长期垄断的原油发动机“卡脖子”难题，为自主保障海工动力装备技术迭代升级做出了积极贡献。（来源：中国船舶集团）